Nghiên cứu quá trình nhiệt phân biomass sản xuất nhiên liệu sinh học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

PHẠM DUY VŨ

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN BIOMASS
SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng, năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

PHẠM DUY VŨ

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN BIOMASS
SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
Mã ngành: 62.52.01.15
Người hướng dẫn khoa học
PGS.TS. HOÀNG DƯƠNG HÙNG
PGS.TS. TRẦN VĂN VANG

Đà Nẵng, năm 2017

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chưa
từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả

Phạm Duy Vũ


ii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................................... i
MỤC LỤC ................................................................................................................................. ii
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................................... vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH ..................................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................................... ix
MỞ ĐẦU.................................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................. 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................ 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................... 3
3.1. Đối tượng nghiên cứu ....................................................................................3
3.2. Phạm vi nghiên cứu .......................................................................................3
4. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 3
5. Nội dung nghiên cứu............................................................................................ 4
6. Những đóng góp mới của luận án ........................................................................ 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHIỆT PHÂN NHANH SINH KHỐI SẢN XUẤT

NHIÊN LIỆU SINH HỌC ....................................................................................................... 6
1.1. Sinh khối và tình hình sử dụng năng lượng sinh khối ...................................... 6
1.1.1. Giới thiệu về sinh khối ...............................................................................6
1.1.2. Tổng quan tình hình sử dụng năng lượng sinh khối ..................................7
1.1.3. Sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối ..................................................9
1.2. Tổng quan về nhiệt phân sinh khối ................................................................. 11
1.2.1. Khái niệm .................................................................................................11
1.2.2. Phân loại quá trình nhiệt phân sinh khối..................................................12
1.3. Công nghệ nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học ....................... 13
1.3.1. Lò côn quay..............................................................................................14
1.3.2. Lò chân không..........................................................................................15
1.3.3. Lò ma sát ..................................................................................................16
1.3.4. Lò tầng sôi................................................................................................16
1.3.5. Lò tầng sôi tuần hoàn ...............................................................................17
1.3.6. So sánh và lựa chọn kiểu lò thực hiện nhiệt phân nhanh sinh khối .........18
1.4. Các yếu tố vận hành ảnh hưởng đến quá trình nhiệt phân nhanh ................... 20
1.4.1. Ảnh hưởng của thành phần hóa học trong sinh khối ...............................20
1.4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến hiệu quả thu hồi dầu sinh học ....21


iii

1.4.3. Ảnh hưởng của thời gian lưu sản phẩm phản ứng và lưu lượng khí cấp
nhiệt ..................................................................................................................23
1.4.4. Ảnh hưởng của kích cỡ hạt sinh khối ......................................................24
1.4.5. Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt ...............................................................26
1.4.6. Ảnh hưởng của môi chất truyền nhiệt......................................................27
1.4.7. Ảnh hưởng của độ ẩm sinh khối ..............................................................28
1.5. Thông số động học quá trình nhiệt phân nhanh.............................................. 29
1.6. Đặc tính các sản phẩm của quá trình nhiệt phân nhanh và phương pháp

nhiệt phân có xúc tác ............................................................................................. 31
1.6.1. Dầu sinh học ............................................................................................31
1.6.2. Chất rắn ....................................................................................................33
1.6.3. Hỗn hợp khí không ngưng tụ ...................................................................34
1.6.4. Nhiệt phân có chất xúc tác .......................................................................34
1.7. Kết luận và định hướng nghiên cứu ................................................................ 35
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN QUÁ TRÌNH
NHIỆT PHÂN NHANH CHO BỘT GỖ, BÃ MÍA ........................................................... 37
2.1. Xác định trường nhiệt độ t(r,) trong sinh khối khi nhiệt phân nhanh ........... 37
2.1.1. Phát biểu bài toán tìm t(r,) .....................................................................37
2.1.2. Xác định phân bố (, Foq) và t(r, ) trong thể tích hạt sinh khối (V) ....40
2.1.3. Xác định công thức tính thời gian nhiệt phân sinh khối bán kính R .......43
2.1.4. Xác định nhiệt độ trên bề mặt vỏ hạt sinh khối sau khoảng thời gian
nhiệt phân p cho trước .......................................................................................44
2.2. Kết quả mô phỏng trường nhiệt độ và xác định kích cỡ hạt phù hợp cho
quá trình nhiệt phân nhanh bột gỗ và bã mía ......................................................... 44
2.2.1. Mô phỏng trường nhiệt độ khi nhiệt phân nhanh bột gỗ và bã mía .........44
2.2.2. Xác định kích cỡ hạt sinh khối phù hợp cho nhiệt phân nhanh ...............49
2.2.3. Xác định nhiệt độ bề mặt lớp vỏ sinh khối có bán kính R và nhiệt độ
lớp biên phần sinh khối chưa phản ứng theo thời gian p ..................................51
2.2.4. Khảo sát ảnh hưởng hệ số trao đổi nhiệt phức hợp  trong lớp sôi đến
thời gian phản ứng nhiệt phân nhanh .................................................................52
2.3. Kết luận chương 2 ........................................................................................... 53
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM NHIỆT PHÂN NHANH
SINH KHỐI TRONG LÒ TẦNG SÔI SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC ........... 55
3.1. Mô hình thực nghiệm...................................................................................... 55


iv

3.2. Xác định loại nguyên liệu và các thông số sử dụng cho việc mô phỏng, tính
toán thiết kế ............................................................................................................ 57
3.2.1. Phân tích lựa chọn loại nguyên liệu sinh khối cho tính toán thiết kế ......57
3.2.2. Các thông số sử dụng mô phỏng khí động lực học và tính toán thiết kế
hệ thống nhiệt phân nhanh trong lò tầng sôi ......................................................58
3.3. Mô phỏng khí động lực học trong lò tầng sôi nhiệt phân nhanh sinh khối
sản xuất nhiên liệu sinh học ................................................................................... 59
3.3.1. Sự hình thành lớp sôi ...............................................................................59
3.3.2. Mục đích của việc mô phỏng khí động lực học trong lò tầng sôi ............60
3.3.3. Mô tả mô hình ..........................................................................................61
3.3.4. Mô hình toán và thiết lập mô hình mô phỏng ..........................................62
3.3.5. Kết quả mô phỏng và bình luận ...............................................................66
3.4. Các bước tính toán thiết kế hệ thống thiết bị nhiệt phân nhanh sinh khối
trong lò tầng sôi sản xuất dầu sinh học .................................................................. 69
3.4.1. Xác định nhiệt lượng cung cấp cho quá trình nhiệt phân ........................69
3.4.2. Tính thiết kế lò phản ứng .........................................................................70
3.4.3. Tính toán thiết kế xyclone thu hồi sản phẩm rắn .....................................70
3.4.4. Tính diện tích trao đổi nhiệt thiết bị ngưng tụ .........................................72
3.5. Tính toán thiết kế hệ thống thiết bị nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu
sinh học năng suất 500 g/h..................................................................................... 73
3.6. Kết luận chương 3 ........................................................................................... 73
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM NHIỆT PHÂN NHANH SINH
KHỐI SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC .................................................................. 75
4.1. Dụng cụ, nguyên liệu và các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ............. 75
4.1.1. Các dụng cụ sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm ..............................75
4.1.2. Nguyên liệu sinh khối sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm ...............76
4.1.3. Các phương pháp phân tích xác định các thành phần của sinh khối và
sản phẩm từ quá trình nhiệt phân nhanh.............................................................77
4.2. Mô tả quá trình vận hành hệ thống nhiệt phân nhanh sinh khối trong lò tầng
sôi sản suất dầu sinh học ........................................................................................ 79

