Cải thiện chất lượng của khí sản phẩm (độ sạch và nhiệt trị) thu được từ công nghệ khí hóa trẩu kiểu updraft thông qua sử dụng xúc tác và khảo sát tối ưu các tác nhân khí hóa gasification agent
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.16 MB, 105 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----o0o-----
NGƠ NGỌC THƯỜNG
CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG CỦA KHÍ SẢN PHẨM
(ĐỘ SẠCH VÀ NHIỆT TRỊ) THU ĐƯỢC TỪ CÔNG NGHỆ
KHÍ HỐ TRẤU KIỂU UPDRAFT THƠNG QUA SỬ DỤNG
XÚC TÁC VÀ KHẢO SÁT TỐI ƯU CÁC TÁC NHÂN
KHÍ HỐ “GASIFICATION AGENT”
Chuyên ngành : Kỹ thuật Hóa dầu
Mã số : 60520330
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2019
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. HUỲNH QUYỀN
Chữ ký:..................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1: ......................................................................
Chữ ký:..................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2: ......................................................................
Chữ ký:..................................................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày
10 tháng 01 năm 2019.
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch:
................................... ....................................................
2. Phản biện 1:
.................................... ....................................................
3. Phản biện 2:
.................................... ....................................................
4. Ủy viên:
................................... ....................................................
5. Ủy viên, thư ký: .................................. ...................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TRƯỞNG KHOA
GS.TSKH. Lưu Cẩm Lộc
GS.TS. Phan Thanh Sơn Nam
Luận văn Thạc sĩ
HVTH: Ngô Ngọc Thường
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---o0o---
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
---o0o---
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
I.
Họ tên học viên:
Ngô Ngọc Thường
MSHV:
7140810
Ngày, tháng, năm sinh:
17/10/1972
Nơi sinh:
Hưng Yên
Chuyên ngành:
Kỹ thuật Hóa dầu
Mã số:
60520330
TÊN ĐỀ TÀI
Cải thiện chất lượng của khí sản phẩm (độ sạch và nhiệt trị) thu được từ cơng nghệ khí
hố trấu kiểu updraft thông qua sử dụng xúc tác và khảo sát tối ưu các tác nhân khí hố
“gasification agent”.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
Trên cơ sở phân tích các nghiên cứu đã và đang triển khai, đặc biệt tình hình nghiên cứu
và tiềm năng ứng dụng tại Việt Nam về cơng nghệ khí hố trấu cho việc sản xuất năng
lượng, đề tài này hướng đến mục tiêu cải thiện công nghệ khí hố trấu kiểu Updraft với
mục đích giảm tối đa sự hình thành tar thơng qua việc khảo sát tối ưu các tác nhân khí
hố “Gasification Agent” và nghiên cứu tổng hợp xúc tác, thử nghiệm khí hố trấu với
sự có mặt của xúc tác được tổng hợp trên hệ thống. Để thực hiện mục tiêu này các nội
dung nghiên cứu chính sẽ được thực hiện, cụ thể:
-
Nghiên cứu xây dựng, lắp đặt hệ thống khí hố kiểu updraft, quy mô hệ thống, năng
suất theo nguyên liệu trấu 100 - 1000g trấu/h để triển khai các nghiên cứu khảo sát
thực nghiệm.
-
Nghiên cứu thực nghiệm tiến hành khảo sát các tác nhân khí hố chọn lựa (khơng
khí, hơi nước) trên hệ thống nhằm so sánh hiệu ứng của các tác nhân đến hiệu suất
thu hồi sản phẩm khí cao, độ chọn lọc cao, hàm lượng tar trong sản phẩm thấp nhất.
-
Nghiên cứu khảo sát hiệu ứng xúc tác của một số nguyên vật liệu được chọn lựa từ
nguyên liệu có sẵn tại Việt Nam. Các loại nguyên vật liệu được định hướng sử dụng
như bentonite thơ có nguồn gốc từ Bình Thuận, dolomite hoặc Ni/ Based.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày ký Quyết định giao đề tài): 20/08/2018.
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/12/2018.
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. Huỳnh Quyền
Trang ii
Luận văn Thạc sĩ
HVTH: Ngô Ngọc Thường
Tp.HCM, ngày 10 tháng 12 năm 2018
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
PGS.TS. Huỳnh Quyền
ThS. Đào Thị Kim Thoa
TRƯỞNG KHOA
GS.TS. Phan Thanh Sơn Nam
Trang iii
Luận văn Thạc sĩ
HVTH: Ngô Ngọc Thường
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên em xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Huỳnh Quyền, người đã hướng dẫn và
truyền đạt cho em những kiến thức q báu trong suốt q trình hồn thành khóa học
Thạc sĩ cũng như trong giai đoạn thực hiện luận văn.
Em cũng xin cảm ơn Quý Thầy/ Cô thuộc Bộ môn Cơng nghệ Chế biến Dầu khí, Khoa
Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã giảng dạy,
truyền đạt cho chúng em nhiều kiến thức bổ ích trong suốt khóa học.
Em xin cảm ơn Phịng Đào tạo sau Đại học trường Đại học Bách Khoa đã tạo điều kiện
thuận lợi để em hồn thành khóa học.
Và luôn biết ơn, ghi tâm sự đồng hành của gia đình, sự giúp đỡ, động viên của gia đình,
bạn bè, đồng nghiệp giúp em vượt qua những khó khăn để hồn thành khóa học này.
Trân trọng./.
Học viên: Ngơ Ngọc Thường
Trang iv
Luận văn Thạc sĩ
HVTH: Ngơ Ngọc Thường
TĨM TẮT LUẬN VĂN
Hiện nay trên thế giới, công nghệ chế biến biomass được xem như một giải pháp hữu
hiệu và thân thiện với môi trường để tạo ra các dạng năng lượng (nhiệt, điện). Biomass là
một kênh đầu tư khả thi về mặt tài chính. Việc phát triển và thực hiện các cơng nghệ
biomass có thể mang lại nhiều lợi ích như: tạo nguồn năng lượng cho sự phát triển kinh
tế bền vững, giải quyết các vấn đề quan trọng như: không gây ô nhiễm môi trường và
cung cấp nguồn năng lượng tái tạo. Công nghiệp chế biến biomass với nguồn nguyên
liệu như rơm rạ, trấu… với định hướng thu hồi năng lượng (nhiệt, điện) thì cho đến hiện
nay phương pháp khí hóa theo con đường tạo thành khí tổng hợp (H2, CO và
hydrocarbon) là phương pháp chuyển đổi năng lượng hiệu quả nhất, khả năng ứng dụng
ở quy mô công nghiệp cao, không ô nhiễm.
