Nghiên cứu đặc tính nhiệt phân của gỗ keo và quá trình khí hóa tạo khí nhiên liệu

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .........................................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................. ii
MỤC LỤC ................................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.................................................................. v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................................... viii
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................................... 4
1.1. Các công nghệ nhiệt hóa học mới để chuyển hóa sinh khối thành nhiên liệu .................. 4
1.2. Công nghệ khí hóa sinh khối để sản xuất khí nhiên liệu .................................................. 5
1.2.1. Các công nghệ khí hóa sinh khối .............................................................................. 5
1.2.2. Quá trình khí hóa trong TBKH thuận chiều lớp cố định .......................................... 7
1.2.3. Nâng cao chất lượng khí ......................................................................................... 10
1.3. Lựa chọn nguyên liệu gỗ cho quá trình khí hóa sản xuất khí nhiên liệu ........................ 12
1.3.1. Tiềm năng gỗ keo ở Việt Nam có thể sử dụng để sản xuất khí nhiên liệu ............. 12
1.3.2. Thành phần hóa học của sinh khối gỗ .................................................................... 13
1.4. Tình hình nghiên cứu chuyển hóa sinh khối thành nhiên liệu ngoài nước và trong nước
liên quan đến đề tài ................................................................................................................ 16
1.4.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước liên quan đến đề tài .......................................... 16
1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước liên quan đến đề tài .......................................... 19
Kết luận từ tổng quan và Định hướng nghiên cứu của luận án ............................................. 21
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM............................................................................................ 22
2.1 Phương pháp phân tích thành phần kỹ thuật, thành phần hóa học, nhiệt trị của gỗ keo và
thành phần oxit kim loại trong tro ......................................................................................... 22
2.2 Phương pháp nghiên cứu đặc tính nhiệt phân của gỗ keo ............................................... 24
2.2.1 Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) và tính toán năng lượng hoạt hóa
của quá trình nhiệt phân.................................................................................................... 24
2.2.2 Nghiên cứu, phân tích và đánh giá sản phẩm của quá trình nhiệt phân gỗ keo bằng
thiết bị lớp cố định ............................................................................................................ 26
2.3 Phương pháp nghiên cứu khí hóa sinh khối .................................................................... 32

2.3.1. Sơ đồ và nguyên lý hoạt động ................................................................................ 32
2.3.2. Hệ thống xác định hàm lượng hắc ín trong khí sản phẩm ...................................... 34
2.3.3. Đánh giá kết quả quá trình khí hóa ......................................................................... 35
2.4 Phương pháp nâng cấp chất lượng khí nhiên liệu............................................................ 39
2.4.1. Phương pháp bổ sung thêm oxy vào tác nhân khí hóa ........................................... 39
2.4.2. Phương pháp reforming hơi nước chuyển hóa toluen ............................................ 40

iii


CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................................... 43
3.1. Đặc tính nhiệt phân của gỗ keo ...................................................................................... 43
3.1.1. Thành phần kỹ thuật, thành phần hóa học, thành phần oxit kim loại trong tro của gỗ
keo 43
3.1.2. Hình thái bề mặt, các liên kết, nhóm chức chính của gỗ keo ................................. 47
3.1.3. Nghiên cứu đánh giá đặc tính nhiệt phân của gỗ keo ............................................. 50
3.2. Nghiên cứu khí hóa gỗ trong thiết bị khí hóa thuận chiều ............................................. 63
3.2.1. Kết quả khí hóa gỗ keo với ER 0,3 (SVa 0,14)....................................................... 63
3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng tốc độ khí cấp qua vùng thắt của TBKH ............................... 67
3.2.3. Ảnh hưởng tỷ lệ mol nước và mol cacbon (S/C) đến quá trình khí hóa tạo khí nhiên
liệu 72
3.2.4. Nhiệt độ và thành phần khí trong vùng cháy và vùng khí hoá của TBKH ............. 78
3.3. Nghiên cứu nâng cao chất lượng sản phẩm khí trong khí hóa gỗ keo ............................ 83
3.3.1. Phương pháp bổ sung thêm oxy vào vùng oxy hóa (làm giàu oxy trong không khí
cấp) 83
3.3.2. Xử lý thành phần chính của hắc ín (toluen) bằng phương pháp xúc tác reforming
hơi nước ............................................................................................................................ 87
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ..................................................................................................... 99
NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN ........................................................................ 101
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................................... 102

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................... 103
PHỤ LỤC ................................................................................................................................ 112

iv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Danh mục các ký hiệu
Ký hiệu

Đại lượng

Thứ nguyên

Ash

Hàm lượng tro của sinh khối

%

Ea

Năng lượng hoạt hóa

kJ/mol

ER

Tỷ lệ không khí tương đương

(m3/kg)/(m3/kg)

FA

Tiết diện của vùng thắt của thiết bị khí hóa

m2

FC

Hàm lượng cacbon cố định của sinh khối

%

H/C

Tỷ lệ phần trăm khối lượng của hydro và cacbon
kg/kg
trong mẫu

HHV

Nhiệt trị cao của sinh khối

O/C

Tỷ lệ phần trăm khối lượng của oxy và cacbon trong
kg/kg
mẫu

RA

Lượng không khí thực tế trên 1 kg nhiên liệu

m3/kg

RB

Lượng không khí lý thuyết trên 1 kg nhiên liệu

m3/kg

S/C

Tỷ lệ mol nước và cacbon trong nguyên liệu

mol/mol

SVa

Vận tốc bề mặt của khí cấp qua vùng vùng thắt

m/s

V

Hàm lượng chất bốc của sinh khối

%

W

Phần trăm khối lượng ẩm trong sinh khối

%

MJ/kg

Danh mục chữ viết tắt
Ký hiệu viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

AW

Acacia wood

Gỗ keo

EW

Eucalyptus wood

Gỗ bạch đàn

RW

Rubber wood

Gỗ cao su

B2C

Biomass to Chemicals

Chuyển hoá sinh khối thành hoá chất

B2F

Biomass to Fuel

Chuyển hoá sinh khối thành nhiên
liệu

Char

Char, biochar

Sản phẩm rắn sau nhiệt phân hay khí
hóa

Tar

Tar

Hắc ín, hydrocacbon cao phân tử,
hydrocacbon đa vòng

ER

Equivalence ratio

Tỷ lệ không khí tương đương

IC-Gen

Internal combustion generation

Động cơ đốt trong

IGCC

Integrated gasification combined Hệ thống dùng chu trình tích hợp khí
cycle
hóa kết hợp

v


Pin nhiên liệu muối cacbonat nóng
chảy

MCFC

Molten carbonated fuel cell

PEMFC

Polymer electrolyte membrane Pin nhiên liệu màng điện phân
fuel cell
polymer

TBKH

Gasifier

Thiết bị khí hóa

GC

Gas chromatography

Phân tích sắc ký khí

GC-MS

Gas chromatography – mass
Phân tích sắc ký khí khối phổ
spectroscope

XRD

X-ray diffraction

ICP-MS

Phương pháp Quang phổ nguồn
Inductively coupled plasma mass

plasma cảm ứng cao tần kết nối khối
spectrometry
phổ

SEM

Scanning electron microscope

Phương pháp hiển vi điện tử truyền
qua

TGA

Thermogravimetric analysis

Phân tích nhiệt trọng lượng

TPR-H2

Temperature programe reduction

Phương pháp khử H2 theo chương
trình nhiệt độ

FT-IR

Fourier
transform
spectroscopy

WGS

Water gas shift

FWO

Flynn-Wall-Ozawa

KAS

Kissiger-Akahira-Sunnose

Phương pháp nhiễu xạ tia X

infrared Phương pháp phổ hồng ngoại chuyển
đổi Fourier
Phản ứng chuyển hoá khí nước

Xúc tác chứa 15% niken trên chất
mang char

15NiChK

vi


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng
Bảng
Bảng

Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng

1.1 Các công nghệ nhiệt hóa học chuyển hóa sinh khối ................................................... 4
1.2 Tiềm năng sản xuất điện từ gỗ keo ở Việt Nam........................................................ 13
2.1 Các phương pháp sử dụng để tính toán năng lượng hoạt hóa [89] ........................... 25
2.2 Ký hiệu và thông số thí nghiệm khí hóa dăm gỗ keo ................................................ 34
2.3 Ký hiệu và thông số thí nghiệm khí hóa khi thêm oxy vào tác nhân khí hóa ........... 40
3.1 Thành phần kỹ thuật và thành phần nguyên tố của gỗ keo ....................................... 44
3.2 Thành phần oxit trong tro của gỗ .............................................................................. 46
3.3 Thành phần hydrocacbon lỏng trong quá trình nhiệt phân ...................................... 56
3.4 Kết quả Ea và R2 của nhiệt phân gỗ keo theo phương pháp FOW, KAS ................. 62

Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng

3.5 Thông số đặc trưng trong khí hóa trong thí nghiệm Dk1 .......................................... 65
3.6. Hằng số C của thành phần khí [71] .......................................................................... 66

3.7. Giá trị Cp của thành phần khí ở các nhiệt độ khác nhau .......................................... 67
3.8 Biến thiên dòng năng lượng trong TBKH với ER 0,30 trong quá trình phản ứng.. 67
3.9 Thông số đặc trưng trong khí hóa với SVa khác nhau .............................................. 71
3.10 Chuyển hóa năng lượng trong TBKH trong nghiên cứu ảnh hưởng của SVa ......... 71
3.11 Thông số đặc trưng trong khí hóa trong thí nghiệm với S/C từ 0,11 đến 0,46 ....... 77
3.12 Chuyển hóa năng lượng trong TBKH trong nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ S/C . 77
3.13 Các phản ứng xảy ra trong vùng cháy ..................................................................... 80
3.14 Nhiệt độ trong thiết bị khí hóa theo nồng độ oxy trong khí cấp ............................. 84

