Nghiên cứu phát triển hệ thống khí hóa sinh khốI để cung cấp năng lượng quy mô nhỏ ở việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------

NGUYỄN TIẾN CƢƠNG

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG
KHÍ HĨA SINH KHỐI ĐỂ CUNG CẤP
NĂNG LƢỢNG QUY MÔ NHỎ Ở VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT

HÀ NỘI – 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------

NGUYỄN TIẾN CƢƠNG

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG
KHÍ HĨA SINH KHỐI ĐỂ CUNG CẤP
NĂNG LƢỢNG QUY MÔ NHỎ Ở VIỆT NAM
Chuyên ngành: KỸ THUẬT NHIỆT
Mã số: 62520115

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Phạm Hồng Lương

2. PGS.TS. Văn Đình Sơn Thọ

HÀ NỘI – 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng
được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả

Nguyễn Tiến Cƣơng

i


LỜI CẢM ƠN
Với tất cả sự kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất, tác giả xin chân thành cảm ơn thầy
giáo hướng dẫn PGS. TS Phạm Hoàng Lương, PGS. TS Văn Đình Sơn Thọ đã tận tình chỉ
bảo và động viên trong suốt quá trình nghiên cứu và viết luận án để tác giả có thể hồn
thành bản luận án này.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn tập thể các thầy giáo, cô giáo của Viện Khoa học và
Công nghệ Nhiệt Lạnh, Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ, Viện Đào tạo Sau đại học
của trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện cho tác giả
trong quá trình nghiên cứu và thực hiện luận án.
Tác giả xin chân thành cảm ơn chủ nhiệm và các thành viên nhóm nghiên cứu đề tài
nghị định thư hợp tác Việt – Thái (đề tài “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo và vận hành thử
nghiệm hệ thống khí hóa sinh khối cung cấp năng lượng quy mô nhỏ phù hợp với điều kiện
Việt Nam”), đã hỗ trợ cơng sức, trí tuệ, trang thiết bị cũng như kinh phí để tác giả có thể
chế tạo, phát triển và hồn thiện mơ hình thử nghiệm.

Xin trân trọng cảm ơn các cán bộ kĩ sư trong xưởng Thiết bị áp lực, Viện Khoa học và
Công nghệ Nhiệt Lạnh, cán bộ phịng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực,
cán bộ phịng thí nghiệm Hóa dầu, Viện Cơng nghệ Hóa học, các chun gia trong và
ngồi nước trong lĩnh vực khí hóa đã hỗ trợ cơng sức, góp ý chia sẻ để tác giả hồn thiện
mơ hình.
Cuối cùng xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp đã
động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện luận án.
Tác giả

Nguyễn Tiến Cƣơng

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của đề tài
2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án
2.1 Mục tiêu tổng quát
2.2 Mục tiêu cụ thể
3 Nội dung nghiên cứu
4 Phạm vi nghiên cứu và phƣơng pháp nghiên cứu
4.1 Phạm vi nghiên cứu
4.2 Phương pháp nghiên cứu

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
6 Điểm mới của luận án
7 Trình tự luận án
CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ KHÍ HĨA SINH KHỐI TRONG SẢN XUẤT
NĂNG LƢỢNG
Tóm tắt chƣơng 1
1.1 Cơng nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất năng lƣợng quy mơ nhỏ
1.1.1 Lị khí hóa ngược chiều
1.1.2 Lị khí hóa thuận chiều
1.1.3 Lị khí hóa dịng cắt ngang
1.1.4 Đặc điểm của khí hố sinh khối theo lớp cố định
1.1.5 Ưu, nhược điểm của các loại lị khí hóa sinh khối lớp cố định
1.2 Đặc điểm của cơng nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất điện năng
1.2.1 Đặc điểm cơng nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất điện năng công suất
nhỏ
1.2.2 Những tồn tại trong phát triển công nghệ khí hóa sinh khối để sản xuất điện
năng quy mô nhỏ
1.2.3 Xu hướng nghiên cứu trong phát triển công nghệ khí hóa sinh khối để sản
xuất điện năng
1.3 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng cơng nghệ khí hóa sinh khối trong sản
xuất năng lƣợng quy mô nhỏ
1.3.1 Các cơng trình cơng bố trong và ngồi nước có liên quan trực tiếp đến đề tài
1.3.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng tại một số quốc gia trên thế giới
1.3.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng ở Việt Nam
1.4 Một số sơ đồ hệ thống khí hóa sinh khối sản xuất năng lƣợng quy mơ nhỏ
điển hình hiện nay
1.5 Tiềm năng phát triển cơng nghệ khí hóa sinh khối để sản xuất điện năng ở
Việt Nam
1.5.1 Nhu cầu năng lượng
1.5.2 Tiềm năng nguồn và sự phù hợp của sinh khối ở Việt Nam với cơng nghệ

khí hóa
iii

Trang
i
ii
iii
vi
xi
xii
1
1
2
2
2
2
2
2
3
3
3
4
5
5
5
5
5
6
6
6

7
7
8
8
9
9
11
14
15
18
18
20


Kết luận chƣơng 1
CHƢƠNG 2 – CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ Q TRÌNH KHÍ HĨA SINH KHỐI
Tóm tắt chƣơng 2
2.1 Lý thuyết về khí hóa sinh khối
2.1.1 Q trình khí hóa sinh khối
2.1.2 Các phản ứng xảy ra ở các vùng trong lị khí hố sinh khối
2.1.3 Các phản ứng của cốc trong lị khí hóa
2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ phản ứng của cốc
2.1.5 Động học và nhiệt động học q trình khí hố sinh khối
2.1.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình khí hóa sinh khối
2.2 Hắc ín, cơ chế hình thành và phƣơng pháp khử hắc ín trong q trình khí
hóa sinh khối
2.2.1 Hắc ín và cơ chế hình thành hắc ín
2.2.2 Tác hại của hắc ín
2.2.3 Các phương pháp xử lí hắc ín
2.2.4 Một số thiết kế lị khí hóa để xử lí hắc ín đang được nghiên cứu và phát triển

