Nghiên cứu quy trình sản xuất nhiên liệu lỏng và khí từ than bùn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ TRUNG THỰC

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU
LỎNG VÀ KHÍ TỪ THAN BÙN
Chun ngành: Kỹ Thuật Hóa Dầu

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. Hồ Chí Minh, Tháng 03 năm 2011


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ Huỳnh Quyền
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1: ............................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2:.............................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp. Hồ Chí
Minh ngày 28 tháng 03 năm 2011
Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. ...................................................................................................................................
2. ...................................................................................................................................

3. ...................................................................................................................................
4. ...................................................................................................................................
5. ...................................................................................................................................
Xác nhận của Chủ Tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Bộ môn quản lý
chuyên ngành.
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Bộ môn quản lý chuyên ngành


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 03 năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Lê Trung Thực

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 12-12-1983

Nơi sinh: Cà Mau

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Dầu

MSHV: 09400144

I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU
LỎNG VÀ KHÍ TỪ THAN BÙN
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: ...........................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05/07/2010
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06/12/2010
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến Sĩ HUỲNH QUYỀN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH


LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ này hoàn thành là nhờ sự đóng góp và hỗ trợ của nhiều người.
Tơi muốn gửi lời cám ơn chân thành đến họ.
Trước hết, tơi muốn bài tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn là Tiến
sĩ Huỳnh Quyền. Thầy đã tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tơi
hồn thành luận văn này.
Thứ hai, tơi cũng xin gửi lời cám ơn đến các thầy cô đã giảng dạy lớp cao học
Kỹ thuật hóa dầu khóa 2009. Các thầy cơ đã nhiệt tình giảng dạy và truyền đạt những
kiến thức quý báu cho tôi trong suốt thời gian học tập, những kiến thức này đã giúp tơi
rất nhiều trong q trình thực hiện luận văn.

Thứ ba, tôi đặc biệt cám ơn các bạn trong Trung Tâm Nghiên Cứu Cơng Nghệ
Lọc Hóa Dầu - Trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh đã giúp đỡ, đóng góp
những ý kiến hữu ích để luận văn của tơi được hồn thiện hơn.
Cuối cùng, tơi muốn cám ơn đến vợ và gia đình tơi đã ln ủng hộ tinh thần,
động viên, giúp tơi vượt qua những khó khăn trong suốt q trình thực hiện luận văn.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 03 năm 2011

Lê Trung Thực

i


TÓM LƯỢC
Sự khai thác và tiêu thụ nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cao đã khiến cho
nguồn năng lượng này đứng trước nguy cơ cạn kiệt. Trong khi đó, than bùn là nguồn năng
lượng biomass, nó có thể giải quyết một phần về vấn đề an ninh năng lượng. Nghiên cứu này
khảo sát quá trình nhiệt phân than bùn có và khơng có sử dụng xúc tác bentonite. Kết quả
nghiên cứu cho thấy quá trình nhiệt phân đã thu được sản phẩm rắn, lỏng và khí. Trong đó,
sản phẩm khí có thể sử dụng làm nhiên liệu, sản phẩm rắn và lỏng khơng thích hợp cho việc
thu nhiên liệu. Nhiệt phân không xúc tác ở nhiệt độ 5500C thu được thành phần khí chủ yếu
hydro (36.10%) và methane (3.82%). Hiệu suất sản phẩm khí thu được là 28.43%. Khi nhiệt
phân có xúc tác, nhiệt độ nhiệt phân giảm và thành phần khí tăng. Khi tỷ lệ khối lượng xúc
tác/khối lượng than bùn 30%, nhiệt độ 4500C, hiệu suất sản phẩm khí tương đối cao (32.82%)
trong đó thành phần khí hydro thu được (39.92%) cao hơn nhiều so với không sử dụng xúc
tác. Khi lưu lượng nước 2ml/phút thu được hàm lượng methane cao nhất. Đồng thời, khi lưu
lượng nitơ đưa qua thiết bị phản ứng nhiệt phân càng nhiều thì hàm lượng CxHy thu được
càng giảm. Bên cạnh đó, thời gian nhiệt phân càng lâu hàm lượng CxHy trong sản phẩm khí
càng giảm. Nghiên cứu về quy trình nhiệt phân để sản xuất nhiên liệu đã mở ra định hướng
mới về việc thu năng lượng từ than bùn ở Việt Nam.

ii


ABSTRACT
The exploitation and consumption of fossil energy sources has led to growing energy source in
danger of depletion. Meanwhile, as the source of biomass energy, peat can solve a part of the
problem of energy security. This study examined the pyrolysis of peat with and without
bentonite catalysts. The result showed that the obtained products of the pyrolysis were solid,
liquid and gas. The composition analysis indicated that the gas product could use as fuel
while liquid and solid products were not suitable for fuel. When the pyrolysis without
bentonite catalysts was at 5500C, the obtained gas product was mainly hydro (36.10%) and
methane (3.82%) and obtained gas yield was 28.43%. For catalytic pyrolysis, the results
showed that the catalyst decreased pyrolysis temperature and increased the gas components.
When catalyst rate mat/mtb (bentonite mass/peat mass) was 30% and temperature was at
4500C, gas yield was relatively high (32.82%). Moreover, the obtained H2 component was
(39.92%) higher than that of the non-catalyst pyrolysis. In addition, the results showed that
water flow could affect the gas product composition. When water flow was 2ml/min, the
obtained methane content was highest. Also, the more the nitrogen flow went through the
pyrolysis reactor, the less the CxHy content obtained. Besides, the more pyrolysis time was, the
less CxHy content in the gas product. Research on the pyrolysis process to produce fuel has
opened up new directions for the collection of energy from peat in Vietnam.