Bảng 3.15. Diện tích bề mặt, đường kính mao quản, thể tích mao quản của chất mang char và
xúc tác 15NiChK ....................................................................................................................... 90

vii


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

1.1 Thiết bị khí hóa: (a) thuận chiều, (b) ngược chiều, (c) dòng cắt nhau ........................ 6
1.2 Lưu trình của quá trình khí hóa[17]............................................................................. 7
1.3 Nguyên lý của quá trình nhiệt phân sinh khối [64] ..................................................... 8

1.4 Tập kết dăm gỗ keo phục vụ xuất khẩu ..................................................................... 13
1.5 Các thành phần hóa học cấu tạo nên gỗ [3] ............................................................... 14
1.6 Cấu tạo hóa học của gỗ [33] ...................................................................................... 15
1.7 Thành phần và cấu tạo của thành phần trong gỗ [86] ................................................ 15
2.1 Đồ thị quan hệ giữa ln(β) – 1000/T (FWO) [39] ....................................................... 26
2.2 Đồ thị quan hệ giữa ln(β/T2) – 1000/T (KAS) [39] ................................................... 26
2.3 Sơ đồ phản ứng nhiệt phân gỗ keo ............................................................................ 28

Hình 2.4 Thiết bị phân tích thành phần khí sản phẩm .............................................................. 29
Hình 2.5 Sơ đồ phản ứng đánh giá khả năng phản ứng của char với hơi nước ........................ 32
Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý tổng thể hệ thống khí hóa sinh khối ............................................... 33
Hình 2.7 Sơ đồ hệ thống thiết bị xác định hàm lượng hắc ín [6] ............................................. 35
Hình 2.8 Sơ đồ phản ứng chuyển hóa toluen............................................................................ 42
Hình 3.1 Thành phần kỹ thuật và nhiệt trị của sinh khối ......................................................... 45
Hình 3.2 Sơ đồ van Krevelen sinh khối.................................................................................... 45
Hình 3.3 Ảnh SEM của mẫu gỗ keo độ phóng đại x1000 ........................................................ 47
Hình 3.4 Phổ FT-IR của gỗ keo, xenlulôzơ và lignin từ dăm gỗ keo trong khoảng số sóng (a)
4000-2500 cm-1; (b) 2000-500 cm-1........................................................................................... 48
Hình 3.5 Cấu trúc của (a) hemixenlulôzơ [25]; (b) xenlulôzơ [17]; (c) Một vài đơn vị cấu trúc
của lignin [17]............................................................................................................................ 50
Hình 3.6 Nhiệt phân gỗ keo, xenlulôzơ và lignin tại tốc độ gia nhiệt 10oC/min...................... 51
Hình 3.7 Tỷ lệ sản phẩm rắn, lỏng, khí thu được của quá trình nhiệt phân gỗ keo .................. 52
Hình 3.8 Thành phần khí nhiệt phân gỗ keo theo nhiệt độ....................................................... 53
Hình 3.9 Phổ FT-IR của sản phẩm lỏng từ nhiệt phân gỗ keo ................................................. 54
Hình 3.10 Kết quả GC của sản phẩm lỏng của quá trình nhiệt phân........................................ 55
Hình 3.11 Các xu hướng tạo thành furfural khi nhiệt phân xenlulôzơ [63] ............................. 56
Hình 3.12 Các đơn vị cơ sở của hemixenlulôzơ ....................................................................... 57
Hình 3.13 Các xu hướng tạo thành furfural và ancol khi nhiệt phân hemixenlulôzơ [104] ..... 57
Hình 3.14 Các đơn vị cơ sở của lignin [80].............................................................................. 58
Hình 3.15 Quá trình phân hủy (β-O-4) của lignin để tạo thành các nhóm chức [80] ............... 58

Hình 3.16 Phổ FT-IR của sản phẩm rắn từ nhiệt phân gỗ keo ................................................. 58
Hình 3.17 So sánh thành phần khí của quá trình nhiệt phân sâu char và phản ứng khí hóa char
với hơi nước tại 750oC ............................................................................................................... 59
Hình 3.18 So sánh độ chuyển hóa cacbon của quá trình nhiệt phân char và khí hóa char ....... 60

viii


Hình 3.19 Đồ thị quan hệ giữa ln(β) – 1000/T (FWO)............................................................. 61
Hình 3.20 Đồ thị quan hệ giữa ln(β/T2) – 1000/T (KAS)......................................................... 61
Hình 3.21 Sự biến đổi của năng lượng hoạt hóa phân hủy gỗ keo theo độ chuyển hóa ........... 62
Hình 3.22 Phân bố nhiệt độ trong TBKH theo chiều cao và thời gian phản ứng, ER 0,30 ...... 64
Hình 3.23 Đồ thị thành phần khí sản phẩm theo thời gian phản ứng, ER 0,30 ........................ 65
Hình 3.24 Phân bố nhiệt độ trong TBKH theo chiều cao và thời gian phản ứng SVa 0,19 ..... 68
Hình 3.25 Đồ thị thành phần khí sản phẩm theo thời gian phản ứng SVa 0,19 ........................ 68
Hình 3.26 Phân bố nhiệt độ trong TBKH theo chiều cao và thời gian phản ứng SVa 0,24 ..... 69
Hình 3.27 Đồ thị thành phần khí sản phẩm theo thời gian phản ứng SVa 0,24 ........................ 69
Hình 3.28 Giản đồ nhiệt độ dọc theo chiều thiết bị khí hóa của thí nghiệm SVa khác nhau..... 70
Hình 3.29 Đồ thị quan hệ giữa thành phần khí trung bình và SVa ............................................ 70
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

3.30 Phân bố nhiệt độ trong TBKH theo chiều cao và thời gian phản ứng S/C 0,11 ...... 72
3.31 Đồ thị thành phần khí sản phẩm theo thời gian phản ứng S/C 0,11 ........................ 73
3.32 Phân bố nhiệt độ trong TBKH theo chiều cao và thời gian phản ứng S/C 0,20 ...... 73
3.33 Đồ thị thành phần khí sản phẩm theo thời gian phản ứng S/C 0,20 ........................ 73
3.34 Phân bố nhiệt độ trong TBKH theo chiều cao và thời gian phản ứng S/C 0,35 ...... 74
3.35 Đồ thị thành phần khí sản phẩm theo thời gian phản ứng S/C 0,35 ........................ 74
3.36 Phân bố nhiệt độ trong TBKH theo chiều cao và thời gian phản ứng S/C 0,46 ...... 74
3.37 Đồ thị thành phần khí sản phẩm theo thời gian phản ứng S/C 0,46 ........................ 75
3.38 Ảnh hưởng của tỷ lệ S/C trong TBKH đến giản đồ nhiệt độ .................................. 75
3.39 Đồ thị quan hệ giữa thành phần khí trung bình và tỷ lệ S/C ................................... 76

Hình 3.40 Tỷ lệ thể tích khí H2, CH4, CO, CO2 và O2 tại vùng nhiệt phân của tbkh (SVa 0,17
và S/C 0,23) ............................................................................................................................... 78
Hình 3.41 Biến thiên lưu lượng mol khí sản phẩm dọc thân TBKH (SVa 0,17 và S/C 0,23) .. 79
Hình 3.42 Dòng vật chất xảy ra trong thiết bị khí hóa sinh khối ............................................. 82
Hình 3.43 Giản đồ phân bố nhiệt độ trong thiết bị khí hóa khi nồng độ thể tích oxy thay đổi 84
Hình 3.44 Đồ thị so sánh thành phần khí trung bình ................................................................. 85
Hình 3.45 So sánh hàm lượng hắc ín và hiệu suất khí hóa lạnh ................................................ 87
Hình 3.46 Phổ hồng ngoại của hắc ín thu được sau quá trình khí hóa dăm gỗ keo ................. 88
Hình 3.47 So sánh TG của hắc ín trong môi trường không khí và nitơ với 10 oC/phút ........... 89
Hình 3.48. Giản đồ tín hiệu TPR-H2 của 15NiChK ................................................................. 90
Hình 3.49 Giản đồ XRD của chất mang (ChK), xúc tác (15NiChK) ....................................... 91
Hình 3.50 Thành phần khí từ quá trình reforming toluen (600oC) ........................................... 92
Hình 3.51 Thành phần khí từ quá trình reforming hơi nước toluen (700oC) ........................... 93
Hình 3.52 Đồ thị tính lượng H2 sinh ra trong quá trình reforming C7H8 ................................. 93
Hình 3.53 Đồ thị biểu diễn lượng khí theo nhiệt độ ................................................................. 94
Hình 3.54 Thành phần khí từ quá trình reforming toluen của xúc tác 5NiChK (700oC) ......... 95
Hình 3.55 Thành phần khí từ quá trình reforming toluen của xúc tác 10NiChK (700oC) ....... 95
ix

Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

3.56 Đồ thị biểu diễn lượng khí theo nhiệt độ ................................................................. 96
3.57. Sơ đồ ngưng tụ cacbon từ CO với tâm kim loại ..................................................... 96
3.58 Sơ đồ hình thành cốc từ toluene .............................................................................. 96
3.59 Ảnh SEM của xúc tác 15NiChK (a) trước phản ứng;(b)sau phản ứng.................... 97
3.60 Giản đồ XRD xúc tác sau phản ứng (15NiChK spu) .............................................. 97

x


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Nhiên liệu hóa thạch có vai trò hết sức quan trọng trong nền kinh tế của các quốc gia
trên toàn thế giới. Năng lượng, nhiên liệu được sản xuất chủ yếu từ nguồn nhiên liệu hoá
thạch. Nhu cầu về năng lượng, nhiên liệu ngày càng tăng nhanh, bên cạnh đó sử dụng nhiên
liệu hóa thạch để sản xuất năng lượng phát thải khí NOx, SOx, CO2 gây hiệu ứng nhà kính gây
ra tác động đến môi trường và biến đổi khí hậu toàn cầu. Do đó, nghiên cứu tìm ra nguồn
nguyên liệu, nhiên liệu mới có khả năng tái tạo và bổ sung thêm vào nguồn nhiên liệu để sản
xuất năng lượng là vấn đề quan trọng trên toàn thế giới.
Việt Nam là đất nước có khí hậu nhiệt đới gió mùa, lượng mưa hàng năm lớn nên nguồn
sinh khối rất phong phú và dồi dào. Theo số liệu thống kê có khoảng hơn 100 triệu tấn sinh
khối gỗ, phụ phẩm gỗ từ ngành chế biến lâm nghiệp và từ phụ phẩm nông nghiệp, chủ yếu là
trấu, bã mía, ngô…. Với công nghệ hiện nay, chuyển hóa phụ phẩm nông lâm nghiệp tạo ra
năng lượng nhiệt, điện theo phương pháp truyền thống như đốt cháy để sản xuất điện. Các

công nghệ mới như khí hóa sinh khối để sản xuất điện theo công nghệ IGCC, hoặc sử dụng
nhiên liệu khí cho động cơ, cho tuabin khí hoặc sử dụng cho pin nhiên liệu…đang được
nghiên cứu phát triển. Khí hóa sinh khối không những là phương pháp có thể nâng cao giá trị
của phụ phẩm nông lâm nghiệp mà còn giảm phát thải khí nhà kính và đa dạng hóa nguồn
cung cấp năng lượng cho quốc gia.
Nghiên cứu công nghệ khí hóa sinh khối thành khí nhiên liệu sử dụng sản xuất điện,
nhiệt, vận hành động cơ đốt trong hay sản xuất hóa chất bắt đầu được quan tâm nghiên cứu tại
trường đại học và các trung tâm nghiên cứu tại Việt Nam. Để làm chủ công nghệ khí hóa thì
cần phải hiểu rõ các đối tượng sinh khối sẽ sử dụng làm nguyên liệu và bản chất biến đổi hóa
học khi tiến hành khí hóa, các yếu tố quan trọng ảnh hướng đến quá trình khí hóa, thiết kế
thiết bị khí hóa (TBKH), xử lý khí sản phẩm và sử dụng khí sản phẩm…. cần được quan tâm
nghiên cứu. Xuất phát từ những thực tế trên, đề tài “Nghiên cứu đặc tính nhiệt phân của gỗ
keo và quá trình khí hóa tạo khí nhiên liệu” được thực hiện nghiên cứu với mục tiêu và nội
dung dưới đây.
2. Mục tiêu của luận án
Nghiên cứu nhiệt phân của gỗ keo và xác định điều kiện phù hợp để khí hóa sản xuất khí
nhiên liệu (có thành phần khí cháy CO, H2 và hàm lượng hắc ín thấp), định hướng sử dụng cho
động cơ đốt trong để sản xuất điện.
3. Nội dung nghiên cứu của luận án
1- Nghiên cứu, phân tích và đánh giá thành phần kỹ thuật: hàm ẩm, hàm lượng chất bốc
(hydrocacbon nhẹ, CO, CO2, H2O thoát ra ở nhiệt độ 950oC trong 7 phút, hàm lượng
cacbon cố định (cacbon còn lại sau khi chất bốc thoát ra) và hàm lượng tro thấp; thành
phần nguyên tố như cacbon, hydro, oxy, nitơ, lưu huỳnh; phân tích hàm lượng chất

1


bốc, hàm lượng cacbon cố định. Phân tích hàm lượng oxit kim loại trong tro và xác
định nhiệt độ chảy mềm của tro gỗ keo. Phân tích xác định các liên kết, nhóm chức
trong gỗ keo.

2- Nghiên cứu quá trình nhiệt phân gỗ keo bằng phương pháp phân tích nhiệt và tính toán
năng lượng hoạt hóa của quá trình. Đánh giá sản phẩm của quá trình nhiệt phân và
phân tích thành phần và tính chất hóa học của chúng.
3- Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khí hóa (SVa , S/C) và đánh giá hiệu quả
của quá trình khí hóa. Phân tích các vùng phản ứng trong thiết bị khí hóa.
4- Nghiên cứu nâng cấp chất lượng khí nhiên liệu bằng phương pháp cấp thêm oxy trong
quá trình khí hóa và bước đầu nghiên cứu reforming toluen (thành phần chính của hắc
ín) bởi xúc tác Ni/Char.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
4.1. Ý nghĩa khoa học của luận án
- Nghiên cứu về tính chất kỹ thuật của gỗ keo là cơ sở để đánh giá khả năng ứng dụng
của gỗ keo và giải thích các quá trình xảy ra trong TBKH cũng như các thông số cho
thiết kế, chế tạo TBKH. Ngoài ra, kết quả từ nghiên cứu về tính chất kỹ thuật của gỗ
keo tạo nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo để nghiên cứu mở rộng hướng ứng dụng
của gỗ keo cũng như nghiên cứu tính chất kỹ thuật cho các loại sinh khối khác.
- Đã đưa ra được phương pháp luận để đánh giá quá trình nhiệt phân sinh khối và có thể
áp dụng cho các đối tượng nghiên cứu khác.
- Phân tích, biện luận và bình chú về TBKH, công nghệ khí hóa và trình bày các kết quả
nghiên cứu về các thông số ảnh hưởng đến quá trình khí hóa giúp cung cấp thông tin
cơ sở và khoa học cho các nghiên cứu sau này.
4.2. Ý nghĩa thực tiễn của luận án
- Những phân tích chi tiết về tính chất kỹ thuật của gỗ keo cung cấp đầy đủ thông tin để
góp phần sử dụng nguyên liệu và nhiên liệu sinh khối cho quá trình cháy, quá trình
nhiệt phân và quá trình khí hóa.
- Góp phần hiểu rõ hơn công nghệ khí hóa sinh khối để sản xuất điện và có khả năng áp
dụng ở quy mô công nghiệp tại Việt nam khi sử dụng nguyên liệu là gỗ keo với công
suất phát điện < 1MWh.
5. Những đóng góp mới của luận án
1. Lần đầu tiên đã xác định được thành phần kỹ thuật của gỗ keo Việt Nam: hàm lượng
chất bốc, hàm lượng cacbon cố định, hàm lượng tro và thành phần hóa học: cacbon,

hydro, oxy, nitơ, lưu huỳnh, các thành phần oxit kim loại trong tro gỗ keo và nhiệt độ
chảy mềm của tro gỗ keo, nhiệt trị của gỗ keo Việt Nam.
2. Đã phân tích và lượng hóa được các sản phẩm hình thành trong quá trình nhiệt phân.
Xác định được năng lượng hoạt hóa phản ứng nhiệt phân gỗ keo bằng phương pháp

2


phân tích nhiệt. Char hình thành trong quá trình nhiệt phân chủ yếu do quá trình phân
hủy nhiệt của lignin.
3. Lần đầu tiên nghiên cứu sử dụng gỗ keo làm nguyên liệu cho quá trình khí hóa tạo ra
khí nhiên liệu. Đã tìm được các thông số công nghệ (S/C, SVa và nồng độ oxy phù
hợp) để khí hóa gỗ keo sản xuất khí nhiên liệu trong TBKH thuận chiều đáp ứng tiêu
chuẩn nhiên liệu sử dụng cho động cơ đốt trong. Đã đề xuất các phản ứng chính xảy ra
tại các vùng của thiết bị khí hóa dựa vào nhiệt độ, tốc độ dòng khí, hàm lượng khí
trong thiết bị và đã viết được phản ứng hóa học xảy ra từng vùng của thiết bị.
4. Đã phát hiện ra quy luật khoa học mối liên quan giữa V, FC và vai trò của chúng đối
với các phản ứng quan trọng của TBKH. Hàm lượng V và FC của sinh khối liên quan
trực tiếp đến sự hình thành sản phẩm khí, lỏng và rắn trong quá trình nhiệt phân. Khi
khí hóa sinh khối có V nhiều thì phản ứng reforming các hydrocacbon lỏng thành CO
và H2 chiếm ưu thế. Lignin trong sinh khối đóng vai trò chính hình thành char khi nhiệt
phân. Hàm lượng lignin lớn sẽ hình thành nhiều char khi nhiệt phân và quá trình khí
hóa char tạo CO và H2 cũng sẽ có vai trò quan trọng.
6. Cấu trúc nội dung của luận án
Chương 1: Tổng quan về công nghệ mới chuyển hóa sinh khối thành nhiên liệu, công nghệ
khí hóa để sản xuất nhiên liệu, tiềm năng gỗ keo, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
liên quan đến đề tài.
Chương 2: Thực nghiệm trình bày về phương pháp phân tích đặc tính kỹ thuật của gỗ keo,
phương pháp phân tích đặc tính nhiệt phân của gỗ keo, phương pháp nghiên cứu khí hóa sinh
khối, phương pháp nâng cấp chất lượng khí.