Việt Nam là 1 trong những quốc gia có tiềm năng để sản xuất năng lượng từ nguồn
nguyên liệu biomass lớn, không gây ô nhiễm và đặc biệt là giải pháp cho vấn đề hiệu
ứng nhà kính so với các nguồn ngun liệu khác. Chính vì thế, từ nhiều năm trở lại đây,
cơng nghệ khí hóa các nguồn biomass như rơm rạ, trấu, rác thải hữu cơ… đã được tập
trung nghiên cứu và phát triển. Tuy nhiên cho đến hiện nay, cơng nghệ khí hóa biomass
chưa thể trở thành công nghệ thương mại do những hạn chế như: vấn đề hình thành cặn
(tar) trong q trình khí hóa, chưa có cơng nghệ và các tham số vận hành tối ưu cho hệ
thống biomass, chất lượng của sản phẩm khí hóa như độ sạch và nhiệt trị của khí sản
phẩm chưa đạt yêu cầu… Những hạn chế đó đã đặt ra những vấn đề cần tiếp tục nghiên
cứu để từng bước hồn thiện cơng nghệ khí hố và đưa vào ứng dụng trong thực tiễn. Vì
vậy, mục tiêu chính của luận văn tập trung nghiên cứu giải quyết các vấn đề như:
-
Hạn chế sự hình thành cặn (tar), yếu tố này sẽ gây tắc nghẽn hệ thống thiết bị cơng
nghệ trong q trình vận hành.
Luận văn đã xây dựng và lắp đặt hệ thống khí hố kiểu updraft, từng bước hồn thiện
cơng nghệ khí hố như sau:
-
Nghiên cứu xây dựng và lắp đặt hệ thống khí hố kiểu updraft, quy mô năng suất hệ
thống qui mô nhỏ theo nguyên liệu trấu là 100 - 1000g trấu/h để triển khai các
nghiên cứu khảo sát thực nghiệm.
-
Kết quả nghiên cứu chứng minh một lần nữa về khả năng có thể giảm Tar thơng qua
sử dụng tác nhân khí hố là hơi nước. Nghiên cứu này hồn tồn có cơ sở khoa học
khi dựa trên nguyên lý phản ứng cracking biomass (một dạng dẫn xuất của
hydrocarbon mạch dài) với sự có mặt của hơi nước. Sự có mặt của hơi nước cho
phép tăng cường được hiệu suất chọn lọc cho sản phẩm khí hydro (gấp 4 lần so với
tác nhân khơng khí), đây là các thành phần mong muốn có trong sản phẩm nhiên liệu
khí của q trình khí hố. Bên cạnh đó, việc sử dụng tác nhân là hơi nước cũng giảm
được 30% sản phẩm Tar.
-
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm phối hợp khí hố có xúc tác và tác nhân khí hố hơi
nước cho phép tăng được độ chọn lọc của hydro hơn 9 lần (hàm lượng hydro trong
nhiên liệu khí đạt gần 60%), đồng thời hàm lượng tar giảm gần 69% so với trường
hợp khí hố khơng sử dụng xúc tác trong cùng điều kiện khí hố.
Trang v
Luận văn Thạc sĩ
-
HVTH: Ngô Ngọc Thường
Nghiên cứu khảo sát hiệu ứng xúc tác của một số nguyên vật liệu được chọn lựa từ
nguyên liệu có sẵn tại Việt Nam. Các loại vật liệu được định hướng sử dụng như
bentonite thơ có nguồn gốc từ Bình Thuận, dolomite hoặc Ni/ Based. Việc sử dụng
xúc tác dạng khoáng bentonite cho phép tăng cường được độ chọn lọc của sản phẩm
khí hydro. Độ chọn lọc của sản phẩm hydro tăng hơn 5 lần và đạt trên 40% trong
thành phần khí nhiên liệu so với trường hợp khí hố khơng sử dụng xúc tác trong cùng
điều kiện. Hàm lượng tar giảm gần 50% so với trường hợp không sử dụng xúc tác.
Đề tài nghiên cứu bước đầu đạt những kết quả thử nghiệm có thể nói đáng ghi nhận
trong nghiên cứu sâu về q trình khí hố bằng việc khảo sát ảnh hưởng tác nhân hơi
nước và sử dụng khoáng bentonite cho mục tiêu tăng chất lượng nhiên liệu khí (giàu
hydro, CO), giảm sản phẩm tar là một trong những nguyên nhân gây khó khăn trong q
trình triển khai cơng nghệ khí hố, giảm hiện tượng tắc nghẽn đường ống công nghệ. Với
thời gian ngắn và hạn chế về thiết bị, nhưng kết quả nghiên cứu đề tài có thể xem là cơ
sở khoa học, giúp cho các nhà nghiên cứu công nghệ có những cơ sở và định hướng để
từng bước
thực hiện đưa cơng nghệ khí hố và ứng dụng trong thực tế một cách hiệu quả và bền
vững.
Trang vi
Luận văn Thạc sĩ
HVTH: Ngô Ngọc Thường
ABSTRACT
Biomass is currently seen as an economically viable and environmentally friendly
solution to energy generation (steam and electricity) in the world. Biomass is a
financially viable investment as well as being environmentally friendly. The
development and implementation of biomass technologies could bring many
environmental, energetically and economic benefits, solving important problems such as
waste disposal and renewable energy supply. The biomass processing industry with
energy recovery orientation of process heat (steam and electricity), which method for
producing synthesis gas (a mix of H2, CO and hydrocarbon) is the highest conversion
efficiency, energetically and economic benefits, waste disposal.
Vietnam has huge potential from biomass material to produce energy, non-polluting and
especially a solution to the problem of greenhouse gas emissions decreased compared to
other sources. Therefore, from many years ago, gasification technology of biomass
sources such as straw, rice husk and organic waste has been researched and developed.
However, up to now, biomass gasification technology have still not become commercial
technology due to the restrictions such as: tars formation in the gasification process, the
lack of technology and optimal operating parameters for the biomass system, the quality
of gas products. Such as cleanliness and calorific value of gas products not meet the
requirements. These restrictions have raised these issues that need to be further
researched in order to gradually improve the gasification technology. Therefore, the
main objective of the dissertation is to study problems such as:
-
To limit to tars formation, this factor will clog up the equipment system of the
biomass gasification technology during the operation, especially when the
technology is deployed on a large scale, causing to difficulties in optimal operating
parameters for the biomass system and to develop a more efficient design.
-
To perfect the gasification technology on a large scale, optimization by improving
the energy conversion efficiency and this problem is closely related to the operating
mode which is one of the efficiency determinant key.
The thesis has built up the installation/design of gas updraft system, gradually improve
the gasification technology as follows:
-
To research/ design into the construction of biomass gasification_updraft system,
capacity of the pilot updraft system with the raw material_rice husk is 100-1000g/h.
-
The results once again demonstrate the possibility of tar reduction through the use of
gasification gas steam. This research is based on the principle of cracking catalysts
in the biomass gasification process (a type of hydrocarbon derivative) with the
presence of gas steam. The presence of gas steam allows for improved selectivity of
hydrogen products (up to four times with air usage), which are the desired
components in the gas products of the gasification process. In addition, the use of
gas steam is also reduced by 30% of the Tar product.
Trang vii
Luận văn Thạc sĩ
HVTH: Ngô Ngọc Thường
-
Experimental results between catalytic gasification combined with steam
gasification allow the selectivity of hydrogen is up to more 9 times (hydrogen
content is nearly 60% in gaseous fuels), at the same gasification condition, the tar
content decreases by nearly 69% with the use of non-catalytic gasification.
