KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP THỤ KHÍ TẠP TỪ LÒ ĐỐT GAS GASIFIER CỦA THAN SINH HỌC (BIOCHAR)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC
****************

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP THỤ KHÍ TẠP TỪ LÒ ĐỐT GAS
GASIFIER CỦA THAN SINH HỌC (BIOCHAR)

Ngành học

: CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Sinh viênthực hiện : TRẦN HIẾU NHÂN
Niên khóa

: 2008 - 2012

Tháng 07 năm 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC
****************

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP THỤ KHÍ TẠP TỪ LÒ ĐỐT GAS
GASIFIER CỦA THAN SINH HỌC (BIOCHAR)
Hướng dẫn khoa học

Sinh viên thực hiện

PGS.TS. DƯƠNG NGUYÊN KHANG
KS. NGUYỄN MINH TRIẾT

Tháng 07 năm 2012

TRẦN HIẾU NHÂN


LỜI CÁM ƠN
Để hoàn thành đề tài này tôi xin chân thành cảm ơn:
-

Ban Giám Hiệu Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ CHí Minh, Chủ nhiệm Bộ môn
Công Nghệ Sinh Học, cùng quý Thầy, Cô đã truyền đạt kiến thức cho tôi trong
suốt quá trình học tại trường.

-

PGS. TS. Dương Nguyên Khang đã hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt thời
gian thực hiện đề tài.

-

KS. Nguyễn Minh Triết đã giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài đúng thời gian.

-

Các anh chị tại điểm Biogas trường ĐH Nông Lâm TP Hồ Chí Minh đã tận tình

động viên giúp đỡ.

-

Các bạn trong tập thể lớp DH08SH đã chia sẻ những buồn vui, khó khăn cũng như
nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực tập.

-

Con xin cảm ơn cha, mẹ Người đã sinh thành, nuôi dưỡng con nên người, luôn sẵn
sàng giúp đỡ khi con gặp khó khăn cũng như tạo mọi điều kiện cho con hoàn thành
khóa luận tốt nghiệp.
Sinh viên thực hiện

Trần Hiếu Nhân

i


TÓM TẮT
Nền nông nghiệp và công nghiệp hiện đại tiêu tốn nhiều năng lượng mà chủ yếu là
năng lượng hóa thạch. Hiện năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt. Cần một nguồn
năng lượng tái tạo để thay thế và đáp ứng nhu cầu kinh tế. Giải pháp khí hóa sinh khối có
thể đáp ứng được yêu cầu đó. Nhưng trong khí gas được tạo ra có chứa khí CO2 khí gây
hiệu ứng nhà kính. Than sinh học có khả năng hấp thụ CO2. Nên có thể sử dụng than sinh
học để loại bỏ khí CO2 có trong khí gas
Đề tài được thực hiện từ tháng 2/2012 đến 7/2012 tại điểm Biogas, trường đại học
Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh. Mục tiêu của đề tài là khảo sát khả năng lọc khí gas từ lò
đốt khí gas từ nguyên liệu trấu và thân khoai mì bằng than sinh học.
Thí nghiệm được bố trí theo kiểu đơn nguyên tố và phương pháp hoàn toàn ngẫu nhiên

CRD, được thực hiện với một nhân tố là nguyên liệu trấu và thân khoai mì với 6 lần lập
lại. Thí nghiệm có 2 nghiệm thức; Nghiệm thức 1 (NT1): 1,2 kg trấu đốt trong lò đốt khí
gas để thu khí gas sinh ra và dùng 140 g than sinh học này cho vào bình lọc để lọc khí
gas; Nghiệm thức 2 (NT2): 1,2 kg thân khoai mì đốt trong lò đốt khí gas để thu khí gas
sinh ra và dùng 140 g than sinh học này cho vào bình lọc để lọc khí gas.
Kết quả cho thấy hiệu suất thu hồi than trên các nghiệm thức 1 và 2 lần lượt là 44,04%
và 37,28%. Tổng lượng khí cho qua lọc trên các nghiệm thức 1 và 2 lần lượt là 7,23 m3
và 5,03 m3. Khả năng lọc của biochar đối với nghiệm thức 1 cho thấy lượng CO 2 giảm từ
30,5% xuống còn 6,86%. Tương tự, khả năng lọc của biochar đối với nghiệm thức 2 cho
thấy lượng CO2 giảm từ 34,23% xuống còn 14,25%. Điều này cho thấy biochar có khả
năng loại bỏ khí CO2 có trong khí gas thu được từ quá trình khí hóa nguyên liệu.

ii


SUMMARY

Modern agriculture and industrial consuming energy mainly fossil energy. The more
fossil fuel depletion. Requestion a renewable energy source to replace and response
economic needs. Biomass gasification solutions can meet that requirement. But syngas
contain CO2 causing greenhouse gases. Biochar has the ability to absorb CO2. So be able
to use biochar to remove CO2 in the gas
The study carried out from 02/2012 to 07/2012 at Biogas Center, in Nong lam
University, Ho Chi Minh City. This study aim to evaluate the effect on reducing carbon
dioxide that produced from gasifier on different type of materials as rice husk and
cassava-trunk by used rice husk biochar.
The study was arranged as single factor and using Completely Randomized Design
(CRD). This study was carried out one factor with 6 duplicates. There were two
treatments; Treatment I with 1.2 kg rice husk was supplied to downdraft gasifier to collect
the syngas and used 140 g rice husk biochar that stored in box for filtering the syngas;