4.3. Phương pháp xử lý số liệu thí nghiệm, xác định giá trị thông số vận hành
và đánh giá độ ổn định hệ thống thí nghiệm.......................................................... 80
4.3.1. Phương pháp xử lý số liệu thí nghiệm .....................................................80
4.3.2. Xác định các thông số vận hành ảnh hưởng đến hiệu quả thu hồi dầu
sinh học ...............................................................................................................81
4.3.3. Đánh giá độ ổn định của hệ thống thí nghiệm .........................................82


v

4.4. Kết quả xác định thành phần hóa học, nguyên tố và phân tích nhiệt khối
lượng TGA của bột gỗ và bã mía .......................................................................... 83
4.4.1. Kết quả xác định thành phần hóa học và nguyên tố của bột gỗ và bã mía....83
4.4.2. Kết quả phân tích nhiệt khối lượng TGA bột gỗ và bã mía .....................83
4.5. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm một số yếu tố vận hành chính ảnh hưởng
đến hiệu quả thu hồi sản phẩm nhiệt phân nhanh .................................................. 86
4.5.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến khối lượng các sản phẩm ...........86
4.5.2. Ảnh hưởng của kích cỡ đến khối lượng các sản phẩm ............................88
4.5.3. Ảnh hưởng lưu lượng khí nitơ đến khối lượng các sản phẩm .................89
4.6. Đánh giá tính chất vật lý và thành phần hóa học của sản phẩm dầu sinh học .. 91
4.6.1. Đánh giá tính chất vật lý của sản phẩm dầu sinh học ..............................91
4.6.2. Phân tích thành phần hóa học của dầu sinh học ......................................93
4.7. Kết luận chương 4 ........................................................................................... 95
CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN NHANH ... 97
5.1. Đặt vấn đề ....................................................................................................... 97
5.2. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 98
5.2.1. Xác định mô hình động học và khối lượng các thành phần sản phẩm
của quá trình nhiệt phân .....................................................................................98
5.2.2. Xác định hằng số tốc độ phản ứng của quá trình nhiệt phân nhanh ......100
5.3. Kết quả nghiên cứu xác định thông số động học nhiệt phân nhanh bột gỗ

và bã mía trong lò tầng sôi ................................................................................... 102
5.3.1. Các điều kiện đơn trị ..............................................................................102
5.3.2. Xác định hằng số tốc độ phản ứng k1, k2, k3 ..........................................103
5.3.3. Xác định thông số động học nhiệt phân nhanh bột gỗ trong lò tầng sôi ..103
5.3.4. Xác định thông số động học nhiệt phân nhanh bã mía trong lò tầng sôi..105
5.4. Kết luận chương 5 ......................................................................................... 107
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................. 108
1. Kết luận ............................................................................................................ 108
2. Kiến nghị.......................................................................................................... 109
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ........................................................ 111
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 113
PHỤ LỤC LUẬN ÁN


vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Thành phần hóa học của một số sinh khối [63] .................................................... 6
Bảng 1.2: Sản phẩm nhiệt phân của gỗ phụ thuộc vào công nghệ nhiệt phân .................. 13
Bảng 1.3: Tổng quan so sánh các loại lò nhiệt phân nhanh [109] ...................................... 19
Bảng 1.4: Một số thông số động học thường được sử dụng cho quá trình nhiệt phân
nhanh [19], [25], [38], [81] .................................................................................................... 31
Bảng 1.5: Đặc tính điển hình của dầu sinh học từ gỗ và dầu khoáng [6], [26] ................. 31
Bảng 2.1: Thông số vật lý của gỗ, bã mía, khí nitơ [54], [84] ............................................ 45
Bảng 2.2: Kết quả tính toán các đại lượng Bi, ni, ci theo R của gỗ và bã mía ................... 45
Bảng 3.1: Các thông số vật lý của gỗ và cát [54] ................................................................. 59
Bảng 4.1: Các thiết bị đo lường và điều khiển sử dụng trong hệ thống thí nghiệm ........ 75
Bảng 4.2: Các tiêu chuẩn phân tích thành phần nguyên tố sinh khối................................. 77
Bảng 4.3: Tiêu chuẩn và thiết bị phân tích thành phần nguyên tố, tính chất của dầu....... 78
Bảng 4.4: Lượng sinh khối cấp vào lò phụ thuộc vào tần số của biến tần......................... 81

Bảng 4.5: Kết quả các thông số vận hành của hệ thống thí nghiệm ................................... 82
Bảng 4.6: Thành phần hóa học và thành phần nguyên tố của sinh khối ............................ 83
Bảng 4.7: Tính chất vật lý và thành phần nguyên tố của dầu sinh học .............................. 92
Bảng 4.8: Thành phần diện tích (%) các hợp chất trong dầu sinh học từ bột gỗ .............. 93
Bảng 5.1: Các dữ liệu sử dụng xác định thông số thông số động học quá trình nhiệt
phân nhanh của bột gỗ và bã mía......................................................................................... 102
Bảng 5.2: Giá trị hằng số tốc độ phản ứng ki của bột gỗ ................................................... 103
Bảng 5.3: Giá trị hằng số tốc độ phản ứng ki của bã mía .................................................. 103
Bảng 5.4: Kết quả tính lnki và 1/T của bột gỗ .................................................................... 103
Bảng 5.5: Giá trị Ea, i và Ai của quá trình nhiệt phân nhanh bột gỗ trong lò tầng sôi ..... 104
Bảng 5.6: Kết quả tính lnki và 1/T của bã mía.................................................................... 105
Bảng 5.7: Giá trị Ea, i và Ai của quá trình nhiệt phân nhanh bã mía trong lò tầng sôi..... 105
Bảng 5.8: Thông số động học nhiệt phân nhanh gỗ và bã mía trong lò tầng sôi ............ 107
Bảng PL6.1: Số liệu ban đầu tính toán thiết kế bình ngưng [14], [53], [63], [106] .......... 19
Bảng PL6.2: Kết quả tính diện tích trao đổi nhiệt thiết bị ngưng tụ ................................... 20


vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Các ứng dụng năng lượng từ sinh khối [15] .......................................................... 7
Hình 1.2: Ứng dụng dầu sinh học [13], [18] ........................................................................... 8
Hình 1.3: Lò côn quay [1]....................................................................................................... 14
Hình 1.4: Lò chân không [101] .............................................................................................. 15
Hình 1.5: Lò nhiệt phân kiểu ma sát [1] ................................................................................ 16
Hình 1.6: Lò tầng sôi [1] ......................................................................................................... 17
Hình 1.7: Lò tầng sôi tuần hoàn [1] ....................................................................................... 18
Hình 1.8: Cấu trúc phân tử của sinh khối [46]...................................................................... 20
Hình 1.9: Sơ đồ chuyển hóa thành phần sinh khối từ quá trình nhiệt phân ....................... 21
Hình 1.10: Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng đến hiệu quả dầu thu hồi của một số sinh

khối [90] ................................................................................................................................... 22
Hình 1.11: Hàm lượng dầu sinh học thu hồi phụ thuộc vào lưu lượng khí ....................... 24
Hình 1.12: Ảnh hưởng kích thước hạt bã mía và gỗ CTT đến lượng dầu thu hồi [44] .... 25
Hình 1.13: Hàm lượng cốc phụ thuộc vào nhiệt độ và tốc độ gia nhiệt [103] .................. 26
Hình 1.14: Ảnh hưởng tốc độ gia nhiệt đến.......................................................................... 27
Hình 1.15: Mô hình phản ứng hai giai đoạn nhiệt phân sinh khối [51], [54] .................... 29
Hình 1.16: Các phương pháp nâng cấp dầu sinh học bằng xác tác zeolit [13].................. 34
Hình 2.1: Sự phân bố nhiệt độ trong quả cầu t(r,) .............................................................. 38
Hình 2.2: Các nghiệm ni  tgn = n/(1-Bi)............................................................................. 41
Hình 2.3: Sơ đồ lặp giải phương trình tgn = n/(1-Bi) .......................................................... 42
Hình 2.4: Mô hình nhiệt phân sinh khối................................................................................ 43
Hình 2.5: Trường nhiệt độ t(r,) của gỗ................................................................................. 46
Hình 2.6: Trường nhiệt độ t(r,) của bã mía ......................................................................... 47
Hình 2.7: Trường nhiệt độ t(r,) của bột gỗ có R = 0,25 mm, Tf = 748 K ........................ 48
Hình 2.8: Kết quả phân tích TGA của gỗ và bã mía ............................................................ 49
Hình 2.9: Mối quan hệ giữa bán kính và thời gian nhiệt phân nhanh ................................ 50
Hình 2.10: Nhiệt độ bề mặt lớp vỏ và nhiệt độ lớp biên chưa tham gia phản ứng của gỗ
và bã mía tại nhiệt độ phản ứng tf = 500C........................................................................... 51
Hình 2.11: Thời gian nhiệt phân phụ thuộc vào hệ số trao đổi nhiệt phức hợp  ............ 52
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống nhiệt phân nhanh sinh khối trong lò tầng sôi sản
suất dầu sinh học...................................................................................................................... 56


viii

Hình 3.2: Nguyên lý hình thành lớp sôi ................................................................................ 59
Hình 3.3: Mô hình lò nhiệt phân ............................................................................................ 62
Hình 3.4: Mô hình mô phỏng và chia lưới lò nhiệt phân .................................................... 64
Hình 3.5: Lưu đồ thuật toán mô phỏng khí động học trong lò tầng sôi ............................. 65
Hình 3.6: Trở lực lớp sôi phụ thuộc vào vận tốc khí ........................................................... 66

Hình 3.7: Mật độ thể tích cát trong lò nhiệt phân ................................................................. 67
Hình 3.8: Mật độ thể tích bột gỗ trong lò nhiệt phân ........................................................... 67
Hình 3.9: Lò nhiệt phân nhanh............................................................................................... 69
Hình 3.10: Mô hình sản phẩm quá trình nhiệt phân vào cyclone [63] ............................... 70
Hình 3.11: Quan hệ các kích thước của cyclone .................................................................. 71
Hình 3.12: Bình ngưng tụ dầu nhiệt phân ............................................................................. 72
Hình 4.1: Quá trình chuẩn bị nguyên liệu sinh khối ............................................................ 79
Hình 4.2: Độ chuyển hóa và vi phân độ chuyển hóa bột gỗ ............................................... 84
Hình 4.3: Độ chuyển hóa và vi phân độ chuyển hóa bã mía............................................... 84
Hình 4.4: Dầu sinh học ........................................................................................................... 86
Hình 4.5: Khối lượng sản phẩm nhiệt phân nhanh bột gỗ phụ thuộc vào nhiệt độ........... 87
Hình 4.6: Khối lượng sản phẩm nhiệt phân nhanh bã mía phụ thuộc vào nhiệt độ.......... 87
Hình 4.7: Khối lượng sản phẩm nhiệt phân nhanh bột gỗ phụ thuộc vào kích cỡ ............ 88
Hình 4.8: Khối lượng sản phẩm nhiệt phân nhanh bã mía phụ thuộc vào kích cỡ ........... 88
Hình 4.9: Sản phẩm nhiệt phân nhanh bột gỗ phụ thuộc vào lưu lượng khí nitơ ............. 90
Hình 4.10: Sản phẩm nhiệt phân nhanh bã mía phụ thuộc vào lưu lượng khí nitơ .......... 90
Hình 4.11: Kết quả phân tích sắc ký khối phổ (GC/MS) dầu sinh học tạo ra từ gỗ ......... 93
Hình 4.12: Thành phần các khí trong hỗn hợp khí không ngưng ....................................... 95
Hình 5.1: Mô hình phản ứng hai giai đoạn nhiệt phân sinh khối [51], [54] ...................... 98
Hình 5.2: Mô hình phản ứng nhiệt phân nhanh sinh khối ................................................. 101
Hình 5.3: Quan hệ giữa lnki và 1/T của bột gỗ................................................................... 104
Hình 5.4: Quan hệ giữa lnki và 1/T của bã mía .................................................................. 105
Hình PL6.2: Cấu tạo lò nhiệt phân năng suất 500 g/h ......................................................... 17
Hình PL6.2: Cấu tạo và cách bố trí ống phun....................................................................... 18
Hình PL6.3: Cấu tạo cyclone ................................................................................................. 18
Hình PL6.4: Cấu tạo bình ngưng kiểu bề mặt ...................................................................... 19
Hình PL6.5: Bình ngưng kiểu ma sát .................................................................................... 21
Hình PL6.7: Mô hình thiết bị thí nghiệm nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất nhiên liệu
sinh học năng suất 500 g/h...................................................................................................... 22

ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
1. CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ LA TINH
0
Trạng thái ban đầu
a
Ai

[m2/s]
[s-1]

Bi
c
C, n
Cp

Chuẩn số Biot
Cốc
Hằng số
[J/kg.K]

d
dtb
Ea,i
F

Hệ số khuếch tán nhiệt
Hằng số trước hàm số mũ

Nhiệt dung riêng
Dầu sinh học

[mm]
[J.mol-1]
[m2]

Đường kính trung bình của hạt sinh khối
Năng lượng hoạt hóa
Diện tích

Fo
g
G

[g/s]

Chuẩn số Fourier
Khí
Lưu lượng khối lượng

hcát
hcl

[m]
[m]

Chiều cao lớp cát tĩnh
Chiều cao vị trí cấp liệu

hfu
hlò
hs
I
k
ki
m
ms
mc
mr

[m]
[m]
[m]
[N/m2]
[W/m2K]
[s-1]
[g]
[g]
[g]
[g]

mg
Q
Qd

[g]
[kJ]
[W]

Qg

[W]

Chiều cao xảy ra phản ứng nhiệt phân
Chiều cao lò nhiệt phân
Chiều cao lớp sinh khối tĩnh
Tensor ứng suất
Hệ số truyền nhiệt
Hằng số tốc độ phản ứng
Khối lượng
Khối lượng sinh khối
Khối lượng chất cốc
Khối lượng chất rắn
Khối lượng chất khí
Nhiệt lượng
Nhiệt lượng truyền ra môi trường làm lạnh ngưng tụ
thành dầu
Nhiệt lượng truyền ra môi trường làm lạnh đến nhiệt độ


x

Qnp

[W]

bão hòa của khí không ngưng
Nhiệt lượng cung cấp cho quá trình nhiệt phân

Qr
Qs

[W]
[W]

Nhiệt lượng cung cấp cho phản ứng nhiệt phân
Nhiệt lượng cung cấp cho sinh khối đạt đến nhiệt độ bắt
đầu phản ứng nhiệt phân

R
r

[m]
[kJ/kg]

Bán kính tương đương
Nhiệt ẩn ngưng tụ

s
t

[C]

Sinh khối
Nhiệt độ bách phân

T

[K]

Nhiệt độ tuyệt đối

t0

[C]

Nhiệt độ ban đầu của khí nitơ

t1

[C]

Nhiệt độ phản ứng

t2

[C]

Nhiệt độ sản phẩm khí từ quá trình nhiệt phân ra khỏi lò

tf

[C]

Nhiệt độ môi trường phản ứng

tp

[C]

Nhiệt độ bắt đầu nhiệt phân

tp0

[C]

Nhiệt độ ban đầu của sinh khối

tp1

[C]

Nhiệt độ bắt đầu nhiệt phân của sinh khối
Đạo hàm bậc nhất của nhiệt độ theo bán kính r

tr
trr
U
VN2
y

[kJ]
[m3/s]

z

Đạo hàm bậc hai của nhiệt độ theo bán kính r
Nội năng

Lưu lượng khí nitơ
Tỉ số khối lượng sinh khối không phản ứng / khối lượng
sinh khối phản ứng
Hệ số sinh khối phân hủy

2. CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ HY LẠP
µ
[kg/sm] Độ nhớt phân tử
[kg/sm] Độ nhớt tổng hợp



[mm]



Đường kính lò phản ứng
Hằng số



[W/mK]

α

[W/m2K] Hệ số trao đổi nhiệt phức hợp
[kg/m3] Khối lượng riêng



Hệ số dẫn nhiệt


xi

ghh

[kg/m3]

Khối lượng riêng của hỗn hợp khí nhiệt phân



Mật độ thể tích



Tỉ số bán kính r/R



Tỉ số nhiệt độ



[s]

Thời gian

p

[s]

Thời gian nhiệt phân

ωp
ωs

(m/s)
(m/s)

Vận tốc tại lỗ phun
Vận tốc tạo lớp sôi

3. CÁC CHỮ VIẾT TẮT
min
Tối thiểu
max
kpu
TGA
GC/MS
kl
tb
cl
fu
tu
KPH

Tối đa
Không phản ứng

Phân tích nhiệt khối lượng (Thermogravity analysis)
Phân tích sắc ký khối phổ
Khối lượng
Trung bình
Cấp liệu
Phản ứng
Tối ưu
Không phát hiện


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Theo dự báo của Tổ chức năng lượng quốc tế IEA từ năm 1999 đến năm 2020
nhu cầu năng lượng của thế giới sẽ tăng khoảng 60 % [111]. Trong khi đó, nguồn
năng lượng chính hiện nay vẫn là năng lượng hóa thạch. Trữ lượng nguồn năng lượng
này ngày cảng giảm, gây nên mất an ninh năng lượng trên toàn cầu. Đặc biệt, khi sử
dụng nguồn năng lượng hóa thạch sẽ thải ra môi trường một lượng lớn các khí SO2,
CO2, NOx gây nên hiệu ứng nhà kính, ô nhiễm môi trường và tác động xấu đến đời
sống và sức khỏe con người. Vì vậy, ngày nay con người tập trung nghiên cứu, khai
thác, ứng dụng các nguồn năng lượng thay thế như năng lượng gió, năng lượng hydro,
năng lượng nước, năng lượng địa nhiệt, năng lượng mặt trời và năng lượng sinh khối.
Các nguồn năng lượng này được coi là năng lượng sạch, có thể tái tạo được và chúng
không gây ô nhiễm môi trường. Trong các nguồn năng lượng này, nguồn năng lượng
sinh khối (biomass) đóng vai trò quan trọng để sản xuất nhiên liệu sinh học dần thay
thế cho các nhiên liệu truyền thống.
Hiện nay, trên thế giới nguồn năng lượng sinh khối chiếm khoảng 63 % tổng
số năng lượng tái tạo, chiếm khoảng 10 % tổng các nguồn năng lượng [105]. 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. Ở các nước đang phát
triển năng lượng sinh khối đóng góp khoảng 35 % tổng nhu cầu năng lượng [107]. 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 quan
trọng trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng của thế giới trong tương lai.
Việt Nam là nước đang phát triển chủ yếu dựa vào nền nông nghiệp, nên tiềm
năng về năng lượng từ sinh khối rất đa dạng với trữ lượng khá lớn, khoảng 45 triệu
tấn/năm (tương đương với 15 triệu tấn dầu) [68]. Trong đó, nguồn sinh khối chủ yếu
được tạo ra từ quá trình khai thác lâm nghiệp và sản xuất nông nghiệp như các loại
bột gỗ, bã mía, rơm rạ, trấu [68]. Vì vậy, ở Việt Nam việc nghiên cứu sử dụng nguồn