-
Study on catalytic effects from available sources in Vietnam. Raw bentonite
catalytic source (dolomite or Ni/ Based) from Binh Thuan is used. This material,
acting` as a catalyst allows for improved selectivity of hydrogen products. The
selectivity of hydrogen products are more than 5 and this achieves more 40% of the
fuel gas product composition at the same gasification condition. Tar content
decreases by nearly 50% with the use of non-catalytic gasification.
The thesis has achieved remarkable results in the study on gasification process
technology by investigating the effect of gas steam and use of bentonite catalysis for the
purpose of increasing fuel gas quality (rich in hydrogen, CO), reducing of tar products is
one of the technical difficulties in the large-scale gasification technology, reducing of the
congestion in piping system. With short time and limited equipment, the results strongly
support that evaluation of the technological properties of bentonite can be considered as
a scientific basis to help the technology researchers have the basis and orientation to
gradually implement technology gasification and practical application in efficient and
sustainable economy.
Trang viii
Luận văn Thạc sĩ
HVTH: Ngô Ngọc Thường
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam kết luận văn này được hoàn thành dựa trên các kết quả nghiên cứu của tôi và
các kết quả của nghiên cứu này chưa được dùng cho bất cứ luận văn cùng cấp nào khác.
Tp. HCM, ngày 10 tháng 12 năm 2018
Ngô Ngọc Thường
Trang ix
Luận văn Thạc sĩ
HVTH: Ngô Ngọc Thường
MỤC LỤC
Trang
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
ii
LỜI CẢM ƠN
iv
TÓM TẮT LUẬN VĂN
v
ABSTRACT
vii
LỜI CAM ĐOAN
ix
MỤC LỤC
x
DANH MỤC BẢNG
xii
DANH MỤC HÌNH
xv
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
xvii
CHƯƠNG 1. LỜI MỞ ĐẦU
1.1.
1
Tổng quan về tình hình năng lượng, các nghiên cứu về công nghệ thu hồi năng
lượng từ biomass
1
1.1.1. Tình hình sử dụng và xu hướng năng lượng trên thế giới
1
1.1.2. Tình hình nghiên cứu về cơng nghệ sản xuất năng lượng từ biomass – Cơng nghệ
khí hố biomass
1
1.1.3. Nghiên cứu cơng nghệ khí hố ngun liệu biomass (trấu) tại Việt Nam
4
1.1.4. Tiềm năng về nguồn nguyên liệu biomass tại Việt Nam
5
1.2.
Nguyên liệu biomass và cơ sở khoa học của q trình khí hố biomass
1.2.1. Ngun liệu biomass
8
1.2.2. Cơ sở khoa học q trình chuyển hố sản xuất năng lượng từ nguyên liệu trấu
1.3.
8
Xúc tác và cơ sở khoa học cho việc ứng dụng xúc tác vào quá trình khí hố
11
21
1.3.1. Xúc tác và sự ứng dụng trong q trình khí hố trấu (biomass)
21
1.3.2. Các loại xúc tác ứng dụng cho phản ứng của q trình khí hố
22
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN THIẾT KẾ HỆ THỐNG THỬ NGHIỆM VÀ KỸ
THUẬT PHÂN TÍCH
28
2.1.
Thiết kế, chế tạo và lắp đặt hệ thống thử nghiệm
28
2.2.
Cơ sở và phương pháp tính các thơng số của q trình khí hóa trấu
29
2.3.
Kỹ thuật sử dụng phân tích
29
2.3.1. Phương pháp phân tích bề mặt riêng của xúc tác
29
2.3.2. Phân tích mẫu khí sản phẩm khí hố
30
Trang x
Luận văn Thạc sĩ
2.4.
HVTH: Ngơ Ngọc Thường
Quy trình thực nghiệm và phương pháp tính tốn
32
2.4.1. Xúc tác và tác nhân khí hố
35
2.4.2. Các thí nghiệm và ký hiệu
37
2.4.3. Khảo sát xúc tác
38
CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM-THỬ NGHIỆM TRÊN HỆ
THỐNG QUY MƠ NHỎ
39
3.1.
Mơ tả hệ thống và thiết bị hệ thống quy mô nhỏ (công suất 100-1000g trấu/ mẻ)
39
3.2.
Kết quả thực nghiệm và đánh giá khả năng ứng dụng
41
3.2.1. Khảo sát hiệu ứng của tác nhân khí hóa
41
3.2.2. Khảo sát hiệu ứng xúc tác
46
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
71
4.1.
Kết luận
71
4.2.
Kiến nghị
72
PHỤ LỤC
76
PHỤ LỤC 1: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG PILOT KHÍ HỐ
TRẤU
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
Trang xi
Luận văn Thạc sĩ
HVTH: Ngô Ngọc Thường
DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 1-1.
Các nguồn biomass chính ở Việt Nam
6
Bảng 1-2.
Sử dụng sinh khối theo lĩnh vực [2]
7
Bảng 1-3.
Sử dụng sinh khối theo năng lượng cuối cùng [2]
7
Bảng 1-4.
Thành phần của một số loại sinh khối [15]
8
Bảng 1-5.
Thành phần các chất trong vỏ trấu [19, 20]
10
Bảng 1-6.
Nhiệt trị của một số loại sinh khối ở Việt Nam [19, 20]
10
Bảng 1-7.
Chi phí, hiệu suất của các nguồn năng lượng
10
Bảng 1-8.
Sự phụ thuộc giữa khối lượng tar vào loại thiết bị [28]
18
Bảng 1-9.
Thành phần tar theo nhiệt độ [39]
19
Bảng 1-10. Lượng tar được loại bỏ theo từng phương pháp [28]
20
Bảng 2-1.
Thành phần hoá học
29
Bảng 2-2.
Chuyển đổi lưu lượng khơng khí sử dụng và tỷ lệ cân bằng [50]
37
Bảng 2-3.
Khảo sát phản ứng dưới tác nhân không khí
37
Bảng 2-4.
Khảo sát phản ứng dưới tác nhân hơi nước
37
Bảng 3-1.
Tóm tắt thơng số tính tốn
39
Bảng 3-2.
Mối tương quan giữa các phân đoạn sản phẩm với lưu lượng khơng khí
41
Bảng 3-3.
Thành phần sản phẩm khí
42
Bảng 3-4.
Bảng thơng số đánh giá q trình khí hóa
43
Bảng 3-5.
Phân đoạn sản phẩm tương ứng với lưu lượng hơi nước sử dụng
44
Bảng 3-6.
Thành phần khí sản phẩm ở các lưu lượng hơi nước sử dụng
44
Bảng 3-7.
Bảng thơng số đánh giá q trình khí hóa
45
Bảng 3-8.
Điều kiện phản ứng khảo sát ảnh hưởng bentonite
46
Bảng 3-9.