Treatment II with 1.2 kg cassava-trunk was supplied to downdraft gasifier to collect the
syngas and used 140 g rice husk biochar that stored in box for filtering the syngas.
The results shown that the recovery of biochar on the treatments 1 and 2 were 44.04
and 37.28%, respectively. Total gas produced by rice husk and cassava-trunk were 7.23
m3 and 5.03 m3, respectively. The syngas produced by rice husk and cassava-trunk were
reduced from 30.5% to 6.86% and 34.23% to 14.25%, respectively. The conclusion from
this study that rice husk biochar could be filtered the syngas.

iii


MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN ........................................................................................................... i
TÓM TẮT ................................................................................................................ ii
SUMMARY ............................................................................................................ iii
MỤC LỤC ............................................................................................................... iv
DANH SÁCH CÁC BẢNG .................................................................................... vii
DANH SÁCH CÁC HÌNH .................................................................................... viii
Chương 1 MỞ ĐẦU ................................................................................................. 1
1.1.

Đặt vấn đề ....................................................................................................... 1

1.2.

Yêu cầu........................................................................................................... 2

1.3. Nội dung thực hiện............................................................................................. 2
Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU ......................................................................... 3
2.1. Khí hóa (gasification)......................................................................................... 3

2.1.1. Khí hóa là gì? .................................................................................................. 3
2.1.2. Các loại thiết bị khí hóa................................................................................... 3
2.1.2.1 Kiểu gas đi lên (updraft)................................................................................ 3
2.1.2.2 Kiểu gas đi xuống (downdraft) ...................................................................... 4
2.1.2.3 Kiểu gas đi ngang.......................................................................................... 4
2.1.2.4. Kiểu phân tầng gas đi xuống ........................................................................ 5
2.1.2.5 Kiểu tầng sôi ................................................................................................. 5
2.1.3. Các bước đốt cháy sinh khối ........................................................................... 7
2.1.4. Phản ứng hóa học ............................................................................................ 8
2.1.4.1 Vùng cháy ..................................................................................................... 9
2.1.4.2 Vùng phản ứng.............................................................................................. 9
2.1.4.3 Vùng nhiệt phân ............................................................................................ 9
2.1.5. Thành phần khí gas ....................................................................................... 10
2.1.6. Nhiệt độ của khí gas ...................................................................................... 10
2.2. Than sinh học (biochar) ................................................................................... 11
iv


2.2.1. Than sinh học là gì? ...................................................................................... 11
2.2.2. Đặc tính của than sinh học ............................................................................ 11
2.2.3. Cấu trúc của than sinh học ............................................................................ 11
2.2.4. Nguyên liệu dùng để đốt than ........................................................................ 11
2.2.4.1 Trấu ............................................................................................................ 12
2.2.4.2. Thân khoai mì ............................................................................................ 14
2.2.5. Ứng dụng của than sinh học trong nông nghiệp và môi trường ...................... 15
Chương 3. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................ 17
3.1. Thời gian và địa điểm nghiên cứu .................................................................... 17
3.2. Dụng cụ thí nghiệm .......................................................................................... 17
3.3. Xác định độ ẩm nguyên liệu dùng để đốt.......................................................... 19
3.4. Mô tả thí nghiệm .............................................................................................. 20

3.4.1. Mô hình hệ thống lò đốt và thu khí gas.......................................................... 21
3.4.2. Mô hình hệ thống lọc khí gas ........................................................................ 22
3.4.3. Tiến trình thực hiện ....................................................................................... 22
3.5. Phương pháp thí nghiệm .................................................................................. 23
3.5.1. Chọn yếu tố đầu vào cho thí nghiệm ............................................................. 23
3.5.2. Chọn yếu tố đầu ra ........................................................................................ 24
3.6. Bố trí thí nghiệm .............................................................................................. 24
3.7. Phân tích số liệu ............................................................................................... 25
Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................ 26
4.1. Tính toán hiệu suất thu hồi than sinh học ......................................................... 26
4.2. Tổng lượng khí thu được .................................................................................. 27
4.3. Tính toán tổng lượng CO2 sinh ra trên mỗi nguyên liệu.................................... 28
4.4. So sánh trung bình tổng lượng khí CO2 trước và sau khi lọc ............................ 30
4.6. Thảo luận ......................................................................................................... 31
Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .................................................................... 33
5.1. Kết luận ........................................................................................................... 33
5.2. Kiến nghị ......................................................................................................... 33
v


TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................... 34
PHỤ LỤC ............................................................................................................... 36

vi


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1 Thành phần khí gas ............................................................................... 10
Bảng 2.2 Phân tích nguyên tố của trấu .................................................................. 13

Bảng 2.3 Phân tích thành phần của trấu ................................................................ 13
Bảng 2.4 Hiệu suất thu hồi than trấu ..................................................................... 13
Bảng 2.5 Số liệu hấp thụ carbon của than sinh học ............................................... 16
Bảng 3.1 Độ ẩm của trấu thí nghiệm..................................................................... 19
Bảng 3.2 Độ ẩm của thân khoai mì thí nghiệm ..................................................... 20
Bảng 3.3 Bảng bố trí thí nghiệm ........................................................................... 25
Bảng 4.1 Hiệu suất thu hồi than của nguyên liệu trấu và thân khoai mì ................ 26
Bảng 4.2 Tổng lượng khí thu được từ quá trình khí hóa ........................................ 27
Bảng 4.3 Tổng lượng khí CO2 trong khí trước và sau lọc ..................................... 28
Bảng 4.4 Bảng phần trăm CO2 có trong lượng khí gas trước và sau khi lọc .......... 29
Bảng 4.5 Bảng so sánh khí CO2 trước và sau đối với các nguyên liệu ................... 30