2
năng lượng từ sinh khối dần thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch đang được các
cơ quan Nhà nước và các nhà khoa học quan tâm.
Nguồn năng lượng từ sinh khối được sử dụng chủ yếu từ quá trình đốt cháy,
khí hóa và nhiệt phân. Trong đó, quá trình đốt cháy có hiệu suất cao nhất, quá trình
khí hóa làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao. Nhược điểm của hai quá trình này là
năng lượng sinh ra được sử dụng tại chỗ, không thể tồn trữ và vận chuyển. Trong khi
đó, ưu điểm của quá trình nhiệt phân là làm việc ở nhiệt độ thấp hơn, sản phẩm của
quá trình nhiệt phân nhanh là chất lỏng được gọi là dầu sinh học (bio-oil) có hiệu quả
thu hồi cao, rất thuận tiện cho vấn đề bảo quản và vận chuyển, được sử dụng nhiều
trong ngành giao thông vận tải, cung cấp nhiệt, sản xuất điện. Nguồn nguyên liệu sử
dụng cho quá trình nhiệt phân sản xuất nhiên liệu sinh học rất đa dạng như bã mía,
gỗ, trấu, rơm, đây là nguồn sinh khối phổ biến ở các nước phát triển nông lâm nghiệp.
Ngoài ra, các sản phẩm phụ của quá trình nhiệt phân nhanh như các loại khí H2, CO,
CO2, CH4, H2, C2H4, C2H2 được tái sử dụng lại một phần để cung cấp nhiệt cho quá
trình nhiệt phân. 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 [14].
Hiện nay, dầu sinh học đang được nghiên cứu nâng cấp để trở thành nguồn

nhiên liệu cho quá trình đốt cháy và dần thay thế một phần nhiên liệu truyền thống
trong nhu cầu phát điện [13]. Ngoài ra, sau khi được tinh chế, nó còn được sử dụng
làm nguyên liệu trong các ngành hóa chất, hóa dược. Vì vậy, việc nghiên cứu quá
trình nhiệt phân nhanh sinh khối thu hồi dầu sinh học sẽ góp phần định hướng việc
sử dụng năng lượng từ sinh khối cũng như hạn chế ô nhiễm do xả thải sinh khối ra
ngoài môi trường.
Với những phân tích trên, việc nghiên cứu góp phần hoàn thiện cơ sở lý thuyết
cũng như nghiên cứu thực nghiệm nhiệt phân nhanh sinh khối ở Việt Nam sản xuất
nhiên liệu sinh học là nhu cấp cấp thiết. Do vậy “Nghiên cứu quá trình nhiệt phân
biomass sản xuất nhiên liệu sinh học” là đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu của luận án là nhằm góp phần hoàn thiện cơ sở lý thuyết quá


3
trình nhiệt phân nhanh, đồng thời nghiên cứu thực nghiệm nhiệt phân nhanh một số loại
sinh khối phổ biến ở Việt Nam trong lò tầng sôi để sản xuất nhiên liệu sinh học, bao
gồm:
- Xây dựng được cơ sở lý thuyết để xác định kích cỡ hạt sinh khối phù hợp
cho quá trình nhiệt phân nhanh và khảo sát ảnh hưởng hệ số trao đổi nhiệt phức hợp
trong lò tầng sôi đến thời gian phản ứng;
- Đánh giá được các yếu tố vận hành ảnh hưởng đến hiệu quả thu hồi dầu sinh
học cũng như phân tích đánh giá tính chất vật lý và thành phần hóa học của dầu sinh
học;
- Xây dựng được phương pháp xác định thông số động học quá trình nhiệt
phân nhanh.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu

- Sinh khối nghiên cứu là bột gỗ từ cây cao su PB260 trồng tại huyện Hiệp
Đức, tỉnh Quảng Nam và bã mía từ giống mía QĐ93-159 trồng tại xã Hòa Sơn, huyện
Hòa Vang, Thành phố Đà Nẵng. Cả hai loại sinh khối này đều có độ ẩm nhỏ hơn
10%.
- Nhiệt phân nhanh sinh khối trong lò tầng sôi.

3.2. Phạm vi nghiên cứu
Hoàn thiện cơ sở lý thuyết về nhiệt phân nhanh sinh khối và nghiên cứu thực
nghiệm trên hệ thống thiết bị nhiệt phân nhanh bột gỗ và bã mía trong lò tầng sôi sản
xuất nhiên liệu sinh học với năng suất 500 g/h.

4. Phương pháp nghiên cứu
Luận án kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết với phương pháp mô
phỏng số và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, cụ thể:
- Nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng số: Sử dụng phương pháp giải tích để giải phương
trình vi phân dẫn nhiệt hạt sinh khối trong môi trường nhiệt phân nhanh trong lò tầng
sôi để xây dựng mô hình toán quá trình nhiệt phân nhanh sinh khối. Đồng thời sử
dụng phần mềm Fluent 14 mô phỏng khí động lực học nhiệt phân nhanh sinh khối


4
trong lò tầng sôi.
- Nghiên cứu thực nghiệm: Sử dụng các kết quả tính toán từ nghiên cứu lý thuyết và
mô phỏng xây dựng được mô hình thực nghiệm hệ thống nhiệt phân nhanh sinh khối
trong lò tầng sôi với năng suất 500 g/h. Trên hệ thống này thực hiện các nghiên cứu
thực nghiệm các yếu tố vận hành chính ảnh hưởng đến hiệu quả thu hồi dầu sinh học.
- Kết hợp kết quả nghiên cứu lý thuyết với kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định
được thông số động học cho quá trình nhiệt phân nhanh trong lò tầng sôi.

5. Nội dung nghiên cứu

Các nội dung nghiên cứu chính trong luận án này là:
 Nghiên cứu tổng quan về nhiệt phân sinh khối sản xuất nhiên liệu sinh học;
 Xây dựng mô hình toán quá trình nhiệt phân nhanh sinh khối;
 Xây dựng mô hình thí nghiệm nhiệt phân nhanh sinh khối trong lò tầng sôi sản
xuất nhiên liệu sinh học;
 Nghiên cứu thực nghiệm nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học
trong lò tầng sôi;
 Nghiên cứu phương pháp xác định thông số động học quá trình nhiệt phân
nhanh. Qua đó xác định được thông số động học quá trình nhiệt phân nhanh bột gỗ
và bã mía trong lò tầng sôi.