Chương 3: Thảo luận các kết quả đạt được về đặc tính kỹ thuật của gỗ keo, thảo luận về đặc
tính nhiệt phân của gỗ keo, thảo luận về các thông số ảnh hưởng đến quá trình khí hóa và nâng
cao chất lượng khí sản phẩm.
Kết luận về kết quả đạt được từ nghiên cứu đề tài luận án.
Các kết quả chính của luận án được công bố trong 07 công trình khoa học, trong đó có 01 bài
báo đăng trên tạp chí quốc tế, 04 bài báo đăng trên các tạp chí quốc gia và 02 báo cáo tại các
hội nghị quốc tế.

3


CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN

1.1. Các công nghệ nhiệt hóa học mới để chuyển hóa sinh khối thành nhiên liệu
Phương pháp chuyển hóa sinh khối bằng quá trình nhiệt hóa học là xu hướng nghiên
cứu, ứng dụng mới trên thế giới góp phần sản xuất nhiên liệu có khả năng tái tạo, thay thế một
phần nhiên liệu hóa thạch và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Quá trình nhiệt hóa học là quá
trình chuyển hóa nguyên liệu sinh khối có khả năng tái tạo dưới tác dụng của nhiệt thành
nhiên liệu, năng lượng hoặc hóa chất. Với mỗi quy trình chuyển hóa sinh khối thành hóa chất
(Biomass to Chemicals (B2C)) hoặc chuyển hóa sinh khối thành nhiên liệu (Biomass to Fuel
(B2F)) là các hướng nghiên cứu riêng được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm. Với
định hướng nghiên cứu khoa học phục vụ ứng dụng cho Việt Nam thì B2F có nhu cầu thực
tiễn cao. Đối với công nghệ B2F thì nhiên liệu có thể sản xuất từ sinh khối đó là quá trình thủy
nhiệt (Hydrothermal process) để sản xuất nhiên liệu rắn có chất lượng cao, quá trình nhiệt
phân nhanh (flash pyrolysis) để sản xuất nhiên liệu lỏng hoặc quá trình khí hóa (gasification)
để sản xuất nhiên liệu khí (bio-syngas). Đây là các quá trình chuyển hóa sinh khối theo công
nghệ mới có tiềm năng ứng dụng tại Việt Nam. Mỗi công nghệ sẽ tạo ra sản phẩm khác nhau
và định hướng ứng dụng được thể hiện ở Bảng 1.1.

Bảng 1.1 Các công nghệ nhiệt hóa học chuyển hóa sinh khối
Công nghệ

Sản phẩm sơ cấp

Ứng dụng

Dầu sinh học

Sử dụng trực tiếp nhiên liệu lỏng hoặc nâng cấp
thành diesel xanh hoặc sản xuất hóa chất

Khí hóa

Nhiên liệu khí

Sử dụng trực tiếp cho chu trình IGCC, IC, MCFC
Nâng cấp thành nhiên liệu H2 sử dụng cho
PEMFC

Thủy nhiệt

Nhiên liệu rắn

Nhiên liệu rắn mới đốt kèm với than trong nhà
máy công nghiệp

Nhiệt phân nhanh

IGCC (Intergrated gasification combinated cycle), IC–Gen (Internal combustion engine), MCFC (Molten

Carbonate Fuel Cell), PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell- pin nhiên liệu màng điện phân
polymer).

Với công nghệ chuyển hóa sinh khối thành nhiên liệu khí bằng công nghệ khí hóa có thể
sản xuất được khí nhiên liệu có thành phần chính là CO và H2 và từ khí nhiên liệu có thể sản
xuất điện theo các công nghệ tiên tiến như:
-

-

Chu trình hỗn hợp (Intergrated gasification combinated cycle (IGCC)): Hỗn hợp khí
CO và H2 là khí nhiên liệu để sản xuất điện theo chu trình hỗn hợp [35]. Sau quá trình
khí hóa, hỗn hợp khí nhiên liệu CO và H2 có nhiệt độ cao sẽ tạo động năng cho tuabin
khí để sản xuất điện, sau đó hỗn hợp khí CO và H2 sẽ thực hiện phản ứng cháy để tạo
động năng cho chu trình hơi.
Động cơ đốt trong phát điện (internal combustion engine (IC-Gen)): Hỗn hợp khí CO
và H2 là khí nhiên liệu sau quá trình khí hóa được làm nguội và cung cấp trực tiếp cho
4


-

-

động cơ đốt trong để thực hiện quá trình đốt cháy sinh công [59]. Kết nối với động cơ
khí là bộ phận phát điện sẽ chuyển hóa công năng của động cơ đốt trong thành dòng
điện.
Pin nhiên liệu muối cacbonat (Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)): Hỗn hợp khí CO
và H2 là khí nhiên liệu sau quá trình khí hóa có nhiệt độ cao sẽ được trực tiếp sử dụng
làm nhiên liệu cho pin nhiệt điện MCFC hoạt động ở nhiệt độ cao [34]. MCFC dùng

các muối cacbonat của Na và Mg ở nhiệt độ cao làm chất điện phân. Hiệu suất pin đạt
từ 60 đến 80%, vận hành ở nhiệt độ khoảng 650oC. MCFC dùng chất xúc tác điện cực
niken và trong quá trình sử dụng ion cacbonat từ chất điện phân sẽ bị sử dụng hết trong
phản ứng, đòi hỏi phải bổ sung thêm khí CO2.
Phản ứng trên anode:
CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2ePhản ứng trên cathode:
CO2+ ½ O2 + 2e- => CO32Tổng quát: H2(k) + ½ O2(k) + CO2 (cathode) => H2O(k)+O2 (anode)+ điện năng
Pin nhiên liệu màng điện phân polymer (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell
(PEMFC)): Hỗn hợp khí CO và H2 là khí nhiên liệu thu được sau quá trình khí hóa sẽ
tiếp tục thực hiện phản ứng chuyển hóa CO để làm giàu thêm H2 [40]. Nhiên liệu H2
sản xuất được sẽ sử dụng làm nhiên liệu cho pin PEMFC. Pin nhiên liệu PEMFC hoạt
động với một màng điện phân bằng plastic mỏng. Hiệu suất pin từ 40 đến 50% và vận
hành ở nhiệt độ thấp 80oC. Do có giải công suất linh hoạt nên có nhiều ứng dụng.
Nhược điểm của pin họ này là điện cực bị ngộ độc bởi khí CO nên quá trình tinh chế
và làm sạch khí phải được xử lý triệt để.

Phản ứng trên anode:
2 H2 => 4 H+ + 4ePhản ứng trên cathode:
O2 + 4 H+ + 4e- => H2O
Tổng quát:
2 H2 + O2 => 2 H2O + năng lượng (điện)
Có thể thấy rằng khí nhiên liệu sau quá trình khí hóa có nhiều ứng dụng trong công
nghiệp và để có thể tạo ra nguồn khí nhiên liệu bao gồm hai thành phần chính là CO và H2,
đặc tính kỹ thuật của sinh khối phải được xác định, phân tích, đánh giá và thực nghiệm nghiên
cứu các thông số công nghệ của TBKH cần được nghiên cứu.
1.2. Công nghệ khí hóa sinh khối để sản xuất khí nhiên liệu
1.2.1. Các công nghệ khí hóa sinh khối
Hầu hết các TBKH sử dụng là thiết bị lớp cố định (fixed bed gasifiers), thiết bị lớp tầng
sôi (fluidized bed gasifier) và thiết bị dòng cuốn (entrained flow gasifiers). Với quy mô công
nghiệp, thiết bị lớp tầng sôi và thiết bị dòng cuốn thường được áp dụng cho quy mô sản xuất

có công suất nhiệt từ lớn hơn 10MW, đối với thiết bị lớp cố định thì công suất thường dưới
1MW. TBKH lớp cố định có 3 kiểu gồm thiết bị lớp cố định thuận chiều (downdraft gasifier,
nguyên liệu và tác nhân khí hóa đi cùng chiều) Hình 1.1 (a), thiết bị lớp cố định ngược chiều
(updraft gasifier, nguyên liệu và khí sản phẩm đi ngược chiều nhau) Hình 1.1 (b), thiết bị lớp

5


cố định dòng cắt nhau (crossdraft gasifier, chiều di chuyển của khí sản phẩm cắt ngang vuông
góc với chiều di chuyển của nhiên liệu) Hình 1.1 (c).