Kết luận chƣơng 2
CHƢƠNG 3 – CẢI TIẾN CÔNG NGHỆ VÀ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
Q TRÌNH KHÍ HĨA VỚI NGUỒN SINH KHỐI Ở VIỆT NAM
Tóm tắt chƣơng 3
3.1 Cải tiến cơng nghệ và xây dựng hệ thống khí hóa sinh khối
3.1.1 Cải tiến cơng nghệ
3.1.2 Sơ đồ hệ thống khí hóa sinh khối và ngun lí làm việc
3.1.3 Tính tốn, thiết kế thiết bị khí hóa sinh khối
3.2 Thiết lập hệ thống thiết bị đo lƣờng và phân tích
3.2.1 Hệ thống phân tích thành phần khí sản phẩm
3.2.2 Hệ thống đo lưu lượng khơng khí
3.2.3 Hệ thống đo lưu lượng khí sản phẩm
3.2.4 Hệ thống đo nhiệt độ
3.2.5 Hệ thống đo hàm lượng hắc ín trong khí sản phẩm
3.3 Tính tốn và xử lí số liệu thí nghiệm
3.3.1 Xác định lưu lượng khí sản phẩm
3.3.2 Tính nhiệt trị khí sản phẩm
3.3.3 Xác định hàm lượng hắc ín
3.3.4 Xác định suất tiêu hao nhiên liệu
3.3.5 Xác định độ ẩm của nhiên liệu
3.3.6 Tính hiệu suất hệ thống khí hóa
3.3.7 Tính cân bằng các bon
3.3.8 Tính vận tốc bề mặt SV
3.3.9 Tính tỷ số khơng khí tương đương ER
3.3.10 Xử lý số liệu thí nghiệm
3.4 Đánh giá sai số của q trình thí nghiệm
3.4.1 Sai số hệ thống của thí nghiệm
3.4.2 Sai số ngẫu nhiên của thí nghiệm
3.5 Trình tự thí nghiệm
3.5.1 Quy trình vận hành hệ thống khí hóa sinh khối

3.5.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cấp gió đến q trình khí hóa sinh khối
3.5.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm nhiên liệu đến q trình khí hóa sinh khối
3.5.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của chủng loại nhiên liệu đến q trình khí hóa sinh
iv

25
27
27
27
27
30
30
34
35
38
39
39
40
41
41
42
43
43
43
43
45
47
55
55
55

55
56
57
58
58
58
59
59
59
59
60
60
60
60
61
61
62
62
62
63
65
66


khối
3.5.5 Ảnh hưởng của tỷ số ER đến quá trình khí hóa sinh khối
3.6 Kết quả thí nghiệm và thảo luận
3.6.1 Ảnh hưởng của chế độ cấp gió đến quá trình khí hóa sinh khối
3.6.2 Ảnh hưởng của độ ẩm nhiên liệu đến q trình khí hóa sinh khối
3.6.3 Ảnh hưởng của chủng loại nhiên liệu đến q trình khí hóa sinh khối

3.6.4 Ảnh hưởng của tỷ số ER đến q trình khí hóa sinh khối
3.6.5 So sánh, phân tích các kết quả đạt được trên hệ thống khí hóa mới phát triển
3.6.6 Xác định tỷ suất sinh khí sản phẩm với một số loại sinh khối
Kết luận chƣơng 3
CHƢƠNG 4 – NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHÍ HĨA SINH KHỐI ĐỂ
SẢN XUẤT ĐIỆN NĂNG
Tóm tắt chƣơng 4
4.1 Sơ đồ hệ thống và quy trình vận hành
4.1.1 Sơ đồ hệ thống khí hóa sinh khối kết hợp động cơ – máy phát
4.1.2 Quy trình vận hành hệ thống khí hóa sinh khối kết hợp động cơ – máy phát
4.2 Thiết lập hệ thống đo lƣờng và phân tích
4.2.1 Hệ thống đo nhiệt độ
4.2.2 Hệ thống đo lưu lượng khí sản phẩm cấp vào động cơ
4.2.3 Hệ thống đo phụ tải điện
4.2.4 Hệ thống đo lượng diesel tiêu hao
4.2.5 Hệ thống phân tích khói thải của động cơ
4.3 Tính tốn và xử lí số liệu thí nghiệm
4.3.1 Xác định tỷ lệ lượng diesel được thay thế bởi khí sản phẩm
4.3.2 Xác định hiệu suất của hệ thống động cơ – máy phát
4.4 Trình tự thí nghiệm
4.4.1 Trình tự thí nghiệm với hệ thống khí hóa sinh khối
4.4.2 Trình tự thí nghiệm với hệ thống động cơ – máy phát
4.5 Kết quả thí nghiệm và thảo luận
4.5.1 Kết quả thí nghiệm động cơ- máy phát với nhiên liệu sử dụng là 100% diesel
4.5.2 Kết quả và thảo luận khi động cơ – máy phát vận hành ở chế độ nhiên liệu
kép với nhiên liệu cấp vào hệ thống khí hóa là than hoa
4.5.3 Kết quả và thảo luận khi động cơ – máy phát vận hành ở chế độ nhiên liệu
kép với sinh khối cấp vào hệ thống khí hóa là gỗ mẩu và viên nén mùn cưa
4.6 Sử dụng phần mềm mô phỏng để kiểm chứng với kết quả thực nghiệm khi
động cơ vận hành ở chế độ nhiên liệu kép

4.6.1 Cơ sở lý thuyết và thiết lập mơ hình
4.6.2 Kết quả mô phỏng và thảo luận
4.6.3 So sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm
Kết luận chƣơng 4
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
1 Kết luận
2 Đề xuất
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

v

67
67
67
72
77
81
84
88
89
91
91
91
91
91
93
93
94

94
94
95
95
95
95
95
95
97
98
98
101
108
112
112
114
117
118
119
119
120
121
122
129


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Stt
1

2
3
4
5
6

Ký hiệu
A
Aad
Ai
Ash
A0

7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21

BFB

Cad

22
23
24
25

Bc

Cfas
CFB
Cg
CHP
CN2
Cmix
CP n
CP nl

CPkhi
Cs

D
Dc
De

Các ký hiệu theo chữ Latinh
Tên đại lượng
Diện tích bề mặt riêng của nhiên liệu
Phần trăm lượng tro trong nhiên liệu khơ
Diện tích bề mặt đầu xilanh