iii


DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1: Sự khai thác và tiêu thụ than bùn làm nhiên liệu trên thế giới năm 1999 .... 6
Bảng 2.2: Thành phần hóa học than bùn .................................................................... 9
Bảng 2.3: Thành phần các chất trong than bùn........................................................... 9

Bảng 2.4: Sự khác nhau giữa quá trình nhiệt phân nhanh và nhiệt phân chậm............ 12
Bảng 2.5: Thành phần hóa học của bentonite của một số mỏ trên thế giới ................. 20
Bảng 4.1: Phần trăm (%) thể tích các chất thu được trong hỗn hợp khí khi khơng có xúc
tác ............................................................................................................................. 39
Bảng 4.2: Phần trăm (%) thể tích các chất thu được trong hỗn hợp khí khi mxt/mtb
=30% ......................................................................................................................... 42
Bảng 4.3: So sánh ảnh hưởng của nhiệt độ đến thành phần khí có và khơng có xúc tác
.................................................................................................................................. 47

DANH SÁCH BIỂU ĐỒ
Biểu đồ 1.1: Các nguồn năng lượng chính trên thế giới năm 2007 ............................. 1
Biểu đồ 2.1: Diện tích than bùn trên thế giới năm 1999 ............................................. 7
Biểu đồ 4.1: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng khí CxHy khi khơng có xúc tác 38
Biểu đồ 4.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất sản phẩm khi không sử dụng xúc
tác ............................................................................................................................ 40
Biểu đồ 4.3: Ảnh hưởng của tỷ lệ mxt/mtb đến thành phần khí CxHy
ở nhiệt độ 4500C ....................................................................................................... 41
Biểu đồ 4.4: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng khí CxHy khi tỷ lệ mxt/mtb là
30%, khơng có nitơ, hơi nước .................................................................................... 42
Biểu đồ 4.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất sản phẩm khi tỷ lệ mxt /mtb là 30%
khơng có nitơ, hơi nước ............................................................................................ 43

iv


Biểu đồ 4.6: Ảnh hưởng của lưu lượng nước đến lượng CH4 ở nhiệt độ 4500C, tỷ lệ
mxt/mtb = 30% .......................................................................................................... 44
Biểu đồ 4.7 Ảnh hưởng của lưu lượng nitơ đến hàm lượng CxHy ở nhiệt độ 4500C, tỷ
lệ mxt/mtb = 30% ........................................................................................................ 45
Biểu đồ 4.8: Sự thay đổi lượng CxHy theo thời gian ở nhiệt độ 4500C, tỷ lệ mxt/mtb là

30% ........................................................................................................................... 46
Biểu đồ 4.9: So sánh hiệu suất khí khi tỷ lệ mxt/mtb là 30% và khơng có xúc tác ........ 47
Biểu đồ 4.10: So sánh hiệu suất sản phẩm rắn khi tỷ lệ mxt/mtb là 30% với khơng có
xúc tác tác ................................................................................................................. 48

DANH SÁCH HÌNH
Hình 2.1: Than bùn Bình Dương ............................................................................... 8
Hình 2.2: Cơ chế quá trình phân tách xenlulose ......................................................... 15
Hình 3.1: Mẫu thí nghiệm tỷ lệ mxt/mtb= 30% ............................................................ 28
Hình 3.2: Xúc tác bentonite ....................................................................................... 28
Hình 3.3: Cấu tạo máy NOVA 2200 .......................................................................... 29
Hình 3.4: Chế độ nhiệt độ phân tích máy GC............................................................. 33
Hình 3.5: Sơ đồ khối thực nghiệm ............................................................................. 32
Hình 3.6: Quy trình ngun lí cơng nghệ q trình nhiệt phân tại RPTC-HCMUT .... 33
Hình 4.1: Sản phẩm lỏng thu được khi nhiệt phân ở 4500C với mxt/mtb=30%.......... 36
Hình 4.2: Sản phẩm rắn thu được khi nhiệt phân ở 4500C với mxt/mtb= 30% ............ 37

v


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU .......................................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề ..................................................................................................... 1
1.1.1. Tình hình năng lượng thế giới và trong nước........................................ 1
1.1.2. Tình hình ơ nhiễm mơi trường .............................................................. 2
1.1.3. Than bùn: Nguồn nhiên liệu biomass ................................................... 3
1.2. Mục tiêu đề tài.............................................................................................. 4
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài .................................................. 4
1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ....................................................................... 5
1.4.1. Ý nghĩa khoa học .................................................................................. 5

1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn ................................................................................... 5
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ................................................................................... 6
2.1. Tình hình khai thác và tiêu thụ than bùn trên thế giới .................................... 6
2.2. Trữ lượng than bùn trên thế giới ................................................................... 7
2.3. Trữ lượng than bùn ở Việt Nam ..................................................................... 7
2.4. Đặc điểm than bùn Việt Nam ........................................................................ 8
2.4.1. Định nghĩa than bùn ............................................................................. 8
2.4.2. Phân loại than bùn................................................................................. 8
2.4.3. Thành phần nguyên tố trong than bùn ................................................... 9
2.4.4. Ứng dụng than bùn ............................................................................... 10
2.5. Cơ sở lý thuyết của q trình khí hóa ............................................................ 10
2.6. Cơ sở lý thuyết quá trình nhiệt phân .............................................................. 11
2.6.1. Định nghĩa nhiệt phân ........................................................................... 12

vi


2.6.2. Phân loại của quá trình nhiệt phân ........................................................ 12
2.7. Cơ chế quá trình cracking ............................................................................. 12
2.7.1. Cơ chế quá trình cracking nhiệt ............................................................. 12
2.7.2. Cơ chế quá trình cracking xúc tác ......................................................... 13
2.8. Cơ chế của quá trình tách cellulose................................................................ 14
2.9. Các yếu tố ảnh hưởng cơ bản đến thành phần sản phẩm và quá trình nhiệt phân
than bùn..................................................................................................................... 16
2.9.1. Độ ẩm nguyên liệu ............................................................................... 16
2.9.2. Nhiệt độ nhiệt phân ............................................................................... 16
2.9.3. Kích thước hạt ...................................................................................... 17
2.9.4. Tốc độ gia nhiệt ................................................................................... 17
2.9.5. Tỷ lệ xúc tác/than bùn ........................................................................... 17
2.10. Ứng dụng của khí hydro, cacbonmonoxit, methane .................................... 18