Hình 1.1 Thiết bị khí hóa: (a) thuận chiều, (b) ngược chiều, (c) dòng cắt nhau
Mỗi loại TBKH kiểu lớp cố định đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, vì vậy khi
sử dụng cần lựa chọn để phát huy những ưu điểm và hạn chế tối đa nhược điểm của loại thiết
bị đó. TBKH ngược chiều có ưu điểm là tổn thất áp suất nhỏ, hiệu quả nhiệt cao, xu hướng
hình thành xỉ ít, thiết kế đơn giản, linh hoạt với nguyên liệu (kích thước, hình dạng và độ ẩm),
khí sản phẩm có nhiệt trị cao. Tuy nhiên, thiết bị loại này cũng có nhược điểm là thiết bị xử lý
khí sau quá trình khí hóa phức tạp, hàm lượng hắc ín trong khí sản phẩm lớn, nhiên liệu khí có
hàm ẩm cao do đó để làm sạch và nâng cấp chất lượng khí rất phức tạp. Nếu mục tiêu sử dụng
khí để vận hành động cơ IC-Gen thì không nên chọn công nghệ này. TBKH dòng cắt nhau có
ưu điểm là thiết kế đơn giản và đây là ưu điểm khi ứng dụng sản phẩm khí để phát điện, tuy
nhiên nhược điểm của loại thiết bị này là trở lực lớn và khả năng đóng xỉ cao, khó điều khiển
các thông số công nghệ. TBKH thuận chiều khắc phục được một số nhược điểm của 2 loại
thiết bị trên như khí sản phẩm có hàm lượng hắc ín trong khí sản phẩm thấp hơn, thiết kế đơn
giản, chi phí đầu tư thấp, khí sản phẩm rất linh hoạt thích ứng cho các nhu cầu phụ tải khác
nhau. Bên cạnh đó, thiết bị loại này cũng có nhược điểm là thiết bị có kích thước lớn, yêu cầu
cụ thể về nhiên liệu (kích thước, hình dạng và hàm ẩm), nhiệt trị khí sản phẩm trung bình, có
thể đóng xỉ…
Với mục tiêu sản xuất khí nhiên liệu làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong để sản xuất
điện, TBKH thuận chiều được lựa chọn vì các ưu điểm trên. Dăm gỗ keo cũng có thể là

nguyên liệu tốt được sử dụng cho công nghệ này để sản xuất điện với quy mô nhỏ phân tán với
công suất nhỏ hơn 1MWh, tuy nhiên phải nghiên cứu phân tích đặc tính kỹ thuật của nguyên
liệu và các thông số công nghệ của thiết bị để tìm điều kiện công nghệ phù hợp nhằm khắc
phục các nhược điểm của loại thiết bị này.

6


1.2.2. Quá trình khí hóa trong TBKH thuận chiều lớp cố định
Quá trình có thể xảy ra trong TBKH sinh khối thuận chiều được trình bày trên Hình 1.1
(a). Nguyên liệu sinh khối được cấp ở trên đỉnh của thiết bị và tác nhân khí hoá (không khí)
được cấp vào giữa thiết bị (cấp trực tiếp vào vùng oxy hóa). Sản phẩm khí được tạo ra từ quá
trình khí hóa sẽ chuyển động xuống dưới và đi ra ở đáy thiết bị. Nguyên liệu sinh khối vào và
dòng nhiên liệu khí đầu ra chuyển động cùng chiều trong TBKH.

Hình 1.2 Lưu trình của quá trình khí hóa[17]
Vùng “thắt” của TBKH là vị trí có đường kính thắt lại, đường kính vùng “thắt” nhỏ hơn
so với đường kính của thiết bị. Mục đích thiết kế vùng thắt là tạo môi trường đồng nhất về
nhiệt độ cao để sản phẩm từ quá trình nhiệt phân đi qua vùng nhiệt độ cao và có thể được đốt
cháy hoàn toàn [17]. Theo Reed và cộng sự [83], đường kính “thắt” được xác định thông qua
vận tốc bề mặt. Vị trí vùng thắt giao với phần thân chính của lò được xác định dựa trên 2
thông số đó là góc nghiêng và chiều cao tối thiểu. Trong đó góc nghiêng phụ thuộc vào đặc
tính nhiên liệu sử dụng và có giá trị trong khoảng 75o – 90o; chiều cao tối thiểu thường chọn
lớn hơn hoặc bằng bán kính “thắt”. Với TBKH sinh khối thuận chiều, chiều cao của vùng thắt
quy định vào công suất thiết bị, đặc tính cháy của nhiên liệu và tốc độ cấp gió [83].
Sinh khối là gỗ, thông thường có thành phần nguyên tố hoá học C, H, O chiếm chủ yếu,
hàm lượng nitơ, lưu huỳnh rất thấp, nên có thể dùng công thức chung 𝐶𝑥 𝐻𝑦 𝑂𝑧 . Phương trình
phản ứng tổng quát cho phản ứng khí hóa sinh khối thể hiện như sau[17]:
𝐶𝑥 𝐻𝑦 𝑂𝑧 (𝑠𝑖𝑛ℎ 𝑘ℎố𝑖) + 𝑂2 + 𝐻2 𝑂 (𝑐ó 𝑡ℎể 𝑐ó) → ∑𝑘ℎí(𝐶𝑂, 𝐶𝑂2 , 𝐶𝐻4 , 𝐻2 ) + 𝑚𝐻2 𝑂 +
𝐶𝑎2 𝐻𝑏2 𝑂𝑐2 (𝑐ℎ𝑎𝑟) + 𝐶𝑥2 𝐻𝑦2 𝑂𝑧2 (𝑡𝑎𝑟)+ tro (1.1)

7


Tuy nhiên trong TBKH có nhiều quá trình xảy ra và bao gồm nhiều phản ứng hóa học
xảy ra và được thể hiện ở Hình 1.2. Trong TBKH thuận chiều, theo lý thuyết sẽ chia làm 4
vùng khác nhau đặc trưng cho các quá trình chính xảy ra trong thiết bị bao gồm (1) vùng sấy,
(2) vùng nhiệt phân, (3) vùng oxy hóa và (4) vùng khí hóa (vùng khử).
(1) Vùng sấy:
Nơi có nhiệt độ khoảng 150 – 200oC và tại nhiệt độ này ẩm trong nguyên liệu sinh khối
sẽ bốc hơi và sinh khối khô được tạo thành theo phản ứng.
𝑆𝑖𝑛ℎ 𝑘ℎố𝑖 ướ𝑡 + 𝑛ℎ𝑖ệ𝑡 → 𝑆𝑖𝑛ℎ 𝑘ℎố𝑖 𝑘ℎô + 𝐻2 𝑂
(1.2)
Trong TBKH, hơi ẩm thoát ra ở vùng sấy, đi qua vùng nhiệt phân, sau đó đi tiếp vào
vùng oxy hóa và sau cùng đi vào vùng khí hóa. Hơi nước sẽ tham gia vào các phản ứng hoá
học xảy ra trong vùng oxy hóa và vùng khí hóa.
(2) Vùng nhiệt phân:
Vùng nhiệt phân là vùng quan trọng trong thiết bị khí hóa sinh khối. Sinh khối khô sẽ
chuyển sang vùng nhiệt phân nơi mà nhiệt độ vùng nhiệt phân từ 200 – 600oC. Trong vùng
nhiệt phân sẽ xảy ra các phản ứng phân hủy nhiệt bẻ gãy mạch dài (hemixenlulôzơ, xenlulôzơ
và lignin) có trong sinh khối thành khí không ngưng (H2, CO, CO2, CH4, CnHm), các
hydrocacbon khí, hydrocacbon lỏng (axit axetic, hydrocacbon vòng thơm, xeton, hợp chất
chứa oxy, hợp chất furan, hợp chất phenol, guaiacol, đường) [17]. Phần rắn còn lại của quá
trình nhiệt phân (gọi là char). Sự biến đổi sinh khối ở vùng nhiệt phân thể hiện trên Hình 1.3.
Sinh khối khô trải qua hai giai đoạn nhiệt phân, giai đoạn nhiệt phân sơ cấp hình thành sản
phẩm lỏng, khí và char. Sau đó, các sản phẩm của quá trình nhiệt phân sơ cấp dưới tác dụng
của nhiệt tiếp tục nhiệt phân thành các sản phẩm thứ cấp lỏng, khí, char.

Hình 1.3 Nguyên lý của quá trình nhiệt phân sinh khối [64]
Phản ứng tổng quát của quá trình nhiệt phân như sau:

8


𝑛ℎ𝑖ệ𝑡

𝐶𝑥 𝐻𝑦 𝑂𝑧 (sinh 𝑘ℎố𝑖) →

𝐶𝑥1 𝐻𝑦1 𝑂𝑧1 (𝑙ỏ𝑛𝑔) + 𝐶𝑎1 𝐻𝑏1 𝑂𝑐1 (𝑐ℎ𝑎𝑟) + ∑𝑘ℎí(𝐶𝑂, 𝐶𝑂2 , 𝐶𝐻4 , 𝐻2 ) + 𝑛𝐻2 𝑂

(1.3)
Sản phẩm của quá trình nhiệt phân phụ thuộc vào bản chất của sinh khối, nhiệt độ cũng
như thời gian lưu của sinh khối trong vùng này. Do đó nghiên cứu về đặc tính nhiệt phân sinh
khối là rất quan trọng và sẽ giúp chúng ta hiểu rõ sự biến đổi của sinh khối và các sản phẩm
hình thành tại vùng nhiệt phân. Toàn bộ sản phẩm hình thành tại vùng nhiệt phân sẽ tiếp tục
đi vào vùng oxy hóa.
3) Vùng oxy hóa (vùng cháy):
Tại vùng oxy hóa, oxy (không khí) đưa vào thiết bị để thực hiện các phản ứng hóa học.
Khi oxy tiếp xúc với các sản phẩm đi ra khỏi vùng nhiệt phân sẽ xảy ra nhiều phản ứng phức
tạp như phản ứng cháy, phản ứng reforming, phản ứng cracking và các phản ứng khác. Phản
ứng cháy là phản ứng quan trọng nhất trong vùng này vì sẽ sinh nhiệt mạnh và cung cấp nhiệt
cho toàn thiết bị khí hóa [17]. Ở vùng cháy nơi có nhiệt độ cao, các sản phẩm hình thành của
vùng nhiệt phân sẽ tiếp tục tham gia các phản ứng hóa học để tạo thành các khí chính là CO,
H2, CO2 và CH4….
Phản ứng xảy ra trong vùng oxy hóa giữa oxy không khí cấp với sản phẩm quá trình
nhiệt phân ở nhiệt độ cao xảy ra như sau [17]:
Phản ứng cháy
CH4 + 0,5 O2

↔

C + O2

→

CO + 0,5 O2

→

CO2 +284 kJ/mol (ở 25 C, 1 at)