Ảnh hưởng của xúc tác bentonite & hơi nước lên thành phần sản phẩm
47
Bảng 3-10. Thành phần khí sản phẩm khi thực hiện với xúc tác bentonite (%v)
48
Bảng 3-11. Bảng thông số đánh giá q trình khí hóa
48
Bảng 3-12. Điều kiện phản ứng với hàm lượng xúc tác/ nguyên liệu khác nhau
49
Bảng 3-13. Kết quả khảo sát tối ưu hàm lượng xúc tác/nguyên liệu (%wt)
50
Bảng 3-14. Ảnh hưởng hàm lượng xúc tác bentonite trên nguyên liệu (%v)
50
Bảng 3-15. Bảng thông số đánh giá q trình khí hóa
51
Bảng 3-16. Điều kiện phản ứng kết hợp bentonite và tác nhân hơi nước
52
Trang xii
Luận văn Thạc sĩ
HVTH: Ngô Ngọc Thường
Bảng 3-17. Kết quả khảo sát kết hợp bentonite và hơi nước ( %wt)
52
Bảng 3-18. Sự thay đổi thành phần khí khi kết hợp bentonite và hơi nước (%v)
53
Bảng 3-19. Bảng thông số đánh giá q trình khí hóa
54
Bảng 3-20. Điều kiện thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của khối lượng xúc tác dolomite
54
Bảng 3-21. Bảng thành phần trung bình của các khí với lượng xúc tác khác nhau
58
Bảng 3-22. Bảng thành phần các pha với lượng xúc tác khác nhau
60
Bảng 3-23. Bảng thông số đánh giá q trình khí hóa
62
Bảng 3-24. Điều kiện thực nghiệm Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng xúc tác dolomite
63
Bảng 3-25. Bảng thành phần trung bình của các khí với lượng xúc tác khác nhau
65
Bảng 3-26. Bảng thành phần các pha với lượng xúc tác khác nhau
67
Bảng 3-27. Bảng thơng số đánh giá q trình khí hóa
69
Trang xiii
Luận văn Thạc sĩ
HVTH: Ngơ Ngọc Thường
DANH MỤC HÌNH
Trang
Hình 1-1.
Xu hướng năng lượng của Thế giới
1
Hình 1-2.
Các dạng lị khí hố - Ưu và nhược điểm
2
Hình 1-3.
Bếp ga sinh học (Nguồn: Năng lượng Việt Nam)
5
Hình 1-4.
Nguyên liệu biomass (vỏ trấu)
9
Hình 1-5.
Công nghệ chế biến biomass (Biorefinery) và Công nghệ chế biến dầu khí
(Refinery)
11
Hình 1-6.
Các phương pháp chuyển hố biomass
12
Hình 1-7.
Q trình chuyển hóa biomass
12
Hình 1-8.
Q trình chuyển hố nhiệt của ngun liệu biomass
13
Hình 1-9.
Các q trình chuyển đổi nhiệt hóa học trong khí hóa biomass [25]
16
Hình 1-10. Sự phân hủy các hydrocarbon lớn thành các phân tử nhỏ hơn trong quá trình
nhiệt phân [28]
17
Hình 1-11. Quá trình hình thành tar theo nhiệt độ [35]
18
Hình 1-12. Hiệu suất tạo tar tối đa theo nhiệt độ [36]
18
Hình 1-13. Sự hình thành và phần hủy cấu tử tar theo nhiệt độ [34]
19
Hình 1-14. Cấu trúc khơng gian của mạng lưới MMT[49]
26
Hình 1-15. Sơ đồ cấu trúc MMT [49]
26
Hình 2-1.
Sơ đồ các bước thiết kế thiết bị khí hóa
28
Hình 2-2.
Bản vẽ chế tạo thiết bị khí hố
29
Hình 2-3.
Thiết bị sắc ký khí và thiết bị lấy mẫu khí nhiên liệu
31
Hình 2-4.
Can nhiệt loại K và tủ điện hiển thị nhiệt độ
31
Hình 2-5.
Dụng cụ đo thành phần khí TESTO 350XL
32
Hình 2-6.
Lưu lượng kế khí
32
Hình 2-7.
Quy trình vận hành hệ thống khí hóa trấu quy mơ nhỏ
35
Hình 2-8.
Nguyên liệu tổng hợp xúc tác: a- bentonite; b- dolomite
35
Hình 2-9.
Thiết bị tạo viên xúc tác – máy ép đùn
36
Hình 2-10. Xúc tác sau khi tổng hợp a - 100% bentonite, b – 10 % bentonite, c - 20%
bentonite, d – 30%bentonite
36
Hình 3-1.
Quy trình khí hóa tầng cố định ngược chiều thực nghiệm
40
Hình 3-2.
Hệ thống khí hố quy mơ nhỏ, công suất từ 100-1000g trấu/ mẻ
41
Trang xiv
Luận văn Thạc sĩ
HVTH: Ngơ Ngọc Thường
Hình 3-3.
Mối tương quan giữa lưu lượng khơng khí sử dụng và khối lượng sản phẩm
42
Hình 3-4.
Sự thay đổi thành phần sản phẩm khí tương ứng với lưu lượng khơng khí
42
Hình 3-5.
Mối quan hệ giữa lưu lượng và lượng ngưng tụ, rắn, khí với tác nhân hơi nước
44
Hình 3-6.
Thành phần khí sản phẩm ở các giá trị lưu lượng nước sử dụng
45
Hình 3-7.
Ảnh hưởng của xúc tác bentonite và hơi nước lên phân đoạn sản phẩm (%wt)
47
Hình 3-8.
Sự thay đổi thành phần khí sản phẩm (%v)
48
Hình 3-9.