6. Những đóng góp mới của luận án
 Đưa ra cơ sở lý thuyết nhằm tính toán được thời gian và kích cỡ hạt sinh khối
phù hợp cho quá trình nhiệt phân nhanh; đồng thời khảo sát được sự phụ thuộc thời
gian phản ứng nhiệt phân nhanh vào hệ số trao đổi nhiệt phức hợp . Kết quả này
góp phần hoàn thiện cơ sở lý thuyết về nhiệt phân nhanh sinh khối, hỗ trợ cho công
việc thiết kế và vận hành để nâng cao hiệu quả dầu sinh học thu hồi.
 Mô phỏng khí động lực học nhiệt phân nhanh sinh khối trong lò tầng sôi, đồng
thời thiết lập các bước thiết kế các thiết bị trong hệ thống nhiệt phân nhanh sinh khối
sản xuất nhiên liệu sinh học. Qua đó, thiết kế chế tạo thành công hệ thống nhiệt phân
nhanh sinh khối trong lò tầng sôi với năng suất 500 g/h.
 Đánh giá các yếu tố vận hành ảnh hưởng đến hiệu quả thu hồi dầu sinh học.
Xác định được thông số vận hành thích hợp để khối lượng dầu sinh học thu hồi đạt


5
giá trị cao nhất. Đồng thời phân tích được tính chất vật lý và thành phần hóa học các
sản phẩm từ quá trình nhiệt phân nhanh bột gỗ và bã mía; đây là cơ sở cho việc tiếp
tục nghiên cứu nâng cấp chất lượng dầu sinh học trở thành nhiên liệu dần thay thế
cho các nhiên liệu truyền thống.

 Đưa ra phương pháp xác định thông số động học khi nhiệt phân nhanh sinh
khối trong lò tầng sôi. Kết quả này tạo cơ sở cho việc xác định tốc độ phản ứng và
điều khiển quá trình nhiệt phân nhanh sinh khối.


6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHIỆT PHÂN NHANH
SINH KHỐI SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC
1.1. Sinh khối và tình hình sử dụng năng lượng sinh khối
1.1.1. Giới thiệu về sinh khối
Sinh khối (biomass) được chia làm 2 loại, đó là sinh khối thực vật (phytomass)
và sinh khối động vật (zoomass). Tổng số lượng sinh khối động vật và sinh khối thực
vật được ước tính là khoảng 560 tỷ tấn carbon [68]. Sinh khối thực vật là kết quả từ
quá trình quang hợp của thực vật nhờ vào ánh sáng mặt trời, một phần của ánh sáng
sẽ chuyển đổi thành năng lượng hóa học trong thực vật giúp liên kết các nguyên tử
thành phân tử carbonhydrate. Sinh khối động vật là những loài động vật ăn thực vật
giúp chuyển hóa sinh khối thực vật thành sinh khối của chính nó, còn những loài động
vật ăn động vật thì chuyển đổi sinh khối của con mồi thành sinh khối của chính nó.
Sinh khối sử dụng sản xuất dầu sinh học là sinh khối thực vật, bao gồm: gỗ, cỏ
và các loại cây trồng nông nghiệp, được xác định như là một nguồn năng lượng tái
tạo. Thành phần hóa học chính của sinh khối bao gồm cellulose, hemicellulose và
lignin. Tỷ lệ phần trăm các thành phần này của một số sinh khối được liệt kê trong
bảng 1.1. Các thành phần nguyên tố chủ yếu của sinh khối là hydro, carbon, oxy;
trong khi đó các nguyên tố lưu huỳnh và nitơ có thể có mặt với số lượng rất ít.
Bảng 1.1: Thành phần hóa học của một số sinh khối [63]
Loại sinh khối

Lignin (%)

Cellulose (%)

Hemicellulose (%)

Gỗ

25-30

35-50

20-30

Rơm

15-20

33-40

20-25

Cỏ

5-20

30-50

10-40

Bã mía

23-32

19-24

32-48

Lõi ngô

15

50,5

31

Trấu

18

32,1

24


7

1.1.2. Tổng quan tình hình sử dụng năng lượng sinh khối
1.1.2.1. Tình hình sử dụng năng lượng sinh khối trên thế giới
Hiện nay, nhiên liệu sinh khối chiếm khoảng 10 % các nguồn cung cấp năng
lượng toàn cầu, trong đó hai phần ba được sử dụng ở các nước đang phát triển để nấu
ăn và sưởi ấm [105]. Việc sử dụng nguồn nhiên liệu sinh khối phục vụ đời sống, giao

thông, công nghiệp và sản xuất điện năng được tóm tắt trên hình 1.1.
Trích ly

Chất rắn
Nhiệt phân

Hóa học
Nâng cấp
Diesel

Sinh
khối

Hóa lỏng

Dầu sinh
học

Tuốc bin
Methanol

Hóa khí

Chất khí

Tổng hợp
Động cơ

Đốt cháy
Nhiệt

Lò hơi

Điện năng
Amoniac

Hình 1.1: Các ứng dụng năng lượng từ sinh khối [15]
Trong các quá trình biến đổi năng lượng từ sinh khối, quá trình đốt cháy và
hóa khí có hiệu suất cao hơn quá trình nhiệt phân. Tuy nhiên, cả hai quá trình này đều
có nhược điểm là sản phẩm nhiệt năng hoặc điện năng tạo ra chỉ thực hiện được tại
địa điểm có nguồn sinh khối. Ngược lại, quá trình nhiệt phân cho sản phẩm là dầu
sinh học nên có thể dễ dàng vận chuyển đến nơi cần sử dụng nguồn năng lượng này.
Dầu sinh học có nhiều ưu điểm nổi trội, nó có khối lượng riêng từ 1.100 đến
1.200 kg/m3, gấp từ 6 đến 7 lần khối lượng riêng sinh khối. Do đó, chi phí vận chuyển
của dầu sinh học giảm từ 83 đến 85 % so với sinh khối thô. Hơn nữa, dầu sinh học
sau khi sản xuất từ sinh khối nếu được xử lý (giảm hàm lượng nước và oxy) thì sẽ có
tính chất vật lý và hóa học tương tự như dầu diesel nên có thể được sử dụng như là
nhiên liệu cho lò hơi, động cơ diesel và tuốc bin khí [14], các ứng dụng của dầu sinh
học được thể hiện trên hình 1.2.


Nhiệt năng

8

Nhiệt năng

Nhiệt phân

Khí

Tuốc bin
Động cơ

Điện năng

Dầu sinh học
Đốt hỗn hợp
Rắn

Nhiệt năng

Lò hơi
Ứng dụng

Hình 1.2: Ứng dụng dầu sinh học [13], [18]
Với các ứng dụng đa dạng của dầu sinh học, ngày nay các nhà khoa học trên
thế giới đang tập trung nghiên cứu để hoàn thiện cơ sở lý thuyết và nghiên cứu thực
nghiệm quá trình nhiệt phân sinh khối sản xuất dầu sinh học.