Phần trăm khối lượng tro trong nhiên liệu
Hằng số trước hàm số mũ
Chiều rộng cửa vào xyclon
Lị khí hóa lớp sơi bọt
Lượng cacbon trong nhiên liệu khô
Nồng độ chất A tham gia phản ứng
Nồng độ chất B tham gia phản ứng
Nồng độ chất C tham gia phản ứng
Nồng độ chất D tham gia phản ứng
Cacbon hoạt tính tự do
Lị khí hóa lớp sơi tuần hoàn
Tốc độ khuếch tán
Đồng phát nhiệt điện
Nồng độ thể tích khí nitơ
Nồng độ thể tích hỗn hợp khí
Nhiệt dung riêng của nước
Nhiệt dung riêng của nhiên liệu sinh khối
Nhiệt dung riêng của nhiên liệu khí sản phẩm
Tốc độ động học
Đường kính phần thân chính của lị (nhiệt phân)
Đường kính thân chính của xyclon

m/s
m
m
m

Đường kính miệng phun gió vào lị khí hóa
Đường kính thót lị khí hóa
Đường kính ống thốt khí sản phẩm của lị khí hóa

Năng lượng hoạt hóa của phản ứng
Tỷ lệ khơng khí tương đương
Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của bộ sấy khơng
khí
Tiết diện của thót lị khí hóa
Phần trăm lượng cacbon cố định trong nhiên liệu
Phần thể tích rỗng của nhiên liệu trong lị
Máy sắc ký khí
Tổng thu nhập quốc dân
Lưu lượng khí sản phẩm

m
m
m

m2
%
%
m3/h
m3/h
kg/s

Dm
Do
D ra
E
ER

32
33

34
35
36
37

FA
FCad
Fv
GC
GDP

38
39

Ggt

Gkhi

Lưu lượng khí sản phẩm tức thời (ở thời t)
Lưu lượng khơng khí đi qua bộ sấy khơng khí

40

GN2

Lưu lượng khí nitơ

Gg

%

m/s
%
%
kJ/kgK
kJ/kgK
kJ/kgK

Đường kính ống thốt khí trong thân xyclon

26
27
28
29
30
31

F

Thứ nguyên
cm2/viên
%
m2
%
m

m2

l/p
vi

41

Gmax

42
43
44
45
46
47

gtar
G1
G2
G3
Had

48
49

HC

50
51

Hct
Hdaf

52

53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63

Hch
Hđ
HHV
HHVd
HHVdaf
Hkh
Hnp
hm
hp
Hs
Hth

64
65

hw

H0

66
67
68
69

H1
h1c
H2
h2c

70
71
72
73
74
75
76
77
78
79

H3
IGCC
Jc
Ke
Kg

80
81

LHV
LHVDO

Hc

Kpt
Lc

lc

Lưu lượng khí sản phẩm lớn nhất cấp vào động cơ
ở một chế độ vận hành xác định
Là hàm lượng hắc ín trong khí sản phẩm
Lưu lượng gió cấp vào cửa gió cấp 1 của lị khí hóa
Lưu lượng gió cấp vào cửa gió cấp 2 của lị khí hóa
Lưu lượng gió cấp vào cửa gió cấp 3 của lị khí hóa
Phần trăm lượng hydro trong nhiên liệu khơ
Dịng entanpi do khí sản phẩm lọt xuống cacte
Nồng độ hydrocacbua trong khói thải động cơ
Chiều cao cửa khí sản phẩm vào xyclon
Chiều cao tháp rửa và làm nguội khí
Phần trăm lượng hydro trong nhiên liệu khơ khơng
tính đến thành phần tro
Chiều cao vùng cháy của lị khí hóa
Chiều cao vùng đệm của lị khí hóa
Nhiệt trị cao của nhiên liệu
Nhiệt trị cao của mẫu khô
Nhiệt trị cao của mẫu cháy
Chiều cao vùng khí hóa của lị khí hóa

Chiều cao vùng nhiệt phân của lị khí hóa
Tốc độ chuyển khối trên diện tích bề mặt thực tế
Nhiệt lượng cho q trình nhiệt phân
Chiều cao vùng sấy của lị khí hóa
Chiều cao điểm thót so với ghi
Dịng entanpi tổn thất từ vùng cháy sang vùng chưa
cháy trong xylanh
Nhiệt lượng cho q trình hóa hơi nước
Chiều cao tối thiểu từ vùng thót đến phần thân
chính lị khí hóa
Chiều cao điểm cấp gió cấp 1 so với ghi lò
Chiều cao ống tâm của xyclon
Chiều cao điểm cấp gió cấp 2 so với ghi lị
Chiều cao phần ống thốt ngồi ống tâm của
xyclon
Chiều cao điểm cấp gió cấp 3 so với ghi lị
Chu trình kết hợp khí hóa
Đường kính trong của cửa tháo bụi xyclon
Hằng số cân bằng phản ứng
Tỷ suất sinh khí
Hằng số tốc độ phản ứng nghịch
Phát thải các khí trong khói thải động cơ
Hằng số tốc độ phản ứng thuận
Chiều cao phần thân chính xyclon
Chiều dài ống dẫn khí sản phẩm vào xyclon
Nhiệt trị thấp
Nhiệt trị thấp của dầu diesel
vii

m3/h

mg/m3
l/p
l/p
l/p
%
ppm
m
m
%
m
m
MJ/kg
MJ/kg
MJ/kg
m
m
kg/s.m2
J/g
m
m
J/g
m
m
m
m
m
m
m
m3/kg
m

m
MJ/kg


82
83

LHVf
LHVgt

84

ls

85
86
87
88

M
Mchứa
mDO

89
90
91

mf
mH 2O

92
93
94
95
96
97
98
99
100

Mnp

101
102
103
104
105
106

msoot.ox
m0
m1
m2
m4
nCH 4

Nhiệt trị thấp của nhiên liệu sinh khối
Nhiệt trị thấp tức thời (thời điểm t) của khí sản
phẩm
Chiều dài ống trao đổi nhiệt của thiết bị sấy khơng

khí
Phần trăm khối lượng ẩm trong nhiên liệu
Khối lượng nhiên liệu cấp trong một mẻ
Lượng dầu diesel tiêu hao
Lượng dầu diesel tiêu hao trong trường hợp vận
hành nhiên liệu kép
Lượng dầu diesel tiêu hao trong trường hợp vận
hành đơn nhiên liệu (100% nhiên liệu diesel)
Suất tiêu hao nhiên liệu
Khối lượng nước trong nhiên liệu sinh khối