Sự thay đổi thành phần sản phẩm theo hàm lượng xt/nguyên liệu (%wt)
50
Hình 3-10. Sự thay đổi thành phần khí sản phẩm theo nồng độ xúc tác (%v)
51
Hình 3-11. Sự thay đổi thành phần sản phẩm khi kết hợp bentonite và hơi nước (%wt)
53
Hình 3-12. Sự thay đổi thành phần khí khi kết hợp bentonite và hơi nước (%v)
54
Hình 3-13. Đồ thị biểu diễn thành phần khí theo thời gian khi sử dụng 0g xúc tác dolomite
55
Hình 3-14. Đồ thị biểu diễn thành phần khí theo thời gian khi sử dụng 50g xúc tác
dolomite
56
Hình 3-15. Đồ thị biểu diễn thành phần khí theo thời gian khi sử dụng 100g xúc tác
dolomite
56
Hình 3-16. Đồ thị biểu diễn thành phần khí theo thời gian khi sử dụng 150g xúc tác
dolomite
57
Hình 3-17. Đồ thị biểu diễn thành phần khí theo thời gian khi sử dụng 200g xúc tác
dolomite
57
Hình 3-18. Đồ thị biểu diễn thành phần khí trung bình với khối lượng xúc tác khác nhau
58
Hình 3-19. Đồ thị biểu diễn thành phần các pha với lượng xúc tác khác nhau
60
Hình 3-20. Đồ thị biểu diễn tỉ lệ khí tổng hợp
61
Hình 3-21. Đồ thị biểu diễn nhiệt trị của khí tổng hợp
61
Hình 3-22. Đồ thị biểu diễn các hiệu suất của khí tổng hợp
62
Hình 3-23. Đồ thị biểu diễn thành phần khí theo thời gian khi sử dụng 150g dolomite &
50g bentonite
64
Hình 3-24. Đồ thị biểu diễn thành phần khí theo thời gian khi sử dụng 100g dolomite &
100g bentonite
65
Hình 3-25. Đồ thị biểu diễn thành phần trung bình khí theo thời gian khi sử dụng khối
lượng xúc tác khác nhau
66
Hình 3-26. Đồ thị biểu diễn thành phần các pha với lượng xúc tác khác nhau
67
Hình 3-27. Đồ thị biểu diễn tỉ lệ khí tổng hợp với lượng xúc tác khác nhau
68
Hình 3-28. Đồ thị biểu diễn nhiệt trị với lượng xúc tác khác nhau
68
Hình 3-29. Đồ thị biểu diễn hiệu suất với lượng xúc tác khác nhau
69
Trang xv
Luận văn Thạc sĩ
HVTH: Ngô Ngọc Thường
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
CO
Carbon monoxide
CO2
Carbon dioxide
OH-
Ion hydroxit
O2
Khí oxygen
N2
Khí nitrogen
NO
Nitrogen oxide
NO2
Nitrogen dioxide
Cpgas
Nhiệt dung riêng của khí
Cpn
Nhiệt dung riêng của nước
Etr
Năng lượng của trấu, kw
Ecc
Năng lượng các thành phần rắn chưa cháy lẫn trong tro, kw
Ekk
Năng lượng của khơng khí cấp, kw
Egas
Năng lượng của gas, kw
Ett
Năng lượng tổn thất, kw
Ect
Năng lượng trong chất thải, kw
Etro
Năng lượng trong tro mang ra ngoài, kw
Ecc
Năng lượng các thành phần rắn chưa cháy lẫn trong tro, kw
Ggas
Lưu lượng của khí ra: 11.23 kg/h
Gn
Lưu lượng nước làm lạnh, kg/s
Hvc
Nhiệt trị của cacbon (Hvc = 13166.72 kJ/kg)
hcc
Nhiệt lượng để nâng cacbon lên 120oC, kJ/h
Hvtr
Nhiệt trị thấp của trấu, kJ/kg
mtrau
Khối lượng trấu nhập liệu
mlong
Khối lượng lỏng ngưng tụ
mtr
khối lượng trấu cấp trong 1 giờ, kg/h
mw
khối khối lượng của chất thải trong 1 giờ, kg/h
Tgasv
Nhiệt độ khí đi vào thiết bị tách hắc ín, oC
Trang xvi
Luận văn Thạc sĩ
HVTH: Ngơ Ngọc Thường
Tgasr
Nhiệt độ dịng khí đi ra thiết bị tách hắc ín, oC
Tnv
Nhiệt độ nước vào làm lạnh, oC
Tnr
Nhiệt độ nước ra thiết bị làm lạnh, oC
v
Thể tích khí bị hấp phụ ở áp suất P (cm3/g)
vm
Thể tích khí bị hấp phụ tối đa trên 1 đơn lớp (cm3/g)
Po
Áp suất hơi bão hịa của khí
BFB
Thiết bị trao đồi nhiệt tầng sôi (Bubbling Fluidized Bed)
BET
Lý thuyết hấp phụ BET (Brunauer- Emmett- Teller).
CFB
Thiết bị trao đồi nhiệt tuần hoàn (Circulating Fluidized Bed)
ER
Tỉ số tương đương (Equivalent Ratio)
HHV
Nhiệt trị cao (Higher Heating Value)
HC
Hydro Carbon
LHV
Nhiệt trị thấp (Lower Heating Value)
MMT
Montmorillonit
TOE
Tấn dầu tương đương (Ton of Oil Equivalent)
Trang xvii
Luận văn Thạc sĩ
HVTH: Ngô Ngọc Thường
CHƯƠNG 1.
1.1.
LỜI MỞ ĐẦU
Tổng quan về tình hình năng lượng, các nghiên cứu về cơng nghệ thu hồi năng
lượng từ biomass
1.1.1. Tình hình sử dụng và xu hướng năng lượng trên thế giới
Theo tính toán của các chuyên gia năng lượng, dầu mỏ và khí đốt hiện chiếm khoảng
60-80% cán cân năng lượng thế giới. Với tốc độ tiêu thụ như hiện nay và trữ lượng
dầu mỏ hiện có, nguồn năng lượng này sẽ nhanh chóng bị cạn kiệt trong vịng 40-50
năm nữa. Diễn biến phức tạp của giá xăng dầu gần đây là do nhu cầu dầu thô ngày
càng lớn và những bất ổn chính trị tại những nước có trữ lượng và xuất khẩu dầu mỏ
lớn. Để đối phó tình hình đó, cần tìm ra các nguồn năng lượng thay thế, ưu tiên hàng
đầu cho các nguồn năng lượng tái sinh và thân thiện với mơi trường [1]. Bên cạnh đó,
theo đánh giá của các chuyên gia nghiên cứu về năng lượng thì trong tương lai, nguồn
năng lượng sử dụng sẽ hướng vào nguồn năng lượng tái tạo trong đó cơng nghệ sản
xuất năng lượng từ nguồn biomass chiếm tỷ trọng cao.
Hình 1-1. Xu hướng năng lượng của Thế giới
1.1.2. Tình hình nghiên cứu về công nghệ sản xuất năng lượng từ biomass – Cơng nghệ
khí hố biomass
Cơng nghệ chuyển hố thu hồi năng lượng từ biomass được sử dụng sớm nhất trong
các dạng năng lượng và một trong những phương pháp thu hồi năng lượng là quá trình
đốt trực tiếp.
Phương pháp sản sinh năng lượng từ biomass có 03 dạng:
-
Phương pháp đốt trực tiếp: Đây là phương pháp được sử dụng sớm nhất tuy nhiên
phương pháp này có hiệu quả thu hồi năng lượng thấp, sinh ra ô nhiễm CO từ q
trình cháy khơng hồn tồn của biomass.
Trang 1
Luận văn Thạc sĩ
HVTH: Ngô Ngọc Thường
-
Phương pháp nhiệt phân (Pyrolysis): Phương pháp này được thực hiện ở nhiệt độ từ
450oC - 650oC, nguyên tắc của phương pháp dựa vào sự bẽ gảy mạch các cellulose
trong biomass thành các sản phẩm hydro và các dẫn xuất của hydrocarbon trạng thái
lỏng. Sản phẩm chính của q trình là dầu nhiệt phân tương đương với phân đoạn FO.
Việc sử dụng sản phẩm này cần phải qua nhiều công đoạn làm sạch.
-
Phương pháp khí hố (Gasifigation): Đây có thể nói là phương pháp thu hồi năng
lượng hiệu quả nhất từ biomass. Nguyên tắc của phản ứng cracking thực hiện từ
khoảng 650oC - 850oC, sản phẩm chính là khí nhiên liệu (bao gồm hydro, hydrocarbon
C1-C4). Hiện nay, phương pháp này được tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện để thu hồi
năng lượng từ nguyên liệu biomass.