(1.6)

H2 + 0,5 O2

→

H2O + 242 kJ/mol (ở 25oC, 1 at)

(1.7)

C + 0,5 O2

→

CO + 111 kJ/mol (ở 25 C, 1 at)

(1.8)

CH4 + 0,5 O2

→

CO + 2H2 + 36 kJ/mol (ở 25oC, 1 at)

(1.9)

Phản ứng reforming
CnHm+nH2O

→

nCO +

CnHm +nCO2

→

2nCO + 2 H2

(1.11)

→

Cn’Hm’ + H2

(1.12)

Phản ứng cracking
CnHm

CO2 + H2O +803 kJ/mol (ở 25oC, 1 at)
o

CO2 + 394 kJ/mol (ở 25 C, 1 at)
o

o

m+2n
2
m

H2 + 111 kJ/mol

(1.4)
(1.5)

(1.10)

Toàn bộ sản phẩm của quá trình oxy hóa sẽ tiếp tục chuyển động vào vùng khí hóa
(4) Vùng khử (vùng khí hóa):
Tại vùng khí hóa sẽ tiếp tục xảy ra các phản ứng hóa học và phản ứng chính của vùng này là
[17] :
Phản ứng của cacbon với hơi nước sinh ra từ phản ứng cháy và từ không khí cấp.
C + H2O ↔ H2 + CO - 131,40 kJ/mol (ở 25oC, 1 at)
(1.13)
Phản ứng của CO2 tạo ra trong vùng cháy và cacbon ở nhiệt độ khoảng 800 – 900oC:

9

C + CO2↔ 2CO - 172 kJ/mol (ở 25oC, 1 at)

(1.14)

Các phản ứng khác cũng có thể xảy ra bao gồm:
- Phản ứng chuyển hoá khí nước (water gas shift - WGS) giữa CO và hơi nước tạo CO2 và
H2:
CO + H2O ↔ CO2 + H2 + 41,20 kJ/mol (ở 25oC, 1 at)
-

(1.15)

Ở nhiệt độ khoảng 500-600 C trong vùng khí hóa còn xảy ra phản ứng tạo H2:
o

C + 2H2O ↔ 2H2 + CO2 - 88 kJ/mol (ở 25oC, 1 at)
-

-

(1.16)

Khí metan được tạo ra trong thiết bị hoá khí giữa char và H2 ở khoảng trên 500 C, với tốc độ
rất chậm:
o

C + 2H2↔ CH4 + 74,8 kJ/mol (ở 25oC, 1 at)
Phản ứng reforming hơi nước khí metan:

CH4 + 2H2O ↔ CO + 4H2 - 206 kJ/mol (ở 25oC, 1 at)

(1.17)
(1.18)

Có thể thấy rằng các vùng được phân chia thứ tự trong TBKH, tuy nhiên theo Basu [17]
cho rằng tại các vùng oxy hóa và vùng khí hoá, các phản ứng xảy ra không có ranh giới rõ
ràng mà thường xảy ra đan xen với nhau.
1.2.3. Nâng cao chất lượng khí
Sản xuất khí nhiên liệu có chất lượng tốt làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong sản xuất
điện thì sử dụng TBKH thuận chiều sẽ có chất lượng khí tốt hơn so với TBKH tầng sôi hoặc
TBKH ngược chiều vì hàm lượng các hydrocacbon cao phân tử (hắc ín) trong khí sản phẩm
thấp hơn. Để đảm bảo động cơ IC hoạt động tốt và ổn định, nhiệt trị hỗn hợp khí từ 4-6 MJ/m3
và hàm lượng hắc ín trong nhiên liệu khí phải giảm tối thiểu. Hắc ín là hydrocacbon đa vòng
có khả năng ngưng tụ ở nhiệt độ thấp. Do đó, để đáp ứng yêu cầu này thì việc nghiên cứu để
sản xuất ra khí nhiên liệu có nhiệt trị cao và hàm lượng hắc ín thấp đã được nhiều nhà khoa
học tập trung nghiên cứu và gồm các phương pháp sau:
i. Nâng cao nhiệt trị của sản phẩm khí
Thành phần chính của khí nhiên liệu là CO, H2, ngoài ra còn có chứa CO2, H2O, CH4.
Trong đó, thành phần khí góp phần tạo nhiệt trị của khí nhiên liệu chủ yếu là CO, H2 và CH4.
Đã có những nghiên cứu sử dụng các tác nhân oxy hóa khác nhau như tăng nồng độ oxy của
gió (không khí) vào, bổ sung thêm hơi nước của vùng khí hóa để tăng nồng độ CO và H2 của
nhiên liệu khí [105].
ii. Giảm sự hình thành hắc ín
Khí hóa sinh khối tạo ra không chỉ khí nhiên liệu mà còn tạo ra một số sản phẩm phụ
không mong muốn như hắc ín. Sự hình thành của hắc ín trong quá trình khí hóa phụ thuộc vào
chủng loại nhiên liệu, cấu tạo thiết bị, điều kiện vận hành. Hắc ín có thể gây ra một số vấn đề
như hình thành cốc trong động cơ đốt trong, ngưng tụ làm tắc đường ống trong quá trình hoạt
động của hệ thống IC-Gen do đó làm giảm tuổi thọ của thiết bị. Hàm lượng hắc ín cho phép
với một số ứng dụng của nhiên liệu khí quy định như sau [46]:

10


- Nhiên liệu khí đốt công nghiệp từ 50-500 mg/m3
- Nhiên liệu cho động cơ đốt trong từ 50-100 mg/m3
- Nhiên liệu cho tuabin khí từ 0,05-5 mg/m3
- Nhiên liệu cho pin nhiên liệu nhỏ hơn 0,1 mg/m3
Do đó, nghiên cứu nâng cao chất lượng khí sản phẩm từ quá trình khí hóa sao cho giảm
hàm lượng hắc ín trong khí sản phẩm là cần thiết. Các phương pháp xử lý/chuyển hóa hắc ín
được đưa ra dựa vào vị trí xử lý trong hệ thống khí hóa có thể phân chia phương pháp xử lý
hắc ín thành: (i) xử lý hắc ín trong quá trình khí hóa (in-situ) và (ii) xử lý hắc ín sau quá trình
khí hóa [95].
Phương pháp xử lý hắc ín trong quá trình khí hóa
Tăng thời gian lưu của hỗn hợp hơi/khí nhiệt phân trong vùng cháy của TBKH hoặc tăng
cao nhiệt độ của vùng oxy hóa để tăng khả năng phân hủy nhiệt, cracking hoặc reforming của
hắc ín đều có khả năng giảm hàm lượng hắc ín trong khí nhiên liệu. Tăng thời gian lưu của
hỗn hợp hơi/khí nhiệt phân trong vùng cháy ở nhiệt độ cao của TBKH bằng phương pháp sử
dụng hệ thống cấp tác nhân khí hóa nhiều cấp vào TBKH với mục đích là tăng chiều cao và
nhiệt độ vùng cháy. Phương pháp này cũng đã được một số nhóm nghiên cứu thực hiện như
Burhenne và cộng sự [22], Bui và cộng sự [20], Bhattacharya và cộng sự [18]. Phương pháp
tăng khả năng tiếp xúc trực tiếp của hỗn hợp hơi/khí nhiệt phân với các bề mặt char có nhiệt
độ cao. Hỗn hợp hơi/khí nhiệt phân sẽ phản ứng chuyển hóa thành khí không ngưng tụ dưới
tác dụng của lớp char nóng. Phương pháp giảm hàm lượng hắc ín trong khí sản phẩm sử dụng
tác nhân khí hóa giàu oxy cũng đã được nghiên cứu và báo cáo. Theo nghiên cứu của P.M. Lv
và cộng sự [57], Cheng và cộng sự [26], Wang và cộng sự [105], tác nhân khí hóa thêm oxy sẽ
giảm đáng kể hàm lượng hắc ín có trong khí sản phẩm.
Phương pháp xử lý hắc ín sau quá trình khí hóa
Phương pháp hấp thụ hắc ín sử dụng dầu sinh học thải, hay than cũng được sử dụng để
loại bỏ hắc ín. Ngoài ra, xử lý hắc ín bằng quá trình cracking/reforming cũng được nhiều tác

giả nghiên cứu. Phương pháp cơ học và vật lý giúp loại bỏ hắc ín trong khí sản phẩm từ quá
trình khí hóa sinh khối như hấp thụ, hấp phụ hoặc phân tách theo trọng lực…..và các thiết bị
này thường được lắp đặt phía sau thiết bị khí hóa...Các nghiên cứu của Schimidt cho thấy hắc
ín có thể được loại bỏ hoàn toàn ở nhiệt độ lớn hơn 1000oC mà không sử dụng xúc tác [87].
Một số tác giả khác đã nghiên cứu xử lý hắc ín bằng cracking nhiệt ở quy mô phòng thí
nghiệm. Rath và cộng sự [82] đã thực hiện quá trình cracking pha hơi của hắc ín từ nhiệt phân
của gỗ bạch dương (birch wood) trong thiết bị phản ứng dạng ống kết nối với thiết bị phân
tích nhiệt TGA ở nhiệt độ 600, 700 và 800oC với các thời gian lưu khác nhau. Kết quả cho
thấy hơi hắc ín chủ yếu được hình thành trong khoảng nhiệt độ 240-450oC. Nhưng trong
khoảng nhiệt độ này thì chúng không bị phân hủy bởi nhiệt vì tốc độ gia nhiệt thấp chưa đủ
lớn nên cracking hắc ín có thể xem như không xảy ra. Hiệu quả của quá trình cracking hắc ín