MJ/kg
MJ/m3

Khối lượng nhiên liệu trong vùng nhiệt phân
Lượng bồ hóng hình thành
Lượng bồ hóng tham gia phản ứng cháy
Khối lượng hắc ín thu được trong thí nghiệm
Năng suất khí hóa riêng trên ghi
Khối lượng sinh khối cấp vào lị
Khối lượng sinh khối cịn lại sau thí nghiệm
Khối lượng tro thu được sau thí nghiệm
Số kmol CH4 trong khí sản phẩm

kg
g
kg/m2.h
kg
kg
kg

kmol

m
%
kg
kg/h
kg/h
kg/h
kg/h
kg

nCO2

Số kmol CO trong khí sản phẩm
Số kmol CO2 trong khí sản phẩm

kmol
kmol

nH

Số mol H2 trong khí sản phẩm

kmol

nCO

2

Oad

Pe
Pg

107
108
109
110
111
112

Pt
Q
q
Qch
QH 2O

113

QKK

114
115
116
117
118
119

Qkh
Qnl
QNP

Qnp
QS
Qtổng

120

Qtt

Phần trăm lượng oxy trong nhiên liệu khô
Công suất điện thực tế của máy phát
Nồng độ các chất khí hóa bên ngồi hạt cốc ở áp
suất riêng phần
Áp suất riêng phần của khí i
Cơng suất đặt của phụ tải
Cơng suất nhiệt của lị
Lượng nhiệt trao đổi trên 1 đơn vị diện tích thiết bị
Lượng nhiệt sinh ra từ phản ứng cháy trong lò
Lượng nhiệt cung cấp cho nước trong vùng nhiệt
phân
Lượng nhiệt khơng khí nhận được
Lượng nhiệt trong vùng khí hóa
Lượng nhiệt cung cấp để gia nhiệt cho nhiên liệu
Lượng nhiệt cung cấp cho vùng nhiệt phân
Lượng nhiệt để nhiệt phân nhiên liệu
Lượng nhiệt để sấy nhiên liệu
Tổng lượng nhiệt của 3 vùng sấy, nhiệt phân, khí
hóa
Lượng nhiệt tổn thất của lò
viii

%
kW
bar
kW
kW
W/cm2
kJ
kJ
kJ
kJ
kJ
kJ
kJ
kJ
kJ
kJ


121
122
123
124
125
126
127

Qwi
R
r
RA

RB
Rc
RDO

128
129
130
131
132
133
134
135

Rs
r0
Sct
SEC
SV
TC
Twi

t 2'
t1'

Dòng nhiệt truyền qua vách buồng đốt động cơ
Hằng số chất khí
Tốc độ phản ứng
Lượng khơng khí thực tế trên 1 kg nhiên liệu
Lượng khơng khí lý thuyết trên 1 kg nhiên liệu
Tốc độ động học của phản ứng

Phần trăm lượng nhiên liệu diesel được thay thế bởi
khí sản phẩm
Đồng Rupi
Bán kính vùng thót lị
Tiết diện ngang của tháp rửa khí sản phẩm
Suất tiêu hao năng lượng riêng
Vận tốc bề mặt của khí sản phẩm qua vùng thót
Nhiệt độ khí trong xylanh
Nhiệt độ vách
Nhiệt độ khơng khí vào bộ sấy

W
3
m /kg
m3/kg
%
m
m2
kJ/kWh
m/s
0
C
0
C
0
C

Nhiệt độ khí sản phẩm vào bộ sấy

0

C

t 2''
t1''

Nhiệt độ khơng khí ra khỏi bộ gia nhiệt

0

C

Nhiệt đội khí sản phẩm ra khỏi bộ gia nhiệt

0

C

139
140

Vad
vf

Phần trăm lượng oxy trong nhiên liệu khô
Vận tốc nhiên liệu đi vào vùng nhiệt phân

%
m/s

141

vg

Là vận tốc khí sản phẩm trong ống thốt

m/s

142
143
144
145

Vg
VKK

136
137
138

146
147
148
149
150
151
Stt
1
2
3

4
5
6
7
8
9
10

O
VKK
Vphễu
Vs
Wad
wq
X
Zc

Ký hiệu

Thành phần khí sản phẩm
Lưu lượng khơng khí cấp vào lị
Vận tốc khơng khí cấp vào lị
Thể tích khơng khí cần để cháy hết 1 kg nhiên liệu

%
m3/h
m/s
m3/kg

Thể tích phễu nhiên liệu

Thể tích vùng sấy
Phần trăm lượng ẩm trong nhiên liệu khô
Tốc độ quy ước lưu chất chuyển động trong xyclon
Là phần cacbon chuyển hóa
Chiều cao phần thân hình nón xyclon
Các ký hiệu theo chữ Hy Lạp
Tên đại lượng
Tỷ trọng đổ của nhiên liệu
Góc nghiêng giữa vách thót lị với mặt phẳng
ngang
Khối lượng riêng của nhiên liệu
Hệ số phân chia phản ứng
Tốc độ gia nhiệt trong quá trình nhiệt phân
Hiệu suất động cơ – máy phát
Hiệu suất thuận của lò
Hiệu suất nghịch của lò
Thời gian kết thúc tiêu hao nhiên liệu
Thời gian bắt đầu tiêu hao nhiên liệu

m3
m3
%
m/s
m

ix

Thứ nguyên
kg/m3
Độ

kg/m3
0
C/phút
%
%
%
Giờ
Giờ


11
12
13

ct

14
15
16
17
18
19
20

t
t1

21

t2

22

T

∑

Stt
1

Ký hiệu
CIRAD

2
3
4
5
6
7
8
9
10

CHLB
ĐHBKHN
GsT
IEA
KHSK
NLSH
NLTT

NPC
NREL

11
12
13
14
15
16
17
18
19

MPS
OPEC
PP
SP
TNHH
TOE
Tp
UNDP
USD

Thời gian bắt đầu giai đoạn ổn định
Thời gian kết thúc giai đoạn ổn định
Tốc độ khí trong tháp rửa