Kiểu Updraft:
- Giá thành đầu tư thấp.
- Sử dụng được biomass
có hàm ẩm cao.
- Hàm lượng Tar
15-20%wt
Kiểu Dowdraft:
- Giá thành đầu tư
tương đối cao.
- Sản phẩm khí chứa
nhiều cặn, bụi cần
làm sạch
- Nhiệt độ sản phẩm
khí cao ( 700oC).
- Nguyên liệu biomass
có hàm ẩm thấp
Kiểu Crossdraft:
- Giá thành đầu rất cao do
vật liệu làm thiết bị bền
nhiệt độ cao.
- Khả năng tăng nhiệt
nhanh.
- Sản phẩm khí có nhiệt
độ khá cao
Hình 1-2. Các dạng lị khí hố - Ưu và nhược điểm
Dựa trên ngun tắc của phương pháp khí hố thu hồi năng lượng từ biomass, cho đến
hiện nay, các nghiên cứu đã hình thành các cơng nghệ và từng bước hoàn thiện đưa
vào ứng dụng trong thực tiễn. Về nguyên lý vận hành của lị khí hố, cơng nghệ khí
hố có 03 dạng lị khí hố (Hình 1.2), trong đó, mỗi dạng lị khí hố có những ưu điểm
và nhược điểm khác nhau.
Về nghiên cứu hồn thiện cơng nghệ khí hố thì các nghiên cứu thực hiện hiện nay
đều hướng đến quả trình cải thiện q trình khí hố, giảm thiểu tối đa quá trình hình
thành tar (một dạng polyaromatic ngưng tụ), cải thiện chất lượng của sản phẩm khí
nhiên liệu từ quá trình mà cụ thể tăng hàm lượng hydro, CO trong sản phẩm nhiên liệu
khí. Một số nghiên cứu tiêu biểu:
Trang 2
Luận văn Thạc sĩ
HVTH: Ngô Ngọc Thường
-
Nghiên cứu của Hasan và đồng nghiệp [4] đã đề cập đến tiêu chuẩn cơ bản của q
trình khí hóa các nguồn ngun liệu bimass như trấu, rơm rạ, chất thải hữu cơ… liên
quan đến độ sạch của sản phẩm khí trong cơng nghệ khí hóa, hàm lượng các
hydrocarbon nặng hoặc dẫn xuất oxy của các hydrocarbon thơm nặng hơn benzene,
hàm lượng các dẫn xuất của nitơ (amoniac, hydrogencyanic, NOx) hoặc hàm lượng
các chất clorine phải thấp ở một giới hạn cho phép. Sự tồn tại các hợp chất như dẫn
xuất oxy của các hydrocarbon thơm trong sản phẩm khí có thể gây sự tắc nghẽn thiết
bị trong quá trình vận hành. Nghiên cứu đưa ra tiêu chuẩn áp dụng trong cơng nghệ
khí hố có thể triển khai với quy mơ cơng nghiệp u cầu phải đảm bảo được hàm
lượng cặn thấp hơn 0,6 g/Nm3 [4] hoặc ô nhiễm môi trường của các hợp chất nitơ
hoặc hợp chất clorine phải cần được hạn chế thấp nhất có thể.
-
Ngồi nghiên cứu tiêu biểu trên, cũng có một số nghiên cứu về cải thiện cơng nghệ
khí hố có thể ứng dụng cho quy mơ cơng nghiệp, các nghiên cứu tập trung vào việc
thiết lập các mối quan hệ giữa cặn hình thành đến các tham số q trình như kiểu thiết
bị, nhiệt độ khí hóa, thời gian khí hóa… như nghiên cứu của Lopamudra, 2003 [5],
hoặc nghiên cứu của nhóm Hasan và đồng nghiệp [4] về hiện tượng tắc nghẽn do quá
trình hình thành tar trong q trình khí hóa năm 2010, hoặc nghiên cứu của Yang và
đồng nghiệp 2006 [6], về mối ảnh hưởng của việc sử dụng khơng khí nóng đến hiệu
suất thu hồi khí tổng hợp trong thiết bị khí hóa tầng cố định. Một số nghiên cứu ảnh
hưởng của các tác nhân khí hóa như oxy, khơng khí hoặc hơi nước trong cơng nghệ
khí hóa như nghiên cứu của Garcia năm 1999, nghiên cứu của Gil năm 1999 [7]…Các
nghiên cứu cho thấy mối liên quan chặt chẽ giữa tác nhân khí hố đến hiệu suất khí
hố, đặc biệt là vấn đề vận hành ổn định của hệ thống công nghệ khi triển khai với
quy mơ cơng nghiệp liên quan đến sự hình thành cặn.
-
Các nghiên cứu liên quan đến việc giảm thiểu tối đa lượng tar sinh ra trong q trình
khí hố có thể phân chia thành hai hướng khác nhau, hướng nghiên cứu thứ nhất tập
trung vào việc tối ưu chế độ khí hố, sử dụng xúc tác tầng cố định nhằm hạn chế
lượng tar tạo thành trong q trình khí hoá, hướng nghiên cứu thứ hai tập trung vào
nghiên cứu quá trình chuyển đổi tar thu được bằng một quá trình cracking xúc tác
riêng biệt. Hai hướng nghiên cứu này đều tập trung vào mục đích chung là nâng cao
hiệu suất của q trình khí hố.
-
Một hướng nghiên cứu sử dụng xúc tác tăng cường hiệu suất khí hố cũng như hạn
chế tối đa sự hình thành tar cũng đã có một số nghiên cứu đã được thực hiện như
nghiên cứu của Mohammad Asadullah và các cộng sự về ứng dụng hệ xúc tác
Rh/CeO2/SiO2 trong khí hóa biomass ở nhiệt độ thấp đạt được hiệu quả tương đối khả
quan. Theo đó, sự có mặt của xúc tác giúp độ chuyển hóa carbon thành khí từ 88-99%
(phụ thuộc vào nhiệt độ khí hóa) và hiệu suất thu sản phẩm khí (H2, CO, CH4) cao [8];
Các nghiên cứu của Wang và đồng nghiệp năm 2010, 2011 về việc ứng dụng xúc tác
hệ Ni/ Carbon, hoặc Ni/HTC- Carbon [9, 10].; Năm 2010 có nghiên cứu của Jianfen
Li và cộng sự về hiệu quả của xúc tác nano-NiO/gama-Al2O3 trong q trình khí hóa
trấu bằng tác nhân khơng khí/hơi nước ở 800oC cho thấy hiệu suất thu khí (Nm3/kg
Trang 3
Luận văn Thạc sĩ
HVTH: Ngô Ngọc Thường
biomass) và hàm lượng tar (g/Nm3) tương ứng là 2,35 Nm3/kg biomass và 0,14
g/Nm3, so sánh với trường hợp không sử dụng xúc tác là 1,82 Nm3/kg biomass và 32,5
g/Nm3, ngoài ra chất lượng khí cũng được cải thiện, cụ thể là tăng tỷ lệ H 2 trong thành
phần khí sản phẩm, từ 38,2%vol (khơng sử dụng xúc tác) lên 48,7%vol (có sử dụng
xúc tác) [11].; Nghiên cứu của Srinakruang và đồng nghiệp 2005 với hệ xúc tác
Ni/Dolomite…Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, trong trường hợp có sử dụng
xúc tác thích hợp, tỷ lệ H2/CO có thể tăng từ 0,6 đến 1,5, đồng thời lượng tar có thể
giảm từ 12 đến 2g/m3 [12].