vii


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Trang
Hình 2.1 Kiểu gas đi lên ..................................................................................... 4
Hình 2.2 Kiểu gas đi xuống ................................................................................ 4
Hình 2.3 Kiểu gas đi ngang ................................................................................ 5
Hình 2.4 Kiểu phân tầng gas đi xuống ................................................................ 6
Hình 2.5 Kiểu tầng sôi ....................................................................................... 6
Hình 2.6 Nguyên liệu trấu .................................................................................14
Hình 2.7 Nguyên liệu thân khoai mì ..................................................................14
Hình 3.1 Mô hình thiết kế máy gasifier .............................................................17
Hình 3.2 Máy đo thành phần khí Gasmet DX 4030 ...........................................18
Hình 3.3 Cân điện tử Precisa .............................................................................18
Hình 3.4 Tủ sấy .................................................................................................18
Hình 3.5 Bình lọc ..............................................................................................20
Hình 3.6 Lược đồ hệ thống thí nghiệm ..............................................................21

Hình 3.7 Mô hình hóa hệ thống thu khí .............................................................21
Hình 3.8 Mô hình hóa hệ thống lọc khí .............................................................22
Hình 4.1 Than sinh học .....................................................................................26
Hình 4.3 Đồ thị so sánh lượng khí CO2 có trong khí đầu vào và khí đầu ra .......30

viii


Chương 1 MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Sản xuất công nông nghiệp hiện đại đã mang lại giá trị kinh tế cao nhưng cũng cần
nhiều năng lượng đầu vào, đặc biệt là nhiên liệu hóa thạch. Cho đến nay, nhiên liệu hóa
thạch vẫn là nguồn năng lượng chính để phát triển thế giới. Tuy nhiên, nguồn năng lượng
này có hạn ở một số quốc gia và chỉ tập trung ở một số khu vực, nên đã ảnh hưởng đến sự
phát triển chung của thế giới. Với sự tăng giá gần đây và sự khan hiếm của các loại nhiên
liệu nên hiện có xu hướng sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế như năng lượng mặt trời,
gió, nhiệt hạch. Tuy nhiên các nguồn năng lượng đã không thể cung cấp một giải pháp
khả thi về kinh tế cho các ứng dụng trong nông và công nghiệp hiện đại. Trước thực tế đó,
yêu cầu cần có một nguồn năng lượng tái tạo thay thế và đáp ứng được yêu cầu kinh tế.
Trong đó, biogas (khí sinh học) đã và đang là giải pháp cho các nước đang phát triển có
nguồn chất thải nhiều. Lượng khí biogas sinh ra được dùng cho nấu ăn ở hộ gia đình và
còn có thể sử dụng cho máy phát điện đã làm tăng hiệu quả kinh tế hộ gia đình lẫn sản
xuất qui mô lớn. Bên cạnh đó, việc nghiên cứu tiến trình sinh khối khí hóa từ các nguyên
liệu phế thải là vấn đề cần lưu ý. Tiến trình sinh khối khí hóa là quá trình đốt cháy sinh
khối nguyên liệu không đầy đủ trong môi trường yếm khí. Quá trình đốt cháy này đã tạo
ra lượng lớn khí gas có tiềm năng cung cấp năng lượng cho sản xuất ngành công nông
nghiệp hiện nay. Giống như các nguồn năng lượng tái tạo khác, khí hóa sinh khối chỉ sử
dụng chủ yếu phế phẩm nông nghiệp, vừa giảm thiểu ô nhiễm môi trường, vừa đáp ứng
nhu cầu năng lượng, đang khan hiếm hiện nay. Sản phẩm thu được từ quá trình khí hóa là
hỗn hợp khí carbon monoxide (15 - 26,1%), hydro ( 20,6 - 21,6%), carbon dioxide (6,6 10,3%), hơi nước (8,6 - 24,0%) và dạng vết mê-tan. Tuy nhiên khí gasifier thải ra ngoài

có thể gây thiệt hại cho môi trường do sự hiện diện của chất gây ô nhiễm như khí CO2,
chất khí gây hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ trái đất. Ngoài ra còn có H2O sẽ gây cản
trở quá trình đốt cháy của khí gas.
Trong quá trình khí hóa, nồng độ oxy được kiểm soát sẽ tạo ra lượng than sinh học
biochar có giá trị cao. Than sinh học nếu được bón vào đất với lượng lớn có thể giúp làm
1


cân bằng carbon trong tự nhiên từ dạng CO2 tồn tại trong khí quyển sang dạng carbon hữu
cơ trong đất, nó có ý nghĩa trong điều kiện nóng lên của trái đất do sản xuất ra nhiều khí
CO2 gây hiệu ứng nhà kính. Ngoài ra, than sinh học còn có khả năng hấp thụ một số tạp
chất gây ô nhiễm trong nước, khí gas v.v… Xuất phát từ những vấn đề trên, làm sao
nghiên cứu khả năng sản xuất gas từ quá trình khí hóa và lọc khí tạp trong hỗn hợp khí
gas là cần thiết, chúng tôi đã tiến hành đề tài “Khảo sát khả năng hấp thu khí tạp từ lò đốt
gas gasifier của than sinh học”.
1.2. Yêu cầu
Khảo sát khả năng lọc khí gas được khí hóa từ các nguyên liệu trấu và thân khoai
mì của than sinh học (biochar).
1.3. Nội dung thực hiện
-

Đốt và thu khí gas sinh ra từ lò đốt khí gas của các nguyên liệu như trấu và thân

khoai mì. Tính tổng lượng khí gas sinh ra.
-

Khảo sát khả năng hấp thu khí CO2 có trong khí gas được tạo ra từ lò đốt khí gas

của than sinh học.