Giờ
Giờ
m/s

Độ chênh năng lượng Gibbs
Độ chênh Entanpi
Độ chênh Entropi
Độ chênh áp suất
Độ chênh nhiệt độ
Độ chênh nhiệt độ trung bình
Độ chênh nhiệt độ khí sản phẩm vào và ra khỏi bộ
sấy
Độ chênh nhiệt độ khơng khí vào và ra khỏi bộ sấy

kJ/mol
kJ/mol
kJ/mol.K
bar
K
0
C
0
C

Tổng lưu lượng gió cấp vào lị
Các chữ viêt tắt
Tên đại lượng
Trung tâm nghiên cứu quốc tế về nông học phục vụ
phát triển
Cộng hòa liên bang Đức
Đại học Bách Khoa Hà Nội
Cơng cụ phần mềm khơng gian địa lí
Cơ quan năng lượng quốc tế

Khí hóa sinh khối
Nhiên liệu sinh học
Năng lượng tái tạo
Chi phí hiện tại thuần
Phịng thí nghiệm nghiên cứu phát triển năng lượng
tái tạo của Mĩ
Hệ thống sản xuất công suất nhỏ
Tổ chức các nước xuất khẩu dầu lửa
Phụ phẩm
Sản phẩm
Trách nhiệm hữu hạn
Tấn dầu tiêu chuẩn
Thành phố
Chương trình phát triển liên hợp quốc
Đơ la Mĩ

l/p

x

0

C


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Đặc tính vận hành của một số lị khí hóa sinh khối lớp cố định
Bảng 1.2: Một số ưu, nhược điểm của các loại lò KHSK lớp cố định
Bảng 1.3: Ứng dụng cơng nghệ khí hóa sinh khối ở quy mơ vừa và nhỏ tại Trung
Quốc

Bảng 1.4: Một số cơng nghệ khí hóa sinh khối chính sử dụng ở Trung Quốc
Bảng 1.5: Danh sách nhà máy khí hóa sinh khối sản xuất điện ở Thái Lan
Bảng 1.6: Dự báo tăng trưởng nhu cầu điện của Việt Nam đến 2021
Bảng 1.7: Điện năng và tỷ lệ gia tăng điện năng sản xuất từ năng lượng tái tạo
Bảng 1.8: Định hướng phát triển nguồn điện đến năm 2020
Bảng 1.9: Định hướng phát triển nguồn điện đến năm 2030
Bảng 1.10: Tiềm năng và khả năng khai thác năng lượng sinh khối ở Việt Nam
Bảng 1.11: Thành phần công nghệ và nhiệt trị thấp của sinh khối ở Việt Nam
Bảng 1.12: Thành phần hóa học của sinh khối ở Việt Nam
Bảng 1.13: Hàm lượng các oxit kim loại có trong tro
Bảng 1.14: Kết quả phân tích q trình nhiệt phân và cháy của mẫu sinh khối
Bảng 2.1: Các phản ứng đặc trưng xảy ra trong lị khí hóa sinh khối
Bảng 2.2: So sánh ảnh hưởng của kích thước hạt cốc đến tốc độ khí hóa và cháy
Bảng 3.1: So sánh đặc tính vận hành của lị khí hóa một cấp và nhiều cấp
Bảng 3.2: Thành phần nguyên liệu ban đầu
Bảng 3.3: Thành phần khí sản phẩm ra với nhiên liệu là mẩu gỗ keo
Bảng 3.4: Kích thước chi tiết mẫu lị khí hóa sinh khối nhiều cấp gió dải công suất
từ 40 kW đến 2 MW
Bảng 3.5: Thành phần của nhiên liệu than hoa
Bảng 3.6: Thơng số thí nghiệm và các đại lượng bị ảnh hưởng bởi chế độ cấp gió
Bảng 3.7: Số liệu thu thập trong q trình thí nghiệm của mỗi thí nghiệm
Bảng 3.8: Thành phần của nhiên liệu gỗ keo
Bảng 3.9: Thơng số thí nghiệm và các đại lượng bị ảnh hưởng bởi độ ẩm
Bảng 3.10: Thơng số thí nghiệm và các đại lượng bị ảnh hưởng bởi loại sinh khối
sử dụng
Bảng 4.1: Đặc tính của nhiên liệu diesel
Bảng 4.2: Thông số vận hành thiết bị khí hóa sinh khối và khí sản phẩm cấp vào
động cơ ở chế độ thí nghiệm kết nối với động cơ – máy phát (với nhiên liệu than
hoa)
Bảng 4.3: Thông số vận hành thiết bị khí hóa sinh khối và khí sản phẩm cấp vào

động cơ ở chế độ thí nghiệm kết nối với động cơ – máy phát (với nhiên liệu mẩu
gỗ keo)
Bảng 4.4: Thông số vận hành thiết bị khí hóa sinh khối và khí sản phẩm cấp vào
động cơ ở chế độ thí nghiệm kết nối với động cơ – máy phát (với nhiên liệu viên
nén mùn cưa)
Bảng 4.5: Thông số hệ thống động cơ – máy phát
Bảng 4.6: Thơng số thí nghiệm
Bảng 4.7: Đặc tính và thành phần của khí sản phẩm
Bảng 4.8: Lưu lượng khí sản phẩm, khơng khí và lamda với các tỷ lệ thay thế