Nhìn chung có thể thấy, cơng nghệ khí hố ngun liệu biomass vẫn đang tiếp tục
nghiên cứu theo hướng cải thiện q trình khí hố bằng việc sử dụng xúc tác hoặc có
thể cải thiện cơng nghệ làm sạch để từng bước hồn thiện cơng nghệ khí hố đưa vào
ứng dụng thực tiễn.
1.1.3. Nghiên cứu cơng nghệ khí hố ngun liệu biomass (trấu) tại Việt Nam
Ở Việt Nam, quá trình khí hóa cũng được quan tâm nghiên cứu và đã đạt được những
thành quả bước đầu. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu đều tập trung vào thiết kế, cải
thiện cơng nghệ khí hố và ứng dụng.
Một số nghiên cứu tiêu biểu: Nghiên cứu về lò đốt gas trấu ứng dụng trong sản xuất
của TS. Bùi Trung Thành [13] với những đặc điểm như hiệu suất sử dụng năng lượng
trong trấu cao (80 - 85%), nhiệt độ ngọn lửa tương đối cao (680 oC -750oC), dễ thay
đổi và điều khiển nhiệt độ ngọn lửa. Tuy nhiên, hệ thống thiết bị vẫn chưa hoàn thiện,
cấu tạo phức tạp nên khả năng áp dụng vào thực tế ở quy mô lớn vẫn là vấn đề cần
được nghiên cứu sâu rộng hơn. Trên cơ sở những thành công bước đầu, TS. Bùi Trung
Thành tiếp tục cải tiến để cho ra đời lò đốt gas trấu thế hệ mới áp dụng cho các máy
sấy nông sản với những thay đổi về cấu tạo thiết bị để q trình thao tác dễ dàng hơn,
cơng suất lớn hơn và chi phí thấp hơn khi so sánh với lò đốt truyền thống sử dụng dầu,
than đá [14]; Năm 2009, Cơng nghệ khí hóa trấu được Trung tâm Nghiên cứu và Phát
triển về tiết kiệm năng lượng (Enerteam) thực hiện với sự hỗ trợ của Quỹ Việt Nam SIDA (Thụy Điển) được ứng dụng triển khai tại Công ty gốm sứ Tân Mai, cơng suất
khí hóa từ 80 – 100 kg trấu/giờ, tuy nhiên cơng nghệ này hồn toàn nhập ngoại từ Ấn
Độ, giá thành tương đối cao, khoảng 1,8 tỷ đồng/ hệ thống. Chi phí cao là trở ngại lớn
nhất để áp dụng hệ thống này vào thực tế tại Việt Nam.; Đặc biệt, cũng trong năm
2009 nhóm nghiên cứu của tác giả Trần Bình và cộng sự đã giới thiệu bếp gas thử
nghiệm sử dụng trấu, mùn cưa, rác thải, than đá…ở quy mô hộ gia đình với những ưu
điểm như chi phí rẻ và ít phát sinh các chất độc hại. Mặc dù đây chỉ là mơ hình thử
nghiệm, cách vận hành phức tạp, thiết kế vẫn chưa phù hợp, quy mô nhỏ, hiện nay vẫn
chưa được áp dụng rộng rãi nhưng thông qua kết quả này cũng cho thấy tiềm năng
phát triển của công nghệ khí hóa tại Việt Nam.
Trang 4
Luận văn Thạc sĩ
HVTH: Ngơ Ngọc Thường
Hình 1-3. Bếp ga sinh học (Nguồn: Năng lượng Việt Nam)
Nghiên cứu về cải thiện q trình khí hố trên ngun liệu trấu mà cụ thể là quá trình
thực hiện thử nghiệm một số loại xúc tác nhằm tăng cường quá trình sản sinh hydro,
giảm Tar đã được thực hiện tại Trung tâm nghiên cứu Cơng nghệ Lọc Hố dầu, trường
Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Tp.HCM. Các kết quả nghiên cứu bước đầu
trên hệ thống micro reactor cho thấy, việc sử dụng xúc tác có hiệu quả tốt, tỷ lệ hydro/
CO tăng gấp 2-5 lần so với q trình khơng sử dụng xúc tác.
Cho đến hiện nay, những cơng trình nghiên cứu tiêu biểu trên thế giới và trong nước
cho thấy, cơng nghệ khí hóa nguồn ngun liệu biomass vẫn còn đang được tiếp tục
triển khai nghiên cứu với mục tiêu thương mại hóa được cơng nghệ này dưới quy mô
công nghiệp thông qua việc nghiên cứu thiết lập mối quan hệ một cách có cơ sở khoa
học giữa các tham số như loại thiết bị khí hóa, tham số vận hành đến hiệu suất khí
tổng hợp thu hồi cũng như chế độ vận hành ổn định của hệ thống. Đứng trên quan
điểm khoa học, có thể nói hệ thống khí hóa là một hệ thống phức tạp bị ảnh hưởng bởi
rất nhiều tham số của quá trình như kiểu thiết bị, tác nhân khí hóa, xúc tác… Cơng
nghệ khí hóa ngun liệu biomass vẫn tiếp tục cịn là mục tiêu nghiên cứu cho nhiều
năm tới nhằm xây dựng một cơng nghệ hiện đại có thể ứng dụng vào thực tiễn một
cách hiệu quả trong lĩnh vực ngành chế biến biomass. Hầu hết các kết quả nghiên cứu
chỉ giới hạn trong những trường hợp cụ thể, mang tính cải thiện công nghệ, khảo sát
xây dựng số liệu cơ sở khoa học cho những hiện tượng xảy ra trong quá trình khí hố,
thật sự chưa có cơng trình tiêu biểu nào nghiên cứu toàn diện, đi sâu vào cơ chế của
quá trình cracking sâu của cơng nghệ khí hố và từ đó có thể hình thành phương pháp
thiết kế hồn thiện cho một cơng nghệ hồn thiện, để có thể ứng dụng vào quy mô
công nghiệp khai thác tiềm năng của nguồn trấu dồi dào tại Việt Nam trong vấn đề sản
xuất năng lượng.
1.1.4. Tiềm năng về nguồn nguyên liệu biomass tại Việt Nam
Cây lúa là một trong những cây lương thực chính ở Việt Nam cũng như trên thế giới.