2


Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Khí hóa (gasification)
2.1.1. Khí hóa là gì?
Quá trình tạo ra khí được gọi là khí hóa, là một phần quá trình đốt cháy nhiên liệu rắn
và thực hiện ở nhiệt độ khoảng 10000C. Các lò phản ứng được gọi là thiết bị khí hóa .
Các sản phẩm đốt từ quá trình đốt hoàn toàn sinh khối bao gồm nitơ, hơi nước, carbon
dioxide và lượng dư oxy. Tuy nhiên, trong quá trình khí hóa thì sản phẩm đốt cháy không
hoàn toàn là các loại khí dễ cháy như carbon monoxide (CO), hydro (H2) và khí mê-tan
dạng vết và sản phẩm không thể sử dụng như hắc ín và bụi. Việc tạo ra khí này bởi phản
ứng của hơi nước và carbon dioxide thông qua một lớp than củi cháy sáng. Vì vậy, chìa
khóa để thiết kế thiết bị khí hóa là tạo điều kiện giống như: sinh khối được giảm xuống
thành than, than được chuyển đổi thích hợp để tạo ra CO và H 2.
2.1.2. Các loại thiết bị khí hóa
Các kiểu hóa gas phụ thuộc bởi sự tiếp xúc giữa không khí và sự nạp nguyên liệu vào
bên trong lò hóa gas, được phân ra các kiểu: kiểu gas đi lên; kiểu gas đi xuống; kiểu gas
đi ngang; kiểu phân tầng gas đi xuống; tầng sôi.
2.1.2.1 Kiểu gas đi lên (updraft)
Thiết bị được minh họa ở hình (2.1), có những ưu điểm và nhược điểm sau:
-

Ưu điểm: dễ sản sinh gas, hiệu suất cao, nhiệt trong gas hâm nóng chất đốt. Nhiệt

độ gas ra khỏi lò hóa gas thấp, làm tăng tuổi thọ của các thiết bị đi kèm.
-

Nhược điểm: gas sinh ra dơ, chứa nhựa, dầu và acid. Kiểu gas đi lên này rất tốn

kém cho việc xử lý lọc gas trước khi đưa vào động cơ.

3


Hình 2.1 Kiểu gas đi lên (Reed, 1981)

Hình 2.2 Kiểu gas đi xuống (Reed, 1981)

2.1.2.2 Kiểu gas đi xuống (downdraft)
Được minh họa ở hình 2.2 có các ưu và nhược điểm sau:
-

Ưu điểm: gas sinh ra ít nhựa và ít dầu chỉ bằng 10% so với kiểu đi lên, nhiệt độ
trong lò duy trì ổn định trong khoảng 800 – 10000C.

-

Nhược điểm: chất đốt có độ ẩm cao không sử dụng được, cấu tạo cổ thắt rất khó
cho việc di chuyển của tro, chỉ thích hợp cho loại chất đốt có thành phần tro ít.

2.1.2.3 Kiểu gas đi ngang
Không khí được cung cấp vào bên trong lò hóa gas xuyên qua ngang miệng hóa gas
được minh họa ở hình (2.3), gas sinh ra đối diện với đường cung cấp không khí. Đây là
một trong ba kiểu hóa gas cơ bản tồn tại từ thế kỷ XIX và có hàng trăm ngàn sản phẩm
được xây dựng để sử dụng làm nguyên liệu cho động cơ nhiều nước châu Âu.

4

Hình 2.3 Kiểu gas đi ngang (Reed,1981)
2.1.2.4. Kiểu phân tầng gas đi xuống
Kiểu này gọi là kiểu mở nắp không cổ thắt, cải tiến từ kiểu gas đi xuống.Bộ phận hóa
gas cơ bản gồm một ống hình trụ với ghi lò ở phía dưới cùng cửa lò với các vùng sấy,
nhiệt phân oxy hóa, khử, tro được minh họa ở hình 2.4. Ưu điểm của loại này là dễ chế
tạo. Nhược điểm là gas sinh ra chứa nhiều nhựa, dầu lẫn trong gas.
2.1.2.5 Kiểu tầng sôi
Với kiểu tầng sôi được minh họa ở hình 2.5, nguyên liệu như vỏ trấu chuyển động bên
trong lò hóa gas với áp lực cao từ quạt làm trấu di chuyển và hóa gas.
-

Ưu điểm: hệ thống hoạt động liên tục giữa các khâu cấp liệu và tháo tro, gọn,
truyền nhiệt tốt do trộn đều và thích hợp với nhiều loại chất đốt.

-

Nhược điểm: phức tạp trong qua trình xử lý tro vì tro và gas cùng một đường ra
nên cần phải thiết kế quạt có cột áp lớn.