xi

Trang
6
6
11
12
13
19
19
19
20
22
22
23
23
24
29
33
44

47
47
54
63
63
65
65
66
66
91

96

96

96
97
98
114
115


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Khí hóa ngược chiều
Hình 1.2: Khí hóa thuận chiều
Hình 1.3: Khí hóa dịng cắt ngang
Hình 1.4: Phân phối năng lượng từ khí hóa sinh khối tại Trung Quốc
Hình 1.5: Sơ đồ hệ thống khí hóa sinh khối sản xuất điện tại Bengal, Ấn Độ
Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống khí hóa sinh khối sản xuất điện của TERI, Ấn Độ
Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống khí hóa sinh khối kiểu thuận chiều 2 cấp kết hợp sản

xuất điện
Hình 1.8: Sơ đồ hệ thống khí hóa sinh khối kiểu thuận chiều nhiều cấp kết hợp sản
xuất điện, Thái Lan
Hình 1.9: Dự báo tổng nhu cầu về năng lượng của Việt Nam đến 2030
Hình 1.10: Sản lượng sinh khối một số tỉnh phía Bắc
Hình 1.11: Sản lượng sinh khối một số tỉnh Miền trung và Nam bộ
Hình 1.12: Giản đồ kết quả phân tích nhiệt của mẫu rơm với tốc độ gia nhiệt β t =
100C/ph
Hình 1.13: Giản đồ kết quả phân tích nhiệt của mẫu trấu với tốc độ gia nhiệt βt =
100C/ph
Hình 1.14: Giản đồ kết quả phân tích nhiệt của mẫu mùn cưa với tốc độ gia nhiệt
βt = 100C/ph
Hình 2.1: Lưu đồ của q trình khí hóa sinh khối
Hình 2.2: Biểu đồ C-H-O của q trình khí hóa
Hình 2.3: Mơ hình q trình khí hóa sinh khối diễn ra trong lị kiểu thuận chiều
Hình 2.4: Hằng số cân bằng của các phản ứng khí hóa
Hình 2.5: Cơ chế khí hóa cốc trong các lỗ trống hạt cốc
Hình 2.6: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự hình thành hắc ín
Hình 2.7: Phương pháp tổng quát trong xử lí hắc ín của hệ thống khí hóa sinh khối
Hình 3.1: Biến thiên nhiệt độ theo thời gian dọc thân lị
Hình 3.2: Sơ đồ ngun lí tổng thể hệ thống khí hóa sinh khối
Hình 3.3: Hình ảnh về nhiên liệu gỗ keo
Hình 3.4: Cấu tạo vùng thót lị
Hình 3.5: Bản vẽ tổng thể lị
Hình 3.6: Thiết bị phân tích thành phần khí sản phẩm
Hình 3.7: Sơ đồ hệ thống đo và kiểm sốt lưu lượng khí cấp vào lị
Hình 3.8: Sơ đồ hệ thống đo lưu lượng khí sản phẩm từ thiết bị khí hóa
Hình 3.9: Hệ thống đo nhiệt độ
Hình 3.10: Sơ đồ hệ thống thiết bị xác định hàm lượng hắc ín
Hình 3.11: Sơ đồ hệ thống khí hóa sinh khối cơng suất 50 kW

Hình 3.12: Ảnh hưởng của chế độ cấp gió đến phân bố nhiệt độ trong lị khí hóa
Hình 3.13: Ảnh hưởng của chế độ cấp gió đến đến thành phần khí sản phẩm
Hình 3.14: Ảnh hưởng của chế độ cấp gió đến nhiệt trị của khí sản phẩm
Hình 3.15: Ảnh hưởng của chế độ cấp gió đến hàm lượng hắc ín trong khí sản
phẩm
Hình 3.16: Ảnh hưởng của chế độ cấp gió đến tỷ suất sinh khí
Hình 3.17: Ảnh hưởng của chế độ cấp gió đến hiệu suất khí hóa
Hình 3.18: Ảnh hưởng của độ ẩm đến giản đồ (profile) nhiệt độ trong lị khí hóa
Hình 3.19: Ảnh hưởng của độ ẩm đến thành phần khí sản phẩm
xii

Trang
5
5
6
12
16
16
17
17
18
21
21
24
24
25
27
28
29
32

35
40
41
44
46
47
50
53
55
55
56
57
57
64
68
68
69
70
71
72
72
73


Hình 3.20: Ảnh hưởng của độ ẩm đến nhiệt trị khí sản phẩm
Hình 3.21: Ảnh hưởng độ ẩm đến hàm lượng hắc ín
Hình 3.22: Ảnh hưởng độ ẩm đến tỷ suất sinh khí
Hình 3.23: Ảnh hưởng độ ẩm đến hiệu suất khí hóa
Hình 3.24: Ảnh hưởng của chủng loại nhiên liệu đến giản đồ (profile) nhiệt độ
trong lị

Hình 3.25: Ảnh hưởng của chủng loại nhiên liệu đến thành phần khí sản phẩm
Hình 3.26: Ảnh hưởng của chủng loại nhiên liệu đến nhiệt trị khí sản phẩm
Hình 3.27: Ảnh hưởng của chủng loại nhiên liệu đến hàm lượng hắc ín
Hình 3.28: Ảnh hưởng của chủng loại nhiên liệu đến tỷ suất sinh khí
Hình 3.29: Ảnh hưởng của chủng loại nhiên liệu đến hiệu suất khí hóa
Hình 3.30: Ảnh hưởng của tỷ số ER đến profile nhiệt độ trong lị
Hình 3.31: Ảnh hưởng của tỷ số ER đến nhiệt trị khí sản phẩm
Hình 3.32: Ảnh hưởng của tỷ số ER đến hàm lượng hắc ín trong khí sản phẩm
Hình 3.33: Ảnh hưởng của tỷ số ER đến tỷ suất sinh khí sản phẩm
Hình 3.34: Ảnh hưởng của tỷ số ER đến hiệu suất khí hóa
Hình 3.35a: So sánh profile nhiệt độ dọc thân lị giữa lị mới phát triển và lị AIT
Hình 3.35b: So sánh giản đồ nhiệt độ dọc thân lò giữa lị mới phát triển và lị cũ
Hình 3.36: So sánh thành phần khí sản phẩm
Hình 3.37: So sánh nhiệt trị khí sản phẩm
Hình 3.38: So sánh hàm lượng hắc ín
Hình 3.39: So sánh hiệu suất khí hóa
Hình 3.40: Tỷ suất sinh khí của một số loại sinh khối
Hình 4.1: Sơ đồ ngun lí Sơ đồ hệ thống khí hóa sinh khối kết hợp động cơ –
máy phát điện
Hình 4.2: Hệ thống đo nhiệt độ khơng khí và khí sản phẩm nạp vào động cơ
Hình 4.3: Thiết bị đo lưu lượng khí sản phẩm cấp vào động cơ
Hình 4.4: Thiết bị đo cơng suất tải điện thực tế
Hình 4.5: Thiết bị đo lượng diesel tiêu hao
Hình 4.6: Xác định thành phần khí thải của động cơ
Hình 4.7: Lượng diesel tiêu hao khi vận hành với 100% diesel
Hình 4.8: Hiệu suất của hệ thống động cơ – máy phát vận hành với 100% diesel
Hình 4.9: Nồng độ phát thải khí CO2 trong khói thải của động cơ khi vận hành với
100% diesel
Hình 4.10: Nồng độ phát thải khí CO trong khói thải của động cơ khi vận hành với
100% diesel