1.1.2.2. Tình hình sử dụng năng lượng sinh khối ở Việt Nam
Việt Nam thuộc vùng nhiệt đới gió mùa nên tiềm năng sinh khối thực vật được
đánh giá rất đa dạng và phong phú. Nguồn sinh khối chủ yếu từ các loại gỗ và phụ
phẩm cây trồng (bã mía, trấu, rơm rạ …). Theo thống kê của Viện Năng lượng Việt
Nam, lượng sinh khối từ gỗ chiếm khoảng 25 triệu tấn / năm tương đương với 8,8
triệu tấn dầu thô. Sinh khối từ phụ phẩm nông nghiệp như bã mía, rơm rạ, trấu lên
đến 53,5 triệu tấn / năm tương đương với 12,8 triệu tấn dầu thô [68].
Tuy nhiên, hiện nay ở Việt Nam việc sử dụng nguồn năng lượng từ sinh khối
còn qui mô nhỏ lẻ, chủ yếu sử dụng sinh khối làm chất đốt, làm nhiên liệu đốt trong
lò hơi và sản xuất điện cục bộ. Trong khi đó, việc tạo ra nguồn dầu sinh học từ sinh

khối chỉ mới dừng lại việc nghiên cứu ban đầu và chưa làm chủ được công nghệ này.
Có thể nói rằng, việc nắm bắt xu hướng của thế giới sẽ giúp Việt Nam chúng
ta từng bước làm chủ các công nghệ tiên tiến. Trong bối cảnh các nhà khoa học cũng
như các công ty đang từng bước chuyển từ các nguồn nhiên liệu hóa thạch sang sử
dụng các nguồn năng lượng tái tạo trong đó có năng lượng sinh khối, thì hướng nghiên
cứu sản xuất dầu sinh học từ phế phẩm nông và lâm nghiệp là một hướng đi đúng đắn


9
cho Việt Nam. Ở Việt Nam chúng ta hiện nay, sản xuất dầu sinh học từ sinh khối
đang còn là một chủ đề mới mẻ, nhiều doanh nghiệp đang muốn tiếp cận và làm chủ
các công nghệ về sản xuất dầu sinh học từ sinh khối.

1.1.3. Sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối
1.1.3.1. Các nguồn sinh khối sản xuất nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học được tạo ra từ nhiều nguồn nguyên liệu sinh khối khác
nhau và được phân thành 3 thế hệ [7]:
- Thế hệ thứ nhất (1st generation): Nhiên liệu sinh học được tạo ra từ các loại
cây lương thực, thực phẩm như mía, sắn, củ cải v.v…. Tuy nhiên, các sinh khối này
là cây lương thực nên ảnh hưởng đến vấn đề an ninh lương thực.
- Thế hế thứ hai (2st generation): Nhiên liệu sinh học được tạo ra từ các sinh
khối là các phế phụ phẩm trong quá trình sản xuất nông nghiệp, công nghiệp và khai
thác lâm nghiệp. Nguồn sinh khối này có ưu điểm là giải quyết được vấn đề an ninh
lương thực đồng thời thân thiện hơn với môi trường do tận dụng được phế phẩm từ
nông nghiệp.
- Thế hệ thứ ba (3st generation): Nhiên liệu sinh học tạo ra từ các loại tảo (nước
ngọt và nước biển), cây dầu mè, cỏ switch, cây halophyte. Các sinh khối này ngoài
ưu điểm là không ảnh hưởng đến an ninh lương thực, nó còn có ưu điểm là hiệu quả
thu hồi dầu cao, vòng tuần hoàn năng lượng ngắn. Tuy nhiên, đây mới chỉ là định
hướng nghiên cứu trong tương lai, hiện nay các kết quả nghiên cứu mới dừng lại ở

giai đoạn thăm dò ban đầu.
Trên cơ sở phân tích và đánh giá tiềm năng sinh khối ở Việt Nam, tác giả nhận
thấy rằng, phát triển và xây dựng các công nghệ sản xuất dầu sinh học từ các phế
phẩm nông nghiệp và lâm nghiệp (thế hệ thứ hai) là hướng đi phù hợp trong điều kiện
Việt Nam chúng ta.

1.1.3.2. Các phương pháp sản xuất dầu sinh học từ sinh khối
Nhiên liệu sinh học sản xuất từ sinh khối theo thế hệ thứ hai được thực hiện
bằng 3 phương pháp chính [36], [37]:
- Phương pháp thủy phân sinh học: là quá trình sinh khối tạo đường tan và
tách lignin, sau đó thông qua quá trình lên men dùng xúc tác enzim chuyển hóa thành


10
cồn sinh học, diesel sinh học và xăng sinh học. Phương pháp này có nhược điểm là
giá thành sản phẩm rất cao vì nó đòi hỏi phải tạo những giống chủng enzym phù hợp
để chuyển hóa đường C6 thành etanol, đường C5 thành butanol và diesel sinh học.
Việc tạo ra những chủng giống enzyme này thường rất khó khăn và phức tạp, nên
việc thương mại hóa công nghệ này là rất khó [37].
- Phương pháp khí hóa sinh khối: là quá trình oxy hóa không hoàn toàn ở nhiệt
độ cao (600  900 C), sản phẩm chủ yếu là khí tổng hợp có thành phần chính là hỗn
hợp khí CO và H2 và qua tổng hợp Fischer-Tropsch tạo nhiên liệu ankan: xăng và
diesel. Tuy nhiên, hàm lượng H2 trong hỗn hợp sản phẩm khí rất thấp nên để thực
hiện tổng hợp Fischer-Tropsch cần phải bổ sung thêm hàm lượng hydrô [49], dẫn đến
tăng giá thành sản phẩm. Ngoài ra, phương pháp khí hóa thường có thiết bị phức tạp,
làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao [59], [75] nên khó khăn cho người người vận
hành và lựa chọn thiết bị.
- Phương pháp nhiệt phân: là quá trình phân hủy sinh khối trong điều kiện
không có ôxy. Hỗn hợp khí hữu cơ tạo thành từ quá trình nhiệt phân được ngưng tụ
thành dầu sinh học và bằng công nghệ hydrodeoxy hóa tạo thành nhiên liệu lỏng sử

dụng được trong giao thông và công nghiệp. Không giống với phương pháp khí hóa,
phương pháp nhiệt phân làm việc trong khoảng nhiệt độ thấp ( 550 C), sản phẩm
quá trình nhiệt phân là dầu sinh học dễ dàng lưu trữ và vận chuyển. Đến nay, công
nghệ xử lý và nâng cấp chất lượng dầu để sử dụng được trong giao thông vận tải,
công nghiệp đã được nghiên cứu thành công.
Như vậy, trong ba phương pháp trên, phương pháp nhiệt phân là phương pháp
có những ưu điểm nổi trội để sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối.