11


không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng mà còn phụ thuộc vào nhiệt
độ mà tại đó hắc ín được hình thành.
1.3. Lựa chọn nguyên liệu gỗ cho quá trình khí hóa sản xuất khí nhiên liệu
Việt Nam là quốc gia có khí hậu nhiệt đới gió mùa, thuận lợi cho sự phát triển của cây
trồng, do đó Việt Nam có tiềm năng rất lớn về nguồn sinh khối. Trong đó, phụ phẩm nông
nghiệp rất phong phú, dồi dào. Đồng bằng sông Mê kông, chiếm khoảng 50% tổng sản lượng
phụ phẩm nông nghiệp toàn quốc và đồng bằng Sông Hồng với 15% tổng sản lượng toàn
quốc. Hàng năm tại Việt Nam có khoảng 80 triệu tấn sinh khối từ phụ phẩm nông nghiệp
trong đó 40% được sử dụng đáp ứng nhu cầu đun nấu cho hộ gia đình [6]. Tuy nhiên, Việt
Nam còn có các nguồn sinh khối từ các quá trình sản xuất khác như phụ phẩm từ chế biến lâm
sản, sản xuất công nghiệp, chất thải sinh hoạt và chăn nuôi, rác thải đô thị, … Theo tính toán
thì tổng tiềm năng nguồn năng lượng sinh khối kể trên có thể khai thác cho sản xuất năng
lượng và sản xuất điện có thể đạt khoảng 100 triệu tấn. Tiềm năng về gỗ và các phế thải gỗ đạt
27-31 triệu tấn/năm, với khả năng khai thác cho sản xuất năng lượng đạt 25 triệu tấn/năm [54].
Nhìn chung, nguồn sinh khối của Việt Nam có trữ lượng khá lớn đặc biệt là phụ phẩm gỗ,

trong đó sinh khối gỗ rừng trồng có khả năng sinh trưởng và khai thác nhanh, hoàn toàn đáp
ứng nhu cầu làm nguyên liệu cho sản xuất năng lượng như rừng trồng keo, bạch đàn và các
loại cây lấy gỗ khác.
1.3.1. Tiềm năng gỗ keo ở Việt Nam có thể sử dụng để sản xuất khí nhiên liệu
Cây keo là một trong những cây trồng chính của chương trình trồng rừng hiện nay ở
Việt Nam. Gỗ keo sau khi khai thác được sử dụng rộng rãi trong ngành chế biến lâm sản. Việc
thống kê số liệu về tổng sản lượng gỗ keo được khai thác và sử dụng rất khó khăn, do đó
nghiên cứu này thống kê dựa vào lượng dăm gỗ keo xuất khẩu hàng năm. Năm 2001, cả nước
chỉ xuất khẩu 400000 tấn dăm gỗ nhưng đến năm 2011, đã tăng lên 5 triệu tấn [10]. Lượng
dăm gỗ xuất khẩu trong năm 2011 cao hơn 36% so với năm 2010 và tăng gấp ba lần kể từ
năm 2007. Năm 2014, Việt Nam xuất khẩu khoảng 6,97 triệu tấn dăm gỗ phục vụ cho ngành
sản xuất giấy. Dăm gỗ có nguồn gốc từ rừng trồng trong nước, với khoảng gần 50% trong số
này có nguồn gốc từ rừng trồng của hộ gia đình; 50% còn lại là từ các doanh nghiệp trồng và
một số hợp tác xã. Phần dư thừa từ quá trình sản xuất chế biến gỗ, phần nhỏ có kích thước
dưới 10 cm (cành ngọn, gỗ cong vênh, cây gãy đổ do bão hàng năm...) chiếm khoảng 10%
được sử dụng làm củi đun nấu cho hộ gia đình [10]. Trong quá trình khảo sát chúng tôi thấy
rằng dăm gỗ keo ở Việt Nam đã sản xuất ở quy mô công nghiệp tập trung và có kích thước
khoảng 3x5x0,5 cm, đó là nguyên liệu phù hợp cho quá trình khí hóa thuận chiều.

12


Hình 1.4 Tập kết dăm gỗ keo phục vụ xuất khẩu
Gỗ keo được trồng khắp cả nước nhưng tập trung chủ yếu ở các tỉnh như Phú Thọ,
Tuyên Quang, Hòa Bình, Lạng Sơn, Thanh Hóa, Nghệ An, Quảng Ngãi và Bình Định. Theo
quy hoạch diện tích trồng keo ở Việt Nam đến năm 2020 có xét đến năm 2025 cả nước có
khoảng gần 1 triệu hecta, tập trung ở một số khu vực đồi núi như Vùng Duyên hải miền Trung
(173,378 hecta), vùng Trung tâm Bắc Bộ (164,440 hecta), vùng Tây Bắc (145,645 hecta) [1].
Tính toán tiềm năng sản xuất điện từ dăm gỗ keo ở một số vùng miền ở Việt Nam được đưa ra
trong Bảng 1.2. Tổng sản lượng gỗ keo tương đương với lượng điện sản xuất được tương ứng

3,25 tỷ MWh điện năng theo công nghệ khí hóa sinh khối. Qua số liệu cho thấy tiềm năng sản
xuất điện từ gỗ keo là rất lớn, tuy nhiên hiện nay ở Việt Nam chưa có nhóm nghiên cứu nào
nghiên cứu về vấn đề này. Việc nghiên cứu khí hóa gỗ keo để sản xuất nhiên liệu khí và sản
xuất điện là cần thiết và đáp ứng hai mục tiêu phát triển kinh tế từ sản xuất lâm nghiệp và đảm
bảo bền vững môi trường.
Bảng 1.2 Tiềm năng sản xuất điện từ gỗ keo ở Việt Nam
(Tính toán theo phần mềm được phát triển bởi The International Renewable Energy Agency - IRENA)
TT
1
2
3
4
5
6
7
8

Tiềm năng điện (tỷ MWh)

Vùng
Vùng Tây Bắc
Vùng Đông Bắc
Vùng TT Bắc Bộ
Vùng Bắc Trung Bộ
Vùng Duyên Hải Trung Bộ
Vùng Bắc Tây Nguyên
Vùng Nam Tây Nguyên
Vùng Tây Nam Bộ

0,14

0,10
0,67
0,43
0,87
0,33
0,52
0,19

Tổng

3,25

1.3.2. Thành phần hóa học của sinh khối gỗ
Sinh khối gỗ gồm có 3 thành phần chính là hemixenlulôzơ, xenlulôzơ và lignin [75].
Hàm lượng xenlulôzơ, hemixenlulôzơ tương ứng trong sinh khối gỗ khoảng 40-50% và 2040% [17] tuỳ thuộc vào loại sinh khối. Thành phần nguyên tố hoá học chủ yếu trong sinh khối

13


gồm có cacbon (C), hydro (H), oxy (O). Ngoài ra, còn có lưu huỳnh (S), nitơ (N) và các oxit
kim loại vô cơ cũng tồn tại trong sinh khối nhưng với hàm lượng rất nhỏ.
a. Xenlulôzơ
Xenlulôzơ là polysacarit phổ biến nhất trong thiên nhiên, là một polysacarit đồng thể
mạch thẳng và có cấu tạo mạng không gian. Xenlulôzơ là thành phần cơ bản cấu tạo nên vách
tế bào gỗ, ảnh hưởng trực tiếp tới cấu tạo và tính chất của gỗ. Phân tử xenlulôzơ được cấu tạo
bởi các gốc β-D-glucoza, liên kết với nhau bằng các liên kết glycozit 1-4. Chuỗi phân tử của
nó có cấu tạo điều hòa và tất cả các nguyên tử cacbon không đối xứng nhau theo một cấu hình
chặt chẽ nhất định. Đơn vị lập thể lặp lại trong chuỗi xenlulôzơ là gốc xelobyoza (4-O-[β-Dglucopyranozil]-β-D-glucopyranoza).
Công thức chung của xenlulôzơ có thể viết dưới dạng (C6H10O5)n hoặc [C6H7O2(OH)3]n.
Độ trùng hợp n của xenlulôzơ trong gỗ khoảng 5000 đến 10000. Các kết quả nghiên cứu trước

[3] cho rằng, xenlulôzơ ở vách tế bào sơ cấp có dạng phân tán, còn ở vách tế bào thứ cấp
chúng tồn tại dưới dạng gần với trạng thái đơn tán. Trong quá trình tách từ mô tế bào,
xenlulôzơ bị biến đổi ở một mức độ nào đó và tính không đồng nhất về phân tử lượng cũng
tăng theo.

Hình 1.5 Các thành phần hóa học cấu tạo nên gỗ [3]
Xenlulôzơ là một polyme phân cực. Mỗi mắt xích của chuỗi phân tử xenlulôzơ chứa ba
nhóm rượu (-OH): Một nhóm rượu bậc nhất và hai nhóm bậc hai, chúng khác nhau về khả
năng phản ứng hóa học. Ở một đầu mạch của cao phân tử có thêm một nhóm rượu bậc hai ở
nguyên tố cacbon thứ tư, còn ở đầu kia có nhóm hydroxyl tự do, do mắt xích đầu này của
chuỗi phân tử có chứa nhóm anđehit không bền vững và tạo cho xenlulôzơ khả năng khử
(Hình 1.7).