5


Hình 2.4 Kiểu phân tầng gas đi xuống
(Reed, 1981)

Hình 2.5 Kiểu tầng sôi (Geldart, 1986)

6

2.1.3. Các bước đốt cháy sinh khối
Một khi biết được các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đốt cháy thì có thể sử dụng
chúng để kiểm soát và tối ưu hóa quá trình. Vì vậy hãy dành một chút thời gian để tìm
hiểu từng bước một cách riêng biệt. Quá trình khí hóa gồm các bước sau:
Bước 1 Sấy khô
Sự thay đổi đầu tiên xảy ra trong quá trình sấy là nước trong nguyên liệu hóa thành hơi.
Lượng nước hóa thành hơi phụ thuộc vào độ ẩm của nhiên liệu thô, trong đó cũng cần xác
định nhiệt đầu vào cần thiết để bốc hơi toàn bộ lượng nước, lượng sinh khối và khối
lượng mất đi để có được nhiên liệu khô.
Bước 2 Nhiệt phân (carbonisation)
Nhiệt độ tăng và hấp thụ nhiệt cuối cùng gây ra một phân hủy hoàn toàn sinh khối, chia
tách thành các chất khí dễ bay hơi, hơi nước và than.
Hơi có chứa các hợp chất carbon từ nhiên liệu khác nhau, được gọi với thuật ngữ
“wood-gas”. Là sản phẩm rắn của giai đoạn than, nó còn được gọi là carbonisation.
Nhiệt phân có thể xảy ra trong trường hợp không có đủ oxy, các yếu tố điều chỉnh
nhiệt. Trong thời gian ngắn: không có nhiệt vào, nhiệt phân không có, không tạo ra woodgas và không có lửa.
Bước 3 Than- gasification
Một khi than được hình thành, các giai đoạn tiếp theo của pha rắn là chuyển đổi các
nguyên tử khí carbon và phần không carbon thành tro.
Điều này chỉ xảy ra nếu oxy có sẵn và than vẫn đủ nóng để phản ứng. Sau đó sự khí
hóa than xảy ra: oxy phản ứng với than rắn, tạo ra carbon monoxide, carbon dioxide và
tạo thêm nhiệt lượng. Phần nhỏ lượng than không cháy giống như tro.
Các yếu tố điều tiết của sự khí hóa than là lượng oxy có sẵn xung quanh than nóng.
Nếu than được làm lạnh và/hoặc cung cấp oxy bị hạn chế, việc chuyển đổi từ than thành
tro không diễn ra và các than sẽ được bảo tồn và tro không được tạo ra.
Bước 4 Khí đốt
Giai đoạn cuối của “khí đốt” là khí bị cháy (đốt) và số lượng lớn nhiệt được phát ra có
thể được sử dụng ví dụ như để nấu ăn.
7

Việc đốt cháy là một loạt các phản ứng oxy hóa, mà chỉ có thể diễn ra nếu có đủ oxy.
Các yếu tố chính điều tiết quá trình đốt cháy là lượng oxy hòa với hơi và gas nóng.
Nếu không có đủ oxy có sẵn, khí gas không thể bị cháy và việc đốt xảy ra không hoàn
toàn và không cháy hết khói, carbon monoxide sẽ được tạo ra.
Hòa trộn hoàn toàn oxy được cung cấp bởi không khí với khí wood-gas và khí than
(nếu sự khí hóa than diễn ra) nóng mới tạo ra, kết hợp với ngọn lửa hiện có, kết quả đốt
cháy hoàn toàn hỗn hợp khí. Ngọn lửa có thể nhìn thấy trong quá trình đốt cháy. Điều
kiện lý tưởng chỉ khi khí bị oxy hóa hoàn toàn, không có năng lượng chưa tiêu thụ thoát
khỏi khu vực cháy có nghĩa là tất cả khí hydrocarbon từ nhiên liệu sinh khối đã được oxy
hóa từ carbon dioxide và hơi nước.
Nếu quá trình đốt cháy không đầy đủ do thiếu oxy hoặc nếu hơi đã nguội xuống dưới
điểm mà chúng sẽ cháy, chúng biến thành khí thải không mong muốn: trong trường hợp
wood - gas trong các dạng đáng chú ý, thường mùi khó chịu, khói. Trong dạng khí than
nó ở dạng carbon monoxide, khí độc không mùi, không thể nhận thấy và không đươc
chấp nhận. Carbon monoxide độc hại và nguy hiểm cho sức khỏe con người.
Năng lượng đầu vào và đầu ra
Mục tiêu của việc đốt cháy sinh khối cho mục đích nấu nướng là để cung cấp nhiệt
lương để làm nóng thức ăn.
Tuy nhiên, phải mất năng lượng để phá vỡ các liên kết hóa học trong các sinh khối rắn.
Vì vậy, hai giai đoạn đầu tiên mô tả sự tiêu thụ nhiệt thực tế, có nghĩa là chúng thu nhiệt.
Đây là lý do tại sao cúng ta cần có một số mồi lửa để bất đầu đốt cháy. Sau khi ngọn lửa
được bắt đầu, nhiệt phát ra bởi các phản ứng đốt cháy cung cấp lượng nhiệt cần thiết để
duy trì ngọn lửa và làm cho nó tự duy trì.
Khi thiết kế một thiết bị để kiểm soát việc đốt sinh khối và điều chỉnh tỷ lệ nhiệt tạo ra,
điều quan trọng cần lưu ý là giai đoạn sấy khô và nhiệt phân được kiểm soát bằng cách
điều chỉnh số lượng nhiệt cho vào sinh khối rắn, trong khi các bước sau đó là quá trình sự
khí hóa than và hơi đốt phụ thuộc vào sự có sẵn của oxygen.
2.1.4. Phản ứng hóa học
Các phản ứng chính sau đây xảy ra ở vùng đốt cháy và vùng giảm:

8


2.1.4.1 Vùng cháy
Các chất dễ cháy của nhiên liệu rắn thường gồm các yếu tố hydro, carbon và oxy.
Trong quá trình đốt cháy hoàn toàn carbon dioxide thu được từ carbon trong nhiên liệu và
nước thu được từ khí hydro, thường là hơi nước. Phản ứng đốt cháy tỏa nhiệt và tạo ra
nhiệt độ của quá trình oxy hóa lý thuyết là 14500C. Các phản ứng chính là:
C + O2 = CO2