2.10.1. Hydro (H2) .......................................................................................... 18
2.10.2. Cacbonmonoxit (CO) ......................................................................... 19
2.10.3. Methane (CH4) .................................................................................... 19
2.11. Đặc điểm chung đất sét bentonite ................................................................ 20
2.11.1. Thành phần hóa học của đất sét bentonite............................................ 20
2.11.2. Ứng dụng của đất sét bentonite ........................................................... 21
2.12. Các nghiên cứu trong và ngoài nước ............................................................ 23
2.12.1. Các nghiên cứu ngoài nước ................................................................. 23
2.12.2. Nghiên cứu trong nước ........................................................................ 26
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .................................................... 27
3.1. Mục đích thí nghiệm..................................................................................... 27
3.2. Phương pháp thực hiện .................................................................................. 27
3.3. Nguyên liệu than bùn: .................................................................................... 27
3.3.1. Xác định kích thước than bùn................................................................ 27

vii


3.3.2. Xác định độ ẩm nguyên liệu .................................................................. 28
3.3.3. Cân khối lượng ..................................................................................... 28
3.3.4. Trộn cơ học ........................................................................................... 28
3.3.5. Xúc tác bentonite .................................................................................. 28
3.3.6. Máy phân tích sắc ký khí (GC) ............................................................. 29
3.3.7. Dòng nitơ ........................................................................................... 30
3.3.8. Dòng hơi nước ...................................................................................... 30
3.3.9. Thiết bị phản ứng .................................................................................. 31
3.3.10. Thiết bị ngưng tụ ................................................................................. 31
3.3.11. Hệ thống làm sạch khí ......................................................................... 32
3.4. Sơ đồ thực nghiệm ........................................................................................ 32
3.5. Quy trình ...................................................................................................... 33

3.6. Cơng thức ứng dụng tính tốn kết quả thực nghiệm ....................................... 34
3.6.1. Độ ẩm nguyên liệu ................................................................................ 34
3.6.2. Tính toán hiệu suất sản phẩm ................................................................ 35
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .............................................................. 36
4.1. Quy trình thực nghiệm................................................................................... 36
4.2. Kết quả phân tích một số đặc điểm của nguyên liệu....................................... 36
4.2.1. Vận hành hệ thống thực nghiệm ............................................................ 36
4.2.2. Các thông số vận hành .......................................................................... 37
4.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến q trình nhiệt phân khơng có xúc tác .... 38
4.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sản phẩm khí CxHy ....................................................... 38
4.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thành phần thể tích khí ............................ 38
4.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất sản phẩm ..................... 39
4.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến q trình nhiệt phân khi có xúc tác
bentonite.................................................................................................................... 40

viii


4.4.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ mxt/mtb đến thành phần khí CxHy.......................... 41
4.4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng CxHy khi có xúc tác................. 42
4.4.3. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất sản phẩm ..................... 43
4.4.4. Ảnh hưởng của lưu lượng hơi nước đến hàm lượng CH4 ...................... 44
4.4.5. Ảnh hưởng của lưu lượng N2 đến hàm lượng khí CxHy ......................... 45
4.4.6. Ảnh hưởng của thời gian lưu đến hàm lượng khí CxHy .......................... 46
4.5. So sánh các yếu tố ảnh hưởng đến thành phần khí khi nhiệt phân có và khơng
xúc tác bentonite........................................................................................................ 46
4.5.1. Nhiệt độ ................................................................................................ 46
4.5.2. Hiệu suất sản phẩm khí ......................................................................... 47
4.5.3. Hiệu suất sản phẩm rắn ......................................................................... 48
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................... 50

5.1. Kết quả đạt được ...................................................................................... 50
5.2. Đề xuất và kiến nghị ............................................................................... 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 53
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 56

ix


CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
1.1.1. Tình hình năng lượng thế giới và trong nước
Năng lượng là một nguồn tài nguyên quan trọng và là điều kiện tất yếu cho sự
tồn tại và phát triển của toàn nhân loại. Nguồn năng lượng mà con người sử dụng tồn
tại dưới nhiều dạng khác nhau như: năng lượng mặt trời, sức gió, sức nước, gỗ, than
đá, dầu mỏ, thủy điện, hạt nhân, v.v…Trong quá trình phát triển ngày càng cao của xã
hội cùng với xu hướng cơng nghiệp hóa hiện đại hóa, nhu cầu tiêu thụ năng lượng trên
thế giới đã và đang tăng lên một cách nhanh chóng. Do đó, các nguồn năng lượng, đặc
biệt là nguồn năng lượng hóa thạch và cũng là nguồn năng lượng thương mại chính của
thế giới như dầu mỏ, khí đốt và than đá (xem biểu đồ 1.1) đã và đang được khai thác và
tiêu thụ với quy mơ rất lớn và có nguy cơ bị cạn kiệt trong tương lai. Theo dự đoán, số
năm có thể khai thác trữ lượng của dầu mỏ là khoảng 40 năm, khí tự nhiên là 60 năm
và than đá là 150 - 200 năm [1]. Do sự hữu hạn và ngày càng khan hiếm của nguồn
nguyên liệu hóa thạch, sản lượng khai thác có khả năng khơng đáp ứng được nhu cầu
tiêu thụ nên giá thị trường của chúng có xu hướng ngày càng tăng cao. Trên thực tế, sự
thiếu hụt nguồn năng lượng sẽ ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển kinh tế xã hội của
các nước trên thế giới.