Xét về tổng sản lượng, lúa là cây lương thực quan trọng đứng hàng thứ 3 trên thế giới
sau lúa mì và ngô. Theo số liệu thống kê của FAO, sản lượng lúa gạo hàng năm trên
thế giới là 742,6 triệu tấn – năm 2015. Mỗi kg hạt thu hoạch thì sau quá trình xay xát
sẽ thu được 0,2 – 0,25 kg trấu [16]. Từ đó có thể ước tính khoảng 150 – 190 triệu tấn
Trang 5
Luận văn Thạc sĩ
HVTH: Ngô Ngọc Thường
vỏ trấu được thải bỏ trong mỗi năm trên toàn cầu và một lượng lớn trong số đó được
đốt cháy sinh nhiệt và phần còn lại được thải bỏ. Ngày nay, đốt cháy tự nhiên là lựa
chọn thực tế để loại bỏ trấu, nhưng điều đó làm tăng sự ơ nhiễm khơng khí; do đó, làm
ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng [17]. Khí hậu thay đổi là mối đe dọa cho sự phát
triển bền vững, vẫn có nhiều lợi ích trong việc sử dụng phế phẩm nông công nghiệp
dùng làm năng lượng thay thế. Trong hồn cảnh này, khí hóa vỏ trấu vừa mang lại
năng lượng cao vừa giảm thiểu ô nhiễm.
Việt Nam là nước có nền văn minh lúa nước rất lâu đời, từ lâu cây lúa đã gắn liền với
đời sống của nhân dân. Không những hạt lúa được sử dụng làm thực phẩm chính, mà
các phần cịn lại sau khi đã thu hoạch lúa cũng được người dân tận dụng trở thành
những vật liệu có ích trong đời sống hàng ngày. Ví dụ rơm được sử dụng lợp nhà, cho
gia súc ăn, làm chất đốt, hoặc ủ làm phân. Trấu được sử dụng làm chất đốt hay trộn
với đất sét làm vật liệu xây dựng… Không những trấu được sử dụng làm chất đốt
trong sinh hoạt hàng ngày mà còn được sử dụng như là một nguồn nguyên liệu thay
thế cung cấp nhiệt trong sản xuất với giá rất rẻ. Theo số liệu thống kê sơ bộ năm 2014,
tổng diện tích cây lúa trong cả nước khoảng 7,8 triệu ha; lượng phế phẩm phát sinh
sau mỗi vụ thu hoạch trung bình 4,5-5 tấn/ha/vụ, tương ứng với việc sản xuất lúa gạo
đã tạo ra 35-39 triệu tấn phế phẩm từ cây lúa bao gồm rơm và trấu. Lượng trấu tính
riêng đã chiếm 4,6% trong tổng lượng biomass và là nguồn nguyên liệu rất dồi dào, lại
rẻ tiền. Sản lượng lúa năm 2014 cả nước đạt 45 triệu tấn, trong đó, lúa đông xuân 20,9
triệu tấn, lúa hè thu 14,5 triệu tấn, lúa mùa 9,6 triệu tấn. Như vậy lượng vỏ trấu thu
được sau xay xát tương đương 9 triệu tấn, sản lượng trấu có thể thu gom được ở khu
vực đồng bằng sông Cửu Long lên tới 5-5,4 triệu tấn (2014).
Bảng 1-1. Các nguồn biomass chính ở Việt Nam
Tiềm năng
(triệu tấn)
Dầu tương đương
(Triệu TOE)
Tỷ lệ
(%)
Rừng tự nhiên
6,84
2,39
27,27
Rừng trồng
3,72
1,3
14,82
Đất không rừng
3,85
1,35
15,34
Cây trồng phân tán
6,05
2,12
24,11
Cây công nghiệp và ăn quả
2,4
0,84
9,57
Phế liệu gỗ
1,65
0,58
6,57
Khác
0,58
0,2
2,32
25,09
8,78
100,0
32,52
7,30
59,16
9
2,99
16,37
4,45
0,82
8,1
Nguồn cung cấp
I. Tiềm năng năng lượng từ gỗ
Tổng cộng:
II. Tiềm năng năng lượng từ một số phụ phẩm nông nghiệp
Rơm rạ
Trấu
Bã mía
Trang 6
Luận văn Thạc sĩ
HVTH: Ngô Ngọc Thường
Nguồn cung cấp
Các loại khác
Tổng cộng:
Tiềm năng
(triệu tấn)
Dầu tương đương
(Triệu TOE)
Tỷ lệ
(%)
9
1,8
16,37
54,97
12,91
100,0
Bảng số liệu trên cho thấy vị trí và tiềm năng rất lớn của trấu trong việc sử dụng làm
nguồn nguyên liệu và trong đó, vỏ trấu chiếm 4,6% trong tổng khối lượng biomass ở
Việt Nam. Nếu tính tốn một bài tốn đơn giản, chúng ta sẽ thấy khả năng sinh ra
năng lượng từ trấu là rất lớn, cụ thể: Khi đốt vỏ trấu tạo ra nhiệt lượng khoảng 15
MJ/kg. Như vậy, với tổng khối lượng vỏ trấu toàn cầu là 150 – 190 triệu tấn thì hàng
năm nguồn sinh khối này có thể tạo ra xấp xỉ 2×109 GJ năng lượng (tương đương
556×106 MWh) và đối với Việt Nam, con số này tương ứng sẽ là 0,12×109 GJ năng
lượng (tương đương 33×106 MWh). Nếu sử dụng vỏ trấu làm nguyên liệu cho các nhà
máy điện (nơng - điện) thì cứ với cơng suất của nhà máy là 1 MW yêu cầu 10.000 tấn
trấu/ năm. Như vậy, với khối lượng trấu hàng năm của Việt Nam xấp xỉ 9 triệu tấn
năm cho phép tận dụng làm nguyên liệu cho các nhà máy điện với công suất gần 800
MW, tương đương với công suất của 8 nhà máy nhiệt điện Ninh Bình hiện tại.
Về tình hình sử dụng năng lượng tại Việt nam thì năng lượng sinh khối vẫn chiếm tỉ lệ
lớn hơn 50% trong tổng tiêu thụ năng lượng toàn quốc. Mặc dù tổng lượng tiêu thụ
vẫn không ngừng tăng nhưng tỉ lệ giảm dần do năng lượng thương mại tăng nhanh
hơn.
Bảng 1-2. Sử dụng sinh khối theo lĩnh vực [2]
Lĩnh vực
Tổng tiêu thụ (koe)
Tỉ lệ (%)
Gia đình
10.667
76,2
CN-TTCN
3.333
23,8
Tổng
14.000
100,0
Bảng 1-3. Sử dụng sinh khối theo năng lượng cuối cùng [2]
Năng lượng cuối cùng
Nhiệt
Tổng tiêu thụ (koe)
Tỷ lệ (%)
Bếp đun
10.667
76,2
Lị nung
903
6,5
2.053
14,7
377
2,7
14.000
100,0
Lị đốt
Điện
Đồng phát
Tổng
Qua đó cho thấy trên 3/4 sinh khối hiện được sử dụng phục vụ đun nấu gia đình với
các bếp đun truyền thống hiệu suất thấp. Bếp cải tiến tuy đã được nghiên cứu thành
công nhưng chưa được ứng dụng rộng rãi mà chỉ có một vài dự án nhỏ lẻ ở vài địa
phương, 1/4 sinh khối còn lại được sử dụng trong sản xuất:
Trang 7