(+ 393 MJ/kg mole)

(1)

2H2 + O2 = 2H2O

(- 242 MJ/kg mole)

(2)

2.1.4.2 Vùng phản ứng
Các sản phẩm của quá trình đốt cháy toàn phần (nước, carbon dioxide và các sản phẩm
nhiệt phân không hoàn toàn) đi qua một lớp than nóng nơi mà sự giảm phản ứng xảy ra.
C + CO2 = 2CO

(- 164.9 MJ/kg mole

(3)

C + H2O = CO + H2

(- 122.6 MJ/kg mole)

(4)

CO + H2O = CO2 + H2

(+ 42 MJ/kg mole)

(5)

C + 2H2 = CH4

(+ 75 MJ/kg mole)

(6)

CO2 + H2 = CO + H2O

(- 42.3 MJ/kg mole)

(7)

Phản ứng (3) và (4) là những phản ứng giảm chính là thu nhiệt có khả năng làm giảm
nhiệt độ khí. Do đó nhiệt độ trong trong vùng giảm bình thường là 800 – 10000C. Nhiệt
độ khu vực giảm thấp (~ 700 – 8000C), giá trị năng lượng của khí thấp.
2.1.4.3 Vùng nhiệt phân
Nhiệt phân gỗ là một quá trình phức tạp mà vẫn không hoàn toàn được hiểu rõ. Các sản
phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, thời gian cư trú và tổn thất nhiệt. Tuy nhiên theo
nhận xét chúng có thể hiểu về chúng.

Nhiệt độ tối đa 2000C chỉ có nước bốc hơi. Giữa 200 đến 2800C carbon dioxide, acetic
acid và nước được tạo ra. Nhiệt phân thực tế diễn ra ở khoảng 280 – 5000C, sản xuất
lượng lớn dầu sinh học và các loại khí bao gồm carbon dioxide. Bên cạnh đó dầu sinh học
sáng, một số rượu methyl cũng được hình thành. Từ 500 – 7000C sảm phẩm là lượng ít
khí gas và có chứa khí hydro (Rajvanshi, 1986).

9


Vì vậy nó rất dễ cho thấy rằng thiết bị khí hóa updraft sẽ tạo dầu sinh học nhiều hơn
thiết bị khí hóa downdraft. Trong thiết bị khí hóa downdraft dầu sinh học phải đi qua khu
vực đốt cháy và khu vực giảm và một phần bị phá hủy.
Kể từ khi phần lớn các loại nhiên liệu giống như gỗ và dư lượng sinh khối có lượng lớn
dầu sinh học thiết bị khí hóa downdraft được ưa thích hơn các thiết bị khác. Thực tế phần
lớn các thiết bị khí hóa, cả trong chiến tranh thế giới thứ II và hiện này là loại downdraft.
Cuối cùng, tại khu vực sấy quá trình chính là sấy gỗ. Gỗ được đưa vào thiết bị khí hóa
có độ ẩm 10 -30%. Các thí nghiệm khác nhau trên các thiết bị khí hóa khác nhau trong
các điều kiện khác nhau đã chỉ ra rằng trung bình hình thành ngưng tụ là 6 – 10% trong
lượng của gỗ được khí hóa. Một số acid hữu cơ tạo ra trong quá trình sấy. Những acid ăn
mòn dần thiết bị khí hóa.
2.1.5. Thành phần khí gas
Tỷ lệ phần trăm của gas có trong hỗn hợp được tìm bởi Kaupp (1984) đối với khí hóa
gas từ trấu tại nhiệt độ của lò hóa gas là 10000C, tỷ số tương đương ER = 0,3, ẩm độ của
trấu từ 10 – 40% trình bày ở Bảng 2.1, thành phần CO khoảng 15 – 26,1%, khí H2 khoảng
20–22%. Ẩm độ trấu càng cao thì thành phần CO và H2 càng giảm, nhiệt độ của lò hóa
gas ở 10000C thì lượng khí CH4 không tồn tại.
Bảng 2.1 Thành phần khí gas

2.1.6. Nhiệt độ của khí gas
Nhiệt độ trung bình của khí gas khi thoát khỏi thiết bị khí hóa là khoảng 300-4000C.

Nếu nhiệt độ cao hơn (~ 5000C) nó là một dấu hiệu cho thấy một phần quá trình đốt cháy
khí đang diễn ra. Điều này thường xảy ra khi tốc độ dòng chảy không khí qua thiết bị khí
hóa cao hơn giá trị thiết kế (Rajvanshi, 1986 ).