14


Hình 1.6 Cấu tạo hóa học của gỗ [33]

Hình 1.7 Thành phần và cấu tạo của thành phần trong gỗ [86]
b. Hemixenlulôzơ
Hemixenlulôzơ là những polysacarit cấu tạo nên vách tế bào, nhưng so với xenlulôzơ thì
hemixenlulôzơ kém ổn định hoá học hơn, dễ bị phân giải khi ở nhiệt độ cao. Hemixenlulôzơ
phân giải trong khoảng nhiệt độ từ 200-260oC. Độ bền vững của hemixenlulôzơ so với
xenlulôzơ là thấp mà tính ổn định nhiệt của đường của hemixenlulôzơ trong gỗ rất thấp, nó rất
dễ phát sinh phản ứng thoát nước. Ở nhiệt độ tương đối thấp, hemixenlulôzơ phân giải sinh ra
khối lượng lớn axit acetic và chất khí không cháy, đồng thời có ít dầu gỗ. Hemixenlulôzơ dễ bị
thuỷ phân dưới tác dụng của axit.

15

Hemixenlulôzơ có cấu trúc phức tạp hơn xenlulôzơ và cấu trúc phân tử có mạch nhánh
nhiều, độ trùng hợp thấp n < 200. Do cấu trúc mạch nhánh hemixenlulôzơ có cấu trúc chủ yếu
ở vùng vô định hình, ngoài ra còn có một ít tồn tại ở vùng tinh thể của xenlulôzơ.
c. Lignin
Lignin có cấu trúc vô định hình, có khối lượng phân tử từ 4000 -10000, độ trùng hợp cao
n = 25 – 45, liên kết giữa các đơn vị lignin rất phức tạp. Bản chất của các liên kết này chưa
được xác định rõ ràng, trong lignin có nhiều nhóm chức như hydroxyl tự do, nhóm metoxyl,
nhóm cacbonyl và nối đôi, nhờ vậy mà nó có thể tham gia các phản ứng như oxy hóa làm đứt
mạch cacbon tạo thành các axit béo và thơm. Liên kết giữa lignin và xenlulôzơ có ý nghĩa
quyết định đến tính chất cơ học, vật lý của gỗ. Lignin có vai trò như một chất liên kết các sợi
xenlulôzơ trong vách tế bào làm cho gỗ có tính chất cơ học, lý học nhất định.
Gỗ keo cũng sẽ có chứa 3 thành phần chính đó là hemixenlulôzơ, xenlulôzơ và lignin.
Trong quá trình chuyển hóa gỗ keo thành khí nhiên liệu bằng công nghệ khí hóa thì các thành
phần chính hemixenlulôzơ, xenlulôzơ và lignin sẽ bị biến đổi và chuyển hóa thông qua các
phản ứng hóa học phức tạp để tạo ra khí nhiên liệu có thành phần chính là CO, H2.
1.4. Tình hình nghiên cứu chuyển hóa sinh khối thành nhiên liệu ngoài nước và
trong nước liên quan đến đề tài
1.4.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước liên quan đến đề tài
a) Các nghiên cứu về nhiệt phân sinh khối
Trong quá trình khí hóa sinh khối, sinh khối sau khi được sấy khô sẽ thực hiện quá trình
nhiệt phân. Quá trình nhiệt phân sinh khối xảy ra trong môi trường không có mặt oxy, phân
hủy các thành phần của sinh khối như hemixenlulôzơ, xenlulôzơ và lignin tạo thành chất bốc
bao gồm khí không ngưng (CO, CO2, CH4, H2) và các khí hydrocacbon có khả năng ngưng tụ
ở nhiệt độ thấp (dầu nhiệt phân) và sản phẩm rắn (char) [96]. Quá trình nhiệt phân chịu ảnh
hưởng bởi nhiều thông số như tốc độ gia nhiệt, nhiệt độ, thời gian lưu, đặc tính kỹ thuật của
sinh khối và kích thước mẫu sinh khối.
Phương pháp phân tích nhiệt (TGA) là phương pháp phổ biến nhất sử dụng để phân tích
đánh giá đặc tính nhiệt phân của sinh khối bao gồm diễn biến xảy ra (khoảng nhiệt độ mất
khối lượng và phần trăm khối lượng sinh khối bị phân hủy) và động học của quá trình phân

hủy nhiệt của sinh khối. Nhiều nhà nghiên cứu cũng đã sử dụng phương pháp phân tích nhiệt
để đánh giá khả năng phân hủy nhiệt của các loại sinh khối khác nhau như cùi ngô và bã mía
[12], gỗ dương [53], phụ phẩm lâm nghiệp [47], bã mía [51], thân và lá của cây nho [90].
Nhiệt phân gỗ và thành phần chính của gỗ bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng đã
được thực hiện bởi Gasparovic và cộng sự [38] và chỉ ra rằng quá trình phân hủy nhiệt của gỗ
theo TGA qua 3 giai đoạn như sau: thoát ẩm, nhiệt phân chủ động – giai đoạn phân hủy nhiệt
xảy ra nhanh trong khoảng nhiệt độ hẹp và nhiệt phân bị động – giai đoạn phân hủy nhiệt xảy
ra chậm trong khoảng nhiệt động rộng. Quá trình phân hủy nhiệt của gỗ còn phụ thuộc vào
hàm lượng của các thành phần chính của chúng. Hemixenlulôzơ và xenlulôzơ phân hủy nhiệt
16


trong giai đoạn nhiệt phân chủ động của sinh khối, trong khoảng nhiệt độ tương ứng từ 200380oC và 250-380oC. Trong khi đó, lignin phân hủy nhiệt trong cả hai giai đoạn: nhiệt phân
chủ động và bị động, trong khoảng nhiệt độ 180-900oC.
Phân tích nhiệt trọng lượng cũng rất hữu dụng trong việc xác định thông số động học
nhiệt phân [51]. Xác định thông số động học nhiệt phân thành phần chính của sinh khối
(hemixenlulôzơ, xenlulôzơ và lignin) đã được thực hiện trong môi trường khí trơ bởi Braga và
cộng sự [19], tính toán động học của quá trình nhiệt phân cùi ngô, gỗ dương trong môi trường
nitơ cũng được Kumar [51] và Slopiecka đề cập [90]. Braga và cộng sự [19] đưa ra kết quả
năng lượng hoạt hóa của hemixenlulôzơ +xenlulôzơ của hai loại sinh khối (trấu) sử dụng phân
tích nhiệt và xác định năng lượng hoạt hóa theo phương pháp FWO là từ 220 đến 229 kJ/mol.
Slopiecka và cộng sự [90] đã nghiên cứu xác định thông số động học của nhiệt phân gỗ dương
theo hai phương pháp FWO và KAS. Jeguirim và Trouve [44] tìm ra giá trị năng lượng hoạt
hóa của quá trình phân hủy hemixenlulôzơ là 110 kJ/mol và xenlulôzơ là khoảng 90-140
kJ/mol. Yao và cộng sự [112] đã nghiên cứu các sinh khối khác nhau và giá trị năng lượng
hoạt hoá trong khoảng 160-170 kJ/mol. Ounas và cộng sự [69] đã xác định được năng lượng
hoạt hóa của bã mía bằng phương pháp FWO, kết quả tại mỗi độ chuyển hóa khác nhau năng
lượng hoạt hóa là khác nhau. Nhóm tác giả cho thấy ứng với độ chuyển hóa từ 10-40% là sự
phân hủy của hemixenlulôzơ và 50-80% là sự phân hủy xenlulôzơ dựa vào giá trị năng lượng
hoạt hóa và đường cong phân tích nhiệt.

Như vậy, sử dụng phương pháp phân tích nhiệt để đánh giá quá trình nhiệt phân của
nhiều loại sinh khối đã được nghiên cứu nhiều. Tuy nhiên, đánh giá nhiệt phân của gỗ keo
chưa được nghiên cứu vì có lẽ cây keo là cây riêng của Việt Nam mà chưa nước nào trên thế
giới phát triển đến quy mô công nghiệp như ở Việt Nam. Do đó, định hướng nghiên cứu sẽ
tập trung vào phân tích đánh giá đặc tính nhiệt phân của gỗ keo, xác định thành phần sản phẩm
rắn, lỏng và khí tạo ra từ quá trình nhiệt phân gỗ keo, tính toán năng lượng hoạt hoá của quá
trình phân hủy nhiệt của gỗ keo trong môi trường khí trơ cũng được xác định, sử dụng phương
pháp FWO và KAS. Ngoài ra, phân tích thành phần kỹ thuật, thành phần nguyên tố hóa học,
liên kết-nhóm chức, nhiệt trị, thành phần oxit kim loại trong tro, nhiệt độ chảy mềm của tro
cũng được phân tích, tính toán và đánh giá.
b) Các nghiên cứu về khí hóa sinh khối và nâng cấp chất lượng khí nhiên liệu
Với mục đích là phát triển hệ thống TBKH phù hợp với các loại phụ phẩm khác nhau,
nhiều nghiên cứu đề cập ảnh hưởng các thông số đến hiệu quả trong quá trình khí hóa sinh
khối và các kết quả giản đồ nhiệt độ, thành phần khí sản phẩm,… khi khí hóa các loại sinh
khối khác nhau đã được báo cáo. Nghiên cứu cải tiến TBKH thuận chiều cho phù hợp với các
loại sinh khối và nâng cao hiệu quả của thiết bị có một số nhà nghiên cứu quan tâm như
Kumararaja và cộng sự [52] đã nghiên cứu khí hóa một số phụ phẩm nông lâm nghiệp trong
TBKH thuận chiều có vùng thắt để khảo sát sự thay đổi nhiệt độ dọc theo chiều cao trong
TBKH. Nhuchhen và cộng sự [66] nghiên cứu khí hóa sinh khối trên hệ thống khí hóa 2 cửa
17