Biểu đồ 1.1: Các nguồn năng lượng chính trên thế giới năm 2007

1

Tình hình năng lượng ở Việt Nam hiện nay cũng đang ở trong xu thế chung của
tình hình năng lượng thế giới. Nhu cầu tiêu thụ năng lượng phục vụ q trình cơng
nghiệp hóa, hiện đại hóa phát triển đất nước tăng cao trong khi nguồn năng lượng
truyền thống như than đá, dầu mỏ, khí đốt tự nhiên… ngày càng cạn dần. Theo như dự
báo, trữ lượng dầu mỏ nước ta chỉ cịn có thể khai thác được trong khoảng 30-40 năm
nữa và trữ lượng than chỉ cịn có thể khai thác được trong khoảng 20 năm [2]. Bên cạnh
đó, để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ năng lượng, hiện nay nước ta phải nhập khẩu năng
lượng từ các nước trên thế giới. Mặc dù nhà máy lọc dầu Dung Quất đã được đưa vào
sử dụng đầu năm 2010 nhưng chỉ mới cung cấp được khoảng 5 triệu tấn xăng dầu cho
ngành giao thông vận tải trong tổng số nhu cầu 15-17 triệu tấn, số còn lại trên 10 triệu
tấn phải nhập khẩu. Đồng thời đến năm 2011 nước ta phải nhập khẩu than đá. Như vậy,
hiện nay chúng ta chưa tự chủ được nhiều trong vấn đề năng lượng. Trong khi đó,
những tác động của việc thiếu hay tăng giá xăng dầu đều ảnh hưởng xấu đến nền kinh
tế của đất nước.
1.1.2. Tình hình ơ nhiễm mơi trường
Cùng với vấn đề vừa nêu trên, tình hình ơ nhiễm mơi trường từ việc khai khác
và sử dụng nguồn tài nguyên năng lượng cũng đang là một vấn đề cấp thiết mà nhân
loại phải đối mặt. Cụ thể, than đá và khí đốt đã gây ra ơ nhiễm khơng khí và mơi
trường nước nghiêm trọng do khí CO2, SO2, bụi, nước thải chứa kim loại và chất phóng
xạ độc hại. Đồng thời, việc khai khác dầu cũng tạo ra sự ô nhiễm nguồn nước sơng,
biển, ơ nhiễm khơng khí và ơ nhiễm dầu đối với đất. Thêm vào đó, thủy năng cũng tạo
ra những nguy cơ tiềm ẩn đối với môi trường từ việc xây dựng các hồ thủy điện như
góp phần làm thay đổi khí hậu địa phương, tạo ra lượng methane (CH4) do thủy phân
chất hữu cơ dưới lòng hồ…
Ngày nay, hàng năm toàn thế giới phát thải khoảng 25 tỷ tấn khí độc hại và khí
nhà kính. Nồng độ khí CO2 tăng trên 35% so với cách đây 200 năm (từ 280 ppm lên
đến 379 ppm vào năm 2005) [3] làm cho nhiệt độ trái đất ngày càng nóng lên. Nếu

2


khơng có giải pháp tích cực thì nhiệt độ trái đất nóng thêm 2-40C vào năm 2050 [3],
gây ra hậu quả nghiêm trọng về môi trường sống. Giải pháp cho những vấn đề trên là
tìm ra nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạo, nguồn nhiên liệu sinh học, những
nguồn năng lượng xanh, sạch ít gây ơ nhiễm mơi trường và đáp ứng được vấn đề an
ninh năng lượng. Trong đó, than bùn là một trong những nguồn nguyên liệu tiềm năng
có thể giải quyết một phần những vấn đề trên.
1.1.3. Than bùn: Nguồn nhiên liệu biomass
Sau chiến tranh thế giới thứ II, ở các nước Châu Âu, than bùn được xem như
nguồn nhiên liệu đóng vai trị quan trọng trong công cuộc phát triển đất nước. Nhiều
nước đã đưa ra những chương trình phát triển nguồn nhiên liệu này trong đó đi tiên
phong là: Canada, Mỹ, Ireland, Thụy Điển, Đức, Đan Mạch, Phần Lan và ở các nước
thành viên của Liên Xô. Đến năm 1968 hội than bùn quốc tế gọi tắt là IPS được thành
lập tại Quebec đánh dấu cho sự phát triển nguồn năng lượng mới này. Cũng như các
nguồn nhiên liệu khác, việc sử dụng than bùn làm nhiên liệu có ảnh hưởng đến mơi
trường như thế nào cũng được các nhà khoa học nghiên cứu, quan tâm và có nhiều ý
kiến khác nhau. Nhờ vào báo cáo “Vai trò của than bùn trong sự cân bằng hiệu ứng nhà
kính ở Phần Lan” mà các Bộ thương mại, Bộ công nghiệp của các nước Mỹ, Anh, Phần
Lan đã chứng minh rằng than bùn như là nhiên liệu sinh khối [4, 5]. Từ đây đã khẳng
định vai trị của than bùn trong phát triển và đóng góp vấn đề an ninh năng lượng của
các nước, thu hút nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học.
Nhìn chung, tác động của việc khai thác, chế biến và sử dụng than bùn như một
nguồn năng lượng đối với môi trường và tình hình an ninh năng lượng đã được nhiều
nước trên thế giới quan tâm và nghiên cứu. Ở Việt Nam, việc sử dụng than bùn làm
nhiên liệu đang bắt đầu được quan tâm nhưng vẫn còn đang là vấn đề còn khá mới mẽ.
Trữ lượng than bùn rất dồi dào hơn 7.100 triệu m3 trong khi đó sản lượng khai thác rất
ít, chưa được 10 nghìn tấn/năm [6]. Hiện nay, than bùn ở Việt Nam chủ yếu được sử
dụng làm phân bón, sản xuất các loại phân vi sinh, thuốc kích thích tăng trưởng cho