10


2.2. Than sinh học (biochar)
2.2.1. Than sinh học là gì?
Than sinh học (Black cacbon) là các hạt mịn và xốp, được hình thành từ việc đốt cháy
không hoàn toàn sinh khối hữu cơ như gỗ, lá, phụ phẩm thực vật… trong điều kiện thiếu
oxy. Than sinh học có mặt ở mọi nơi trên trái đất do đặc tính nhẹ, dễ bay theo gió, dễ bị
cuốn trôi do xói mòn đất. Định nghĩa được thông qua bởi tổ chức sáng kiến than sinh học
quốc tế (IBI). Than sinh học có nhiều đặc tính quan trọng do đó được ứng dụng nhiều
trong việc cải tạo đất nông nghiệp và môi trường đã được quan tâm sử dụng nhiều trên thế
giới (Trần Thanh Thảo, 2011).
2.2.2. Đặc tính của than sinh học
Kuwagaki (1990) đề xuất bảy tính chất cho việc đánh giá chất lượng sử dụng than sinh
học trong nông nghiệp: pH, hàm lượng hợp chất dễ bay hơi, tro, khả năng giữ nước, mật
độ lỗ hạt, khối lượng, và diện tích bề mặt. Nguyên liệu là yếu tố quyết định tính chất lý
hoá của than sinh học.
2.2.3. Cấu trúc của than sinh học
Cấu trúc than sinh học phân lớn là vô định hình nhưng có chứa một số cấu trúc tinh thể
cố định liên kết cao với các hợp chất thơm (Downie và cs, 2009). Các hạt tinh thể trong
cấu trúc có đường kính vài nanometers và hỗn hợp graphite-dạng lớp được sắp xếp theo
dạng turbostratically (tức là các lớp không được xếp theo hang). Ngoài ra các tấm
grapheme liên kết theo một dạng ngẫu nhiên, và than sinh học cũng chứa các hợp chất
hữu cơ thơm trong cấu trúc phức tạp của mình (bao gồm cả các chất bay hơi còn lại) và
các hợp chất khoáng (tro vô cơ). Cuối cùng, có những khoảng trống trong cấu trúc than
sinh học như các lỗ nhỏ (vĩ mô, trung mô, và vi mô), vết nứt và hình thái có nguồn gốc từ

sinh khối tế bào. Đó là cấu trúc đặc biệt của than sinh học có chứa một số đặc điểm khác
thường. Các nguyên tử carbon gắn kết chặt chẽ với nhau và nó giúp cho chúng có khả
năng chống sự tác động và phân hủy bởi vi sinh vật.
2.2.4. Nguyên liệu dùng để đốt than
Nguyên liệu được sử dụng trong các cơ sở sản xuất bao gồm vỏ bào và bột gỗ, chất thải
nông nghiệp (rơm rạ, vỏ hạt và vỏ trấu), cỏ, chất thải hữu cơ bao gồm cả phế phẩm từ
trong các hạt, bã mía từ ngành công nghiệp mía và chất thải ô liu (Yaman, 2004), phân gà
11


(Das và cs, 2008), chất thải từ nhà máy sữa, nước thải bùn (Shinogi và cs, 2002) và từ
công nghệ sản xuất giấy.
Tỷ lệ các nguyên tố cacbon, oxy và hydro trong nguyên liệu quyết định chất lượng của
các sản phẩm nhiên liệu (Friedl và cs, 2005). Các nguyên liệu được sử dụng trong việc tạo
dầu sinh học và nhiên liệu khí có lượng khoáng và N thấp. Bao gồm gỗ và sinh khối cây
trồng, loại cỏ cho năng suất cao, và một loạt các cây thân thảo khác. Có nhiều nguyên liệu
phong phú, có sẵn và chi phí thấp như phụ phẩm nông nghiệp (rơm, vỏ ngũ cốc). Tỷ lệ
thành phần các Hemi - cellulose, cellulose và lignin quyết định tỷ lệ bay hơi cacbon
(trong dầu sinh học và khí gas) và quyết định độ bền cacbon (trong than sinh học) trong
các sản phẩm nhiệt phân. Nguyên liệu có thành phần lignin cao cung cấp sản lượng than
sinh học cao nhất khi nhiệt phân ở nhiệt độ trung bình (khoảng 500°C) (Fushimi và cs,
2003; Demirbas, 2006).
2.2.4.1 Trấu
Vỏ trấu có rất nhiều tại Đồng bằng sông Cửu Long và Đồng bằng sông Hồng, 2 vùng
trồng lúa lớn nhất cả nước. Chúng thường không được sử dụng hết nên phải đem đốt hoặc
đổ xuống sông suối để tiêu hủy. Theo khảo sát, lượng vỏ trấu thải ra tại Đồng bằng sông
Cửu Long khoảng hơn 3 triệu tấn/năm, nhưng chỉ khoảng 10% trong số đó được sử dụng.
Sử dụng vỏ trấu làm chất đốt: Từ lâu, vỏ trấu đã là một loại chất đốt rất quen thuộc với
bà con nông dân, đặc biệt là bà con nông dân ở vùng đồng bằng sông Cửu Long. Chất đốt
từ vỏ trấu được sử dụng rất nhiều trong cả sinh hoạt (nấu ăn, nấu thức ăn gia súc) và sản

xuất (làm gạch, sấy lúa). Trấu là nguồn nguyên liệu rất dồi dào và lại rẻ tiền: Sản lượng
lúa năm 2007 cả nước đạt 37 triệu tấn, trong đó, lúa đông xuân 17,7 triệu tấn, lúa hè thu
10,6 triệu tấn, lúa mùa 8,7 triệu tấn. Như vậy lượng vỏ trấu thu được sau xay xát tương
đương 7,4 triệu tấn.
Thành phần là chất xơ cao phân tử rất khó cho vi sinh vật sử dụng nên việc bảo quản,
tồn trữ rất đơn giản, chi phí đầu tư ít.
Đối với sản xuất tiểu thủ công nghiệp và chăn nuôi, trấu cũng đưọc sử dụng rất thường
xuyên. Thông thường trấu là chất đốt dùng cho việc nấu thức ăn nuôi cá hoặc lợn, nấu