Hình 4.11: Nồng độ phát thải khí NOx và HC trong khói thải của động cơ khi vận
hành với 100% diesel
Hình 4.12: Độ mờ khói thải (smoke) của động cơ khi vận hành với 100% diesel
Hình 4.13: Ảnh hưởng của tỷ lệ khí sản phẩm thay thế đến lượng diesel tiêu hao
Hình 4.14: Ảnh hưởng của tỷ lệ khí sản phẩm thay thế đến suất tiêu hao năng
lượng riêng
Hình 4.15: Ảnh hưởng của tỷ lệ khí sản phẩm thay thế đến phát thải CO và CO2
Hình 4.16: Ảnh hưởng của tỷ lệ khí sản phẩm thay thế đến phát thải HC
Hình 4.17: Tỷ lệ khí sản phẩm thay thế cho diesel ứng với chế độ phụ tải và chế
độ cấp khí sản phẩm khác nhau
Hình 4.18: Hiệu suất của hệ thống động cơ và máy phát phát khi vận hành với
lượng khí sản phẩm và cơng suất tải điện thay đổi
Hình 4.19: Lượng diesel tiêu hao khi chạy 100% diesel và nhiên liệu kép với
xiii

75
75
76
76
77
78
79
80
80
81
82
82
83
83
84

85
86
86
87
87
88
88
92
93
94
94
94
95
98
99
99
100
100
101
102
102
103
103
104
105
106


lượng khí sản phẩm và cơng suất tải điện thay đổi
Hình 4.20: So sánh lượng phát thải khí CO ứng với chế độ cấp khí sản phẩm và

phụ tải thay đổi
Hình 4.21: So sánh lượng phát thải khí CO2 ứng với chế độ cấp khí sản phẩm và
phụ tải thay đổi
Hình 4.22: So sánh lượng phát thải HC ứng với chế độ cấp khí sản phẩm và phụ
tải thay đổi
Hình 4.23: So sánh độ mờ khói ứng với chế độ cấp khí sản phẩm và phụ tải thay
đổi
Hình 4.24: Đồ thị hiệu suất hệ thống động cơ - máy phát (sử dụng mẩu gỗ keo)
Hình 4.25: Đồ thị lượng diesel tiêu hao – với nhiên liệu mẩu gỗ keo
Hình 4.26: Tỷ lệ khí sản phẩm thay thế cho diesel – với nhiên liệu mẩu gỗ keo
Hình 4.27: Đồ thị hiệu suất hệ thống động cơ-máy phát (với nhiên liệu viên nén
mùn cưa)
Hình 4.28: Đồ thị lượng diesel tiêu hao – với nhiên liệu viên nén mùn cưa
Hình 4.29: Tỷ lệ khí sản phẩm thay thế cho diesel – với nhiên liệu là viên nén mùn
cưa
Hình 4.30: Thiết lập mơ hình
Hình 4.31: Suất tiêu hao năng lượng riêng của động cơ
Hình 4.32: Tốc độ sinh nhiệt tương ứng với góc quay trong trường hợp 1, 4 và 7
Hình 4.33: Nhiệt độ trong xi-lanh ứng với góc quay ở trường hợp 1, 4 và 7
Hình 4.34: Nồng độ phát thải khí CO, NOx ứng với tỷ lệ thay thế diesel
Hình 4.35: Lượng phát thải bồ hóng ứng với tỷ lệ thay thế diesel

xiv

106
107
107
108
109
109

110
110
111
111
113
115
116
116
117
117


MỞ ĐẦU
1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Ngày nay, con người phụ thuộc chủ yếu vào nguồn năng lượng chính là nhiên liệu hóa
thạch như xăng, dầu, khí tự nhiên và than. Theo Lior trong số 20,2 PWh điện năm 2008 thì
có 66% là từ nhiên liệu hóa thạch, 18% là từ thủy điện, 14% là từ điện hạt nhân và 2% là từ
các nguồn năng lượng tái tạo. Tỷ trọng điện từ nhiên liệu hóa thạch thì than chiếm 62%,
khí chiếm 29% và từ dầu chiếm 9% [66]. Thêm vào đó, theo dự báo trong giai đoạn từ
2007 đến 2030 nhu cầu năng lượng tăng lên khoảng 40% tức vào khoảng 16800 MTOE
[49]. Do nhu cầu về năng lượng tăng nhanh, các nguồn năng lượng ngày càng cạn kiệt dẫn
đến giá năng lượng tăng nhanh cùng với đó là vấn đề bảo vệ mơi trường. Vì vậy, việc tìm
kiếm các nguồn năng lượng mới và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo đang được đặc
biệt chú trọng [74]. Sinh khối là nguồn năng lượng có nhiều ưu điểm: là nhiên liệu giá rẻ,
có hàm lượng lưu huỳnh thấp. Hơn thế, việc sử dụng sinh khối cũng không làm tăng lượng
phát thải CO2 trong khí quyển [94]. Khí hóa sinh khối đang được xem như là giải pháp có
tiềm năng lớn để sử dụng nguồn sinh khối cho các nhu cầu cung cấp năng lượng chất
lượng cao thay thế được một phần nhiên liệu hóa thạch [14, 15]. Tuy nhiên, hắc ín có trong
sản phẩm khí hóa đang là một trong những tồn tại chính trong việc ứng dụng khí hóa sinh
khối cho các mục đích sản xuất năng chất lượng cao như vận hành động cơ đốt trong, pin