3


cây trồng và làm chất đốt. Vấn đề nghiên cứu sản xuất nhiên liệu lỏng khí từ than bùn
vẫn chưa được các nhà khoa học trong nước nghiên cứu. Tuy nhiên, trong tình hình
hiện nay, việc nghiên cứu tìm kiếm năng lượng mới, năng lượng thay thế là một trong
những định hướng nghiên cứu đang được tập trung ở các nước trên thế giới cũng như ở
Việt Nam để đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ, sự thiếu hụt năng lượng trong tương lai và
giải quyết vấn đề hiệu ứng nhà kính từ nguồn năng lượng hóa thạch. Do vậy, nghiên
cứu quá trình nhiệt phân than bùn để thu hồi năng lượng lỏng và khí là một vấn đề cấp
thiết, cần có những nghiên cứu cụ thể, góp phần vào thực hiện mục tiêu tìm nguồn
năng lượng thay thế cho tương lai.
1.2. Mục tiêu đề tài
Đề tài tập trung vào việc nghiên cứu quá trình nhiệt phân than bùn trên cơ sở
nhiệt phân bằng phương pháp nhiệt đơn thuần và nhiệt phân có xúc tác để thu hồi nhiên
liệu khí - lỏng. Các tham số như nhiệt độ của quá trình nhiệt phân, tỷ lệ khí trơ, tỷ lệ
hơi nước…. sẽ được khảo sát nhằm đưa ra điều kiện tối ưu cho q trình thu hồi nhiên
liệu khí lỏng từ quá trình nhiệt phân.
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Do đặc điểm không đồng nhất về thành phần than bùn từng khu vực, than bùn ở
các khu vực khác nhau sẽ có thành phần tương đối khác nhau. Vì vậy nghiên cứu quá
trình nhiệt phân than bùn phải được thực hiện trên các nguồn khác nhau thì mới đánh
giá chung về khả năng thu hồi nhiên liệu từ than bùn Việt Nam. Tuy nhiên, trong
khuôn khổ nghiên cứu này, chúng tôi sẽ tiến hành nghiên cứu thăm dò trên một loại
than bùn được khai thác từ Bình Dương. Kết quả nghiên cứu sẽ làm cơ sở cho các
nghiên cứu tiếp tục về vấn đề thu hồi nhiên liệu lỏng, khí từ than bùn bằng phương
pháp nhiệt phân. Chất xúc tác ứng dụng trong nghiên cứu này điều chế trên cơ sở đất
sét Bentonite cung cấp bởi công ty Trách Nhiệm Hữu Hạn Hương Cảnh, Tp. Hồ Chí
Minh. Nội dung nghiên cứu của đề tài sẽ tập trung vào việc đánh giá hiệu ứng của xúc

tác trong quá trình nhiệt phân đồng thời khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố như

4


nhiệt độ, khí trơ, hơi nước… đến hiệu quả thu hồi cũng như thành phần của sản phẩm
nhiên liệu lỏng - khí. Dựa trên một số kết quả nghiên cứu mà chúng tôi đã thực
nghiệm trước đây, tỷ lệ sản phẩm lỏng chiếm tỷ lệ thấp, hơn nữa thành phần lưu huỳnh
nhiều, do vậy chúng tôi chỉ khảo sát hiệu suất thu hồi của các sản phẩm lỏng, khí và
thành phần của sản phẩm khí.
1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.4.1. Ý nghĩa khoa học
Quá trình nhiệt phân trên các loại nguyên liệu khác đã được nghiên cứu nhiều.
và đã đạt được nhiều kết quả đáng ghi nhận. Tuy nhiên, nghiên cứu nhiệt phân than
bùn trên cơ sở xúc tác và khơng có xúc tác để thu hồi nhiên liệu là một trong những
nghiên cứu mới. Đặc biệt là việc sử dụng xúc tác được điều chế từ bentonite ở Việt
Nam. Mục tiêu của đề tài có ý nghĩa khoa học cao trong việc đưa ra một hướng nghiên
cứu mới, phù hợp trong tình hình hiện nay. Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở cho các
nghiên cứu tiếp tục trong việc tìm kiếm nguồn năng lượng mới trong tương lai tại Việt
Nam.
1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn
Nghiên cứu tìm kiếm năng lượng mới, năng lượng sinh học là một trong những
vấn đề cấp bách hiện nay của Việt Nam cũng như các nước trên thế giới. Trong những
năm qua, với mục tiêu là xây dựng an ninh năng lượng Quốc gia, chính phủ Việt Nam
đã đề ra những chương trình tầm cỡ quốc gia như đề án “Phát triển nhiên liệu mới,
nhiên liệu sinh học đến năm 2012, tầm nhìn đến năm 2022” đã được Thủ tướng Chính
Phủ phê duyệt và đang thực hiện. Đề tài nghiên cứu sản xuất nhiên liệu lỏng, khí từ
than bùn góp phần vào việc thực hiện được chủ trương hiện nay về vấn đề năng lượng
mới, nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn than bùn với trữ lượng dồi dào tại Việt Nam,
góp phần vào sự phát triển kinh tế ổn định của Quốc gia trong tương lai.

5


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1. Tình hình khai thác và tiêu thụ than bùn trên thế giới
Trong những năm thập niên 1990 than bùn được khai thác và sử dụng làm nhiên
liệu rất rộng rãi và phát triển mạnh ở Trung Phi và Đông Nam Á. (xem Bảng 1.1).
Bảng 2.1: Sự khai thác và tiêu thụ than bùn làm nhiên liệu trên thế giới năm 1999 [7]

Quốc gia

Khai thác (1000 tấn)

Tiêu thụ (1000 tấn)

Burundi
Falkland Islands
China
Indonesia
Austria
SBelarus
Estonia
Finland
Germany
Ireland
Latvia
Lithuania
Romania
Russian Federation

Sweden
Ukraine
United Kingdom
Tổng thế giới

12
15
600
536
1
3.090
575
7.927
20
2.927
383
98
11
3.220
1.117
716
20
21.268

12
15
600
520
1
2.157

345
6.849
8
2.232
139
87
11
2.847
1.100
502
10
17.435

Kết quả bảng 2.1 cho thấy ở các nước trên thế giới, than bùn đã được khai
thác và tiêu thụ nhiều trong những năm thập niên 1990. Các nước khai thác và tiêu
thụ than bùn nhiều nhất như Nga, Bê-la-rut, Ai-rơ-len. Kết quả cho thấy hầu hết
lượng than bùn khai thác ở các nước đều được tiêu thụ hết, trong giai đoạn này than
bùn được sử dụng làm nhiên liệu cho các lò hơi để tạo ra điện [7]. Tuy nhiên, việc
dùng than bùn đốt trực tiếp cho nhiệt cháy không cao, đồng thời do vấn đề về kinh
tế mà than bùn càng về sau ít được quan tâm [7].

6


2.2. Trữ lượng than bùn trên thế giới

Biểu đồ 1.2: Diện tích than bùn trên thế giới năm 1999

Trên thế giới, trữ lượng than bùn rất dồi dào tập trung đáng kể ở Bắc Mỹ, Châu
Á, Trung Âu, Bắc Âu, Ấn Độ. Trong đó, trữ lượng than bùn ở Bắc Mỹ lớn nhất thế

giới, gấp 1.5 lần so với Châu Âu và gấp 4 lần so với Châu Á. (xem Biểu đồ 1.2). Than
bùn thường phân bố trên mặt trái đất, tuy nhiên ở một số nơi, chúng nằm sâu dưới lịng
đất, trung bình dày 1.3 đến 1.4 m [7]. Theo khảo sát của Ủy Ban Năng Lượng Thế Giới
(WEC), năm 2007 trữ lượng than bùn toàn thế giới là 2.7 triệu km2, chiếm khoảng 2%
diện tích bề mặt trái đất [7].
2.3. Trữ lượng than bùn ở Việt Nam
Ở Việt Nam, nguồn tài nguyên than bùn ước tính khoảng 7.100 triệu mét khối,
trong đó Nam Bộ là 5.000 triệu m3, đồng bằng ven miền Trung là 450 triệu m3 và đồng
bằng Bắc Bộ là 1.650 triệu m3 [8]. Với trữ lượng dồi dào và chất lượng cao, than bùn ở
Việt Nam cần được chú trọng khai khác và chế biến cho mục đích đáp ứng nhu cầu
năng lượng, nhu cầu phát triển kinh tế, cơng nghiệp hóa hiện đại hóa, thay thế nguồn
năng lượng hóa thạch sắp cạn kiệt và đẩy lùi nguy cơ ô nhiễm môi trường.

7


2.4. Đặc điểm than bùn Việt Nam
2.4.1. Định nghĩa than bùn
Than bùn (peat) là một loại đá hữu cơ màu
hơi đen nâu, ướt, mềm, xốp, chứa dưới 50%
thành phần khoáng vật, được tạo thành do sự hủy
diệt và phân hoá khơng hồn tồn của cây cối
đầm lầy trong điều kiện ẩm ướt và thiếu khơng
khí [9].
Hình 2.1: Than bùn Bình Dương

2.4.2. Phân loại than bùn
Nhìn chung, than bùn được phân loại theo nhiều cách khác nhau dựa vào mức
độ phân hủy, điều kiện hình thành, thành phần tro và nguồn gốc vật chất hữu cơ của
chúng.

Dựa vào mức độ phân hủy, than bùn được chia làm 3 loại: mức độ phân hủy
thấp chứa 20% chất mùn; mức độ phân hủy trung bình chứa từ 20 - 40% chất mùn;
mức độ phân hủy cao chứa trên 40% chất mùn [9].
Theo điều kiện hình thành than bùn được chia ra thành 3 loại:
- Loại cao: được hình thành ở những nơi địa hình cao, nơi có ít nguồn nước
chảy lên trên mặt. Do đó trong than bùn ít có lẫn các khống vật, độ tro của than thấp.
- Loại trung gian: được hình thành do những dịng nước trên mặt chảy qua. Do
đó loại than bùn này có chứa nhiều thành phần các nguyên tố khác như nhôm, sắt.
- Loại thấp: được tạo thành ở những vùng đầm lầy, những nơi trũng thấp,
thường xuyên có nguồn nước chảy qua. Loại than này có chứa các kim loại khác như
nhơm, sắt, một lượng vôi đáng kể và độ tro cao.
Căn cứ vào thành phần tro, than bùn được chia thành các loại: than bùn cát, than
bùn sét, than bùn lưu huỳnh, than bùn vôi.

8


Ngoài ra, căn cứ vào nguồn gốc tạo thành những thành phần hữu cơ trong than
mà chia thành than bùn tại chỗ hoặc là than bùn ngoại lai [8].
2.4.3. Thành phần nguyên tố trong than bùn
Bảng 2.2. Thành phần hóa học than bùn [10,11]
Thành phần nguyên tố (%)
C

H

O

N

S

50-60

5-6.5

30-40

0.4-2

0.1-1.5

Nhìn chung trong than thành phần nguyên tố chủ yếu là cacbon và oxy, nitơ, lưu
huỳnh và một số thành phần khoáng kim loại [10,11]. Trong than bùn, chúng tồn tại
dưới dạng hợp chất, phân tích thành phần các chất có trong than bùn được chỉ ra trong
bảng 2.3.
Bảng 2.3. Thành phần các chất trong than bùn[10,11]
Nhóm chất

Thành phần, %

Những chất tan trong nước

1-5

Những chất dễ thủy phân

20-40

Lignin

5-20

Bitumen

2-10

Xenlulose

4-10

Axit humic

15-50

Hàm lượng tro

1-5

Như vậy, các chất chủ yếu trong than bùn gồm những chất dễ thủy phân, lignin,
xenlolose, axit humic,...Khi chịu tác dụng của nhiệt độ, các chất này bị phân hủy tạo ra
các anhydrat và sản phẩm khí có mạch hydrocacbon ngắn. Việc phân tích thành phần
than bùn đã cho thấy nhiệt phân than bùn có thể thu được lượng sản phẩm khí và lỏng,
các sản phẩm này có thể làm nhiên liệu [12, 13].

9


2.4.4. Ứng dụng than bùn
-

Chế biến than bùn làm phân bón: Qua các quy trình sản xuất, than bùn được

chế biến thành phân vi sinh hữu cơ và phân khoáng hữu cơ. Ngày nay, có nhiều cơ sở
sản xuất và cung cấp phân bón chất lượng cao từ than bùn, góp phần nâng cao năng
suất cây trồng, bổ sung nguồn dinh dưỡng hữu cơ cho đất [14].
- Chế biến than bùn làm chất kích thích tăng trưởng cây trồng: Than bùn được
dùng để sản xuất các muối humat hòa tan do trong than bùn có chứa các thành phần
khống vơ cơ như K, Na, P…Các muối này được tạo thành dưới dạng bột hoặc dung
dịch, dùng để phun trực tiếp lên lá và thân cây, giúp cây trồng tăng trưởng nhanh, nâng
cao chất lượng nông sản.
- Chế biến than bùn làm than hoạt tính: Sau khi qua cơng đoạn than hóa và hoạt
hóa, than bùn được loại bỏ các chất có nhựa và tạo ra các lỗ xốp trong than. Sản phẩm
thu được này được gọi là than hoạt tính, dùng để lọc nguồn nước sinh hoạt, xử lý
nguồn nước mặt và nước ngầm bị ô nhiễm, lọc mùi, lọc màu, lọc các chất hữu cơ hoà
tan, lọc các ion kim loại nặng, khử trùng v.v... [14]
Nhìn chung, than bùn ở nước ta được sử dụng chủ yếu để sản xuất phân bón,
các chất kích thích tăng trưởng cây trồng, than hoạt tính xử lý nước sinh hoạt. Hiện
nay, một số nơi đã sử dụng than bùn phối trộn với than anxatrit Tây Ninh làm chất đốt,
tuy nhiên vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi.
2.5. Cơ sở lý thuyết của q trình khí hố
Q trình chuyển hố một biomass thơng thường là làm giảm lượng nước chứa
trong vật liệu do sự tăng nhiệt độ và sự cải thiện đặc tính của nó, từ đó chúng có thể
chuyển thành sản phẩm dưới dạng lỏng hay khí [15]. Việc khử oxy trong biomass dưới
dạng CO, CO2 sẽ tạo ra sản phẩm khí có tỷ lệ Hydro/Carbon cao [16,17]. Một biomas
có thể được xử lý bằng nhiều cách khác nhau để thu nhiên liệu. Nhìn chung có hai
phương pháp chính để xử lý: phương pháp sinh học và phương pháp nhiệt [15]. Trong

10

đó, phương pháp sinh học bao gồm q trình thủy phân, q trình lên men và xử lý
yếm khí. Phương pháp chuyển hoá bằng nhiệt bao gồm sự đốt cháy, q trình khí hố,
nhiệt phân và lỏng hố. Sự đốt cháy cung cấp một lượng nhiệt, tạo ra hơi và từ đó tạo
ra điện. Sự khí hóa cung cấp khí nhiên liệu có thể đốt cháy, tạo ra nhiệt, hay được sử
dụng trong động cơ hoặc turbin để tạo ra điện. Ngồi ra, sản phẩm khí tạo ra trong q
trình khí hố có thể được tổng hợp để tạo ra methanol, hay hydrocacbon lỏng theo phản
ứng Fisher - Tropsh [17]. Q trình khí hóa được thực hiện ở nhiệt độ cao, các phản
ứng chính của q trình khí hóa bao gồm:
C + 1/2O2

= CO

∆H0 = -109 kJ

C + O2

= CO2

∆H0 = -390 kJ

C + H2O(hơi)

= CO + H2

∆H0 = +130 kJ

C + 2H2O(hơi)

= CO2 + 2H2

∆H0 = +88 kJ

C + CO2

= 2CO

∆H0 = +178 kJ

CO + H2O(hơi)

= CO2 + H2

∆H0 = -41 kJ

CO + 3H2

= CH4 + H2O(hơi)

∆H0 = -205 kJ

C + 2H2

= CH4

∆H0 = -71 kJ

Vậy q trình khí hóa là q trình chuyển những vật liệu chứa cacbon như than,
dầu khí, sinh khối… thành khí tổng hợp (CO, H2) ở nhiệt độ cao với sự kiểm soát
lượng oxy hoặc dòng hơi nước [18].

2.6. Cơ sở lý thuyết quá trình nhiệt phân
Khí hố và nhiệt phân là q trình đại diện cho sự đốt cháy khơng hồn tồn của
vật liệu. Nhiệt phân là bước đầu của q trình khí hóa [15] được thực hiện trong điều
kiện khơng có oxy, ở nhiệt độ trung bình. Tuy vậy, ranh giới giữa các q trình trên
khơng rõ ràng, trong một số trường hợp, các phản ứng của q trình này cũng có thể có
trong q trình kia [19]. Do đó, tùy vào tính chất nguyên liệu ban đầu và mục đích yêu
cầu sản phẩm mà ta chọn quá trình cho phù hợp.

11


2.6.1. Định nghĩa nhiệt phân
Nhiệt phân là quá trình thực hiện phân tách các thành phần hóa học bằng nhiệt
đối với những vật liệu hữu cơ ở nhiệt độ cao trong điều kiện khơng có oxy hoặc rất ít
oxy, khi đó q trình khí hóa khơng xảy ra hay chỉ diễn ra ít [20,21]. Hỗn hợp sản
phẩm nhiệt phân bao gồm rắn, lỏng, khí, các thành phần này có thể thay đổi tùy theo
nhiệt độ, kích thước hạt, thời gian lưu, áp suất… Nhiệt phân biomass trong điều kiện
áp suất khí quyển, sản phẩm khí thu được chủ yếu là H2, CO, CH4, CO2, C2H4, C2H6…,
[22] sản phẩm lỏng chủ yếu là H2O, các hydrocacbon cao phân tử ngưng tụ, và sản
phẩm rắn còn lại sau nhiệt phân là cacbon [23, 24]. Hiệu suất sản phẩm khí, lỏng, rắn
cũng phụ thuộc vào tốc độ gia nhiệt của quá trình nhiệt phân [22].
2.6.2. Phân loại của quá trình nhiệt phân
Dựa vào thời gian nhiệt phân người ta chia ra làm hai q trình nhiệt phân đó là
nhiệt phân nhanh và nhiệt phân chậm. Trong thực tế, sự lựa chọn quá trình nhiệt phân
nhanh hay chậm tùy theo tính chất yêu cầu về sản phẩm cần thu được. Sự khác nhau
của quá trình nhiệt phân nhanh và nhiệt phân chậm được chỉ ra trong bảng 2.4.
Bảng 2.4. Sự khác nhau giữa quá trình nhiệt phân nhanh và nhiệt phân chậm

Nhiệt phân nhanh
- Thời gian nhiệt phân nhanh

- Tốc độ gia nhiệt cao khoảng
5000C/giây
- Phản ứng tầng sôi
- Thu sản phẩm lỏng và khí là chủ yếu

Nhiệt phân chậm
- Thời gian nhiệt phân chậm có khi lên đến
một vài ngày
- Tốc độ gia nhiệt thấp
- Phản ứng tầng cố định
- Thu sản phẩm rắn và khí là chủ yếu

2.7. Cơ chế q trình cracking
2.7.1. Cơ chế quá trình cracking nhiệt

12


Cracking nhiệt là quá trình bẻ gãy mạch hydrocacbon từ mạch dài thành những
hydrocacbon mạch ngắn hơn dưới tác dụng của nhiệt độ. Cơ chế của quá trình cracking
nhiệt xảy ra theo cơ chế gốc tự do. Một ví dụ điển hình về cơ chế cracking nhiệt của nparafin được cụ thể như sau:
R-CH2-CH2-CH2-CH3

t0 cao

R-CH2-CH2* + C*H2-CH3

R-CH2-CH2*

R* + C2 H 4

C*H2-CH3

H * + C2 H 4

C*H2-CH2-CH3

CH3* + C2H4

CH3* + R-CH2-CH2-CH2-CH3

CH4 + R-CH2-CH2-C*H-CH3

R-CH2-CH2-C*H-CH3

R-CH2* + CH2=CH-CH3

Dưới tác dụng của nhiệt tác chất bị phân tách thành các R* tự do. Các gốc này
khơng bền và có xu hướng phân tách chuyển về trạng thái bền hơn. Đồng thời kết hợp
với các gốc tự do nhỏ hơn hình thành nên R’* tự do mới và q trình chuyển hóa tiếp
tục diễn ra theo chuỗi phản ứng. Như vậy, theo như cơ chế trên các thành phần sản
phẩm khí như H2, CH4, C2H4 thu được là chủ yếu [25].
2.7.2. Cơ chế quá trình cracking xúc tác
Cracking xúc tác là quá trình bẻ gãy mạch hydrocacbon mạch dài thành những
hydrocacbon mạch ngắn hơn nhờ tác dụng của xúc tác và nhiệt độ. Có nhiều nhà
nghiên cứu đưa ra những cơ chế khác nhau về quá trình phản ứng cracking xúc tác.
Tuy nhiên, phổ biến nhất là giải thích theo cơ chế ion cacbonia [25]. Theo cơ chế này,
quá trình cắt mạch diễn ra theo 3 giai đoạn: ví dụ craking n-hexan sử dụng xúc tác
nhơm silicat theo 3 giai đoạn như sau:
Giai đoạn 1: Là giai đoạn ion cacboni được tạo thành, ion này hình thành do nhexan hấp thụ trên trung tâm axit Lewis của xúc tác.

CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3

+ A(H+)

CH3-C+H-CH2-CH2-CH2-CH3
+ H2
CH3-CH2-CH+-CH2-CH2-CH3

13