1.1.3.3. Tình hình nghiên cứu sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối ở Việt Nam
Nghiên cứu quá trình nhiệt phân sinh khối sản xuất nhiên liệu sinh học ở Việt
Nam là lĩnh vực còn mới mẻ. Đến nay mới có vài đề tài nghiên cứu về lĩnh vực này.
Năm 2009, PGS.TS Đặng Tuyết Phương và các cộng sự ở Viện Hóa học Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã nghiên cứu tạo nhiên liệu lỏng và khí từ
nguồn nguyên liệu rơm rạ bằng phương pháp nhiệt phân chậm có xúc tác và hiệu suất
thu hồi dầu sinh học đạt 25,5 % [36]. Ngoài ra, cũng tại Viện này, năm 2015 TS Phạm


11
Thu Giang đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu tổng hợp hệ xúc tác hiệu quả cho quá
trình sản xuất nhiên liệu sinh học từ rơm rạ”. Kết quả nghiên cứu đã chế tạo được
chất xúc tác sử dụng cho quá trình nhiệt phân rơm rạ tạo ra dầu sinh học với hiệu suất
đạt 42,55 %, đồng thời tác giả đã tổng hợp hệ xúc tác Ni-Cu trên chất mang (SiO,
SBA-15) sử dụng cho quá trình hydrodeoxy hóa (HDO) nhằm nâng cấp dầu sinh học.
Năm 2014, TS Phan Minh Quốc Bình cùng các cộng sự tại Trung tâm Nghiên
cứu và phát triển chế biến dầu khí – Viện Dầu khí Việt Nam (PV Pro) đã nghiên cứu
về khả năng tạo nhiên liệu sinh học từ các nguồn sinh khối ở Việt Nam bằng công
nghệ nhiệt phân nhanh [9]. Kết quả nghiên cứu bước đầu giới thiệu một số thông số
vận hành ảnh hưởng đến hiệu quả thu hồi dầu sinh học và thành phần hóa học trong
dầu sinh học từ một vài loại sinh khối ở Việt Nam khi nhiệt phân trong lò tầng sôi.
Các nghiên cứu này được thực hiện trên thiết bị nhập ngoại. Ngoài ra, tác giả đã
nghiên cứu quá trình HDO nhằm nâng cấp dầu sinh học tạo ra từ quá trình nhiệt phân

rơm trên cơ sở xúc tác molipden bổ sung thêm các kim loại Ni, Pt trên chất mang
SBA-15 ở điều kiện nhiệt độ 300 C, áp suất 120 at trong 1 giờ và loại được 55 %
oxy trong dầu sinh học.
Như vậy, hiện nay ở Việt Nam bước đầu đã nghiên cứu thành công các chất
xúc tác hỗ trợ trong quá trình nâng cấp dầu sinh học tạo ra từ quá trình nhiệt phân.
Kết quả cho thấy triển vọng ứng dụng dầu sinh học để dần thay thế nhiên liệu truyền
thống. Tuy nhiên, hiện tại ở Việt Nam vẫn chưa làm chủ công nghệ nhiệt phân nhanh
sản xuất dầu sinh học từ sinh khối, có rất ít nghiên cứu cũng như tài liệu đề cập đến
quá trình nhiệt phân nhanh, đây là một giai đoạn quan trọng để chuyển sinh khối thành
dầu sinh học và được nâng cấp để sử dụng trong lò hơi, giao thông vận tải, tuốc bin
khí. Chính vì thế, trong đề tài này tác giả sẽ nghiên cứu quá trình nhiệt phân nhanh để
sản xuất dầu sinh học từ sinh khối.

1.2. Tổng quan về nhiệt phân sinh khối
1.2.1. Khái niệm
Nhiệt phân sinh khối là quá trình phân hủy sinh khối dưới tác động nhiệt trong
môi trường không có ôxy. Sản phẩm của quá trình nhiệt phân là khí không ngưng,
chất rắn và dầu sinh học. Tỷ lệ các loại sản phẩm phụ thuộc vào nhiều yếu tố vận


12
hành như: tốc độ gia nhiệt, nhiệt độ lò phản ứng, thời gian lưu sản phẩm phản ứng,
thành phần hóa học của sinh khối.

1.2.2. Phân loại quá trình nhiệt phân sinh khối
Tùy thuộc vào tốc độ gia nhiệt mà quá trình nhiệt phân được phân ra thành các
loại nhiệt phân chậm, nhiệt phân trung bình và nhiệt phân nhanh [1], [14].

1.2.2.1. Nhiệt phân chậm
Quá trình nhiệt phân chậm đã được sử dụng hàng trăm năm để sản xuất than.

Gần đây, phương pháp này chủ yếu được sử dụng để sản xuất methanol và hắc ín.
Các đặc trưng chính của quá trình nhiệt phân chậm là:
- Tốc độ gia nhiệt thấp: 0  2 ºC/phút;
- Tốc độ phát ra các chất dễ bay hơi từ các hạt sinh khối thấp;
- Thời gian lưu sản phẩm quá trình nhiệt phân rất lâu, từ vài phút tới vài ngày;
- Nhiệt độ phản ứng: 200  400 ºC.

1.2.2.2. Nhiệt phân trung bình
Nhiệt phân trung bình được sử dụng chủ yếu để sản xuất nhiên liệu sinh học
dạng lỏng. Các sản phẩm của quá trình bao gồm: khoảng 50 % chất lỏng, 25 % chất
rắn và 25 % chất khí. Trong thành phần sản phẩm chất lỏng, chất lỏng hữu cơ chiếm
khoảng 50 %, phần còn lại là nước. Các đặc trưng chính của quá trình nhiệt phân
trung bình là:
- Tốc độ gia nhiệt: 10  50 C/s;
- Nhiệt độ phản ứng: 400  500 ºC;
- Thời gian lưu sản phẩm quá trình nhiệt phân trung bình, từ 10 đến 30 s.

1.2.2.3. Nhiệt phân nhanh
Nhiệt phân nhanh được sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học dạng lỏng,
khối lượng sản phẩm chất lỏng tạo ra chiếm đến 70 % [1]. Các yếu tố chính ảnh hưởng
đến quá trình nhiệt phân nhanh là:
- Tốc độ gia nhiệt cao: 10  1.000 C/s;
- Nhiệt độ phản ứng: 400  600 oC;
- Thời gian lưu sản phẩm trong lò phản ứng: nhỏ hơn 2 s;