nhiên liệu và cung cấp nhiệt thay thế dầu và khí. Do đó, hầu hết các quốc gia trên thế giới
đều chú trọng việc nghiên cứu, phát triển và hoàn thiện cơng nghệ khí hóa sinh khối, để khí
sản phẩm có hàm lượng hắc ín thấp, đáp ứng u cầu cơng nghệ trong sản xuất năng lượng
chất lượng cao, có đặc tính vận hành ổn định, có thể sử dụng đa dạng các loại sinh khối.
Nổi bật trong số đó phải kể đến các quốc gia phát triển như Mĩ, Phần Lan, Nhật Bản, Áo,
Đan Mạch…đến các quốc gia đang phát triển như Trung Quốc, Ấn Độ, Thái Lan…[108]
Đối với Việt Nam, nhu cầu sử dụng năng lượng chất lượng cao (điện năng) đang gia
tăng nhanh chóng để phục vụ nhu cầu phát triển kinh tế (14,9%/năm trong giai đoạn 1995
đến 2005), do đó nguồn cung điện năng đang thiếu hụt trầm trong (khoảng 4%/năm) [1],
cùng với đó là hệ thống phân phối điện chưa đảm bảo. Theo báo cáo của Bộ Công Thương
năm 2009, hiện nay tỷ lệ phủ điện lưới mới đạt khoảng trên 97% dân số [119]. Hơn thế,
nguồn năng lượng nhiên liệu hóa thạch khơng nhiều, theo ước tính trữ lượng dầu, khí đốt
đủ trong vịng 40 - 50 năm và sẽ trở thành nước nhập khẩu năng lượng từ 2015 [7]. Mặt
khác các nguồn sinh khối của Việt Nam có trữ lượng khoảng 160-180 triệu tấn/ năm và
đang được sử dụng chưa hợp lí, việc sử dụng sinh khối để cung cấp năng lượng chủ yếu
vẫn là đốt cháy trực tiếp để cung cấp nhiệt, hiệu suất thấp và gây ô nhiễm môi trường.
Theo báo cáo hiện 59% sinh khối được sử dụng là cho mục đích cung cấp nhiệt, đun nấu
hộ gia đình (Sectral Energy: 2006). Đối với cơng nghệ khí hóa sinh khối, phần lớn các
nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở mức độ lý thuyết, quy mơ bếp đun hộ gia đình. Trong khi
đó, việc nhập khẩu cơng nghệ và chép mẫu các hệ thống khí hóa chi phí tốn kém, tiềm ẩn
nhiều rủi ro do công nghệ này hiện nay vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và thử ngiệm
[8]. Cụ thể theo tham khảo từ các báo cáo và khảo sát thực tế của tác giả thì sau khi nhập
cơng nghệ về Việt Nam và đưa vào vận hành thử nghiệm kết quả cho thấy hàm lượng hắc
ín cao, hệ thống hoạt động không ổn định, hệ số sẵn sàng và hiệu quả thấp, nhiên liệu sử
dụng không phù hợp nên chỉ sau một thời gian ngắn vận hành thử nghiệm đã phải dừng,
gây lãng phí. Vì vậy, việc nghiên cứu cải tiến và phát triển công nghệ công nghệ khí hóa
sinh khối để sản xuất năng lượng sẽ góp phần đảm bảo an ninh năng lượng, [18] phục vụ
nhu cầu năng lượng thiết yếu cho những khu vực chưa có điện lưới, hoặc khơng thể sử
1

dụng điện lưới vì chi phí q cao, những khu vực có nguồn sinh khối đa dạng, dồi dào, rẻ
tiền mà có thể thậm chí là nguồn gây ơ nhiễm môi trường.

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
2.1 Mục tiêu tổng quát
Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ khí hóa sinh khối có hàm lượng hắc ín thấp,
có đặc tính vận hành ổn định, sử dụng đa dạng nguồn nhiên liệu sinh khối sẵn có ở Việt
Nam để sản xuất năng lượng chất lượng cao góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và
giảm ô nhiễm môi trường.

2.2 Mục tiêu cụ thể
- Phát triển được một hệ thống khí hóa sinh khối có hàm lượng hắc ín đáp ứng việc sử
dụng cho động cơ đốt trong để sản xuất điện năng công suất nhỏ.
- Đánh giá được ảnh hưởng của các yếu tố như: i) ảnh hưởng chế độ vận hành; ii) ảnh
hưởng đặc tính nhiên liệu; và iii) ảnh hưởng của loại sinh khối đến đặc tính năng lượng của
hệ thống khí hóa.
- Đánh giá được khả năng thay thế dầu diesel và phát thải môi trường khi sử dụng cơng
nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất điện năng.
- Đánh giá tiềm năng nguồn và sự phù hợp về đặc tính nhiệt, cũng như đặc tính lý, hóa của
sinh khối ở Việt Nam, để có thể sử dụng cho cơng nghệ khí hóa trong sản xuất điện năng.

3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về q trình khí hóa sinh khối và cơng nghệ khí hóa sinh khối
trong sản xuất năng lượng quy mơ nhỏ.
- Nghiên cứu cơ chế hình thành hắc ín trong khí hóa sinh khối và các giải pháp loại bỏ hắc
ín trong khí sản phẩm từ hệ thống khí hóa sinh khối.
- Đánh giá tiềm năng ứng dụng khí hóa sinh khối và đề xuất mơ hình khí hóa sinh khối có
hàm lượng hắc ín thấp phù hợp cho sản xuất năng lượng ở Việt Nam.
- Nghiên cứu cải tiến và thiết kế, chế tạo một công nghệ khí hóa sinh khối kết hợp với

động cơ diesel - máy