12


rượu và một lượng lớn trấu được dùng nung gạch trong nghề sản xuất gạch tại khu vực
đồng bằng sông Cửu Long.
Trấu gồm các nguyên tố cấu thành như: cacbon, hydro, oxy, nitơ và lưu huỳnh. Trong
đó 35,8 – 42,1% là C, 5% H, 2% N, 0,1% S, 33% O và 17 – 26% tro (www.ecoenergyvn.com).
Trấu chứa khoảng 14 - 17% cacbon cố định, 54 - 70% chất bốc hơi và 17 – 26% tro, tro
chứa khoảng 80 – 85% silica Bảng 2.3.
Bảng 2.2 Phân tích nguyên tố của trấu (trích dẫn bởi Phan Hiếu Hiền, 1993)

Bảng 2.3 Phân tích thành phần của trấu (Phan Hiếu Hiền, 1993)

Bảng 2.4 Hiệu suất thu hồi than trấu (Trần Thanh Thảo, 2011)
Yếu tố

Trấu

Vận tốc gió (m/h)

26,7

54,5

73,3

Khối lượng than (g)

500

450

367

Ảm độ than (%)

12,2

18,5

8

Hiệu suất (%)

49,9

40,6

38

13

Hình 2.6 Nguyên liệu trấu
2.2.4.2. Thân khoai mì

Hình 2.7 Nguyên liệu thân khoai mì
Trong năm 2010, cây khoai mì là loại cây trồng của Việt Nam xuất khẩu đứng thứ 2
thế giới, sau Thái Lan. Trung Quốc là nước nhập khoai mì Việt Nam nhiều nhất do nhu
cầu tinh bột sắn để chế biến thực phẩm, tinh bột biến tính, công nghiệp cồn ethanol và
nhiên liệu phát triển nhanh kéo theo nhu cầu nhập khẩu khoai mì của Trung Quốc tăng
cao. Vì vậy, từ một cây lương thực phụ, khoai mì trở thành cây lương thực chính và là
loại nông sản xuất khẩu chủ lực của Việt Nam với diện tích trồng ngày càng mở rộng.
Trong vụ sản xuất năm 2011, riêng ở huyện Thạnh Hóa tỉnh Long An; chủ yếu trên các
xã Tân Tây, Thủy Đông và Thạnh An; nông dân trồng gần 200 hecta khoai mì, các diện
tích khoai mì được nông dân trồng luân canh trên đất khoai mỡ sau khi đã thu hoạch.

14


Khoai mì có tên khoa học là Manihot esculenta là cây lương thực ưa ẩm, nó phát
nguồn từ lưu vực sông Amazone Nam Mỹ. Đến thế kỉ XVI mới được trồng ở châu Á và
Phi. Ở nước ta, khoai mì được trồng ở khắp nơi từ nam chí bắc nhưng do quá trình sinh
trưởng và phát dục của khoai mì kéo dài, khoai mì giữ đất lâu nên chỉ các tỉnh trung du và
thượng du Bắc Bộ như: Phú Thọ, Tuyên Quang, Hòa Bình … là điều kiện trồng trọt thích
hợp hơn cả.
Khoai mì trồng ở Việt Nam có nhiều giống. Nông dân thường căn cứ vào kích tấc, màu
sắc củ, thân, gân lá và tính chất khoai mì đắng hay ngọt (quyết định bởi hàm lượng axit
HCN cao hay thấp) mà tiến hành phân loại.
Thông thường nông dân thường trồng khoai mì chính vụ vào khoảng từ tháng 2 đến
tháng 4. Và ở mỗi miền, thời gian thu hoạch khác nhau tùy thuộc điều kiện khí hậu từng

vùng. Ở miền Bắc, trồng khoai mì vào tháng 3 là thuận lợi nhất vì lúc này có mưa xuân
ẩm, trời bắt đầu ẩm, thích hợp cho cây sinh trưởng, hình thành và phát triển củ. Vùng Bắc
Trung Bộ, tháng 1 thích hợp nhất cho việc trồng khoai mì. Vùng Nam Trung Bộ, khoai mì
có thể trồng trong khoảng tháng 1 đến tháng 3, trong điều kiện nhiệt độ tương đối cao và
thường có mưa đủ ẩm. Một số nơi bà con có thể trồng sớm hơn 1-2 tháng nhưng cùng thu
hoạch vào tháng 9, tháng 10 trước mùa mưa lũ. Vùng Tây Nguyên, Đông Nam Bộ, khoai
mì trồng chủ yếu vào cuối mùa khô, đầu mùa mưa (tháng 4 hay tháng 5) trong điều kiện
nhiệt độ cao ổn định và có mưa đều. Những nơi có điều kiện chủ động nước ở đồng bằng
sông Cửu Long, khoai mì thường trồng ngay từ đầu năm để kịp thu hoạch trước mùa lũ.
Khi thu hoạch người ta thường lấy phần củ của khoai mì vì đây là phần chứa hầu hết
tinh bột của một số chất có lợi. Thân khoai mì thì trở thành phế phẩm nông nghiệp. Vì thế
có thể tận dụng nguồn phế phẩm này trong việc tạo nguồn năng lượng cho nấu nướng
(skhdt.longan.gov.vn).
2.2.5. Ứng dụng của than sinh học trong nông nghiệp và môi trường
Về mặt môi trường, than sinh học nhiệt phân từ than củi đốt truyền thống và than hóa
thông thường có thời gian tồn tại trong đất trên ngàn năm (Skjemstad và cs, 1998; Swift,
2001). Than sinh học được bón vào đất qui mô lớn, có thể giúp làm dịch chuyển cân bằng
cacbon trong tự nhiên từ dạng CO2 tồn tại trong khí quyển sang dạng cacbon hữu cơ trong
đất. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong bối cảnh nóng lên toàn cầu như hiện nay do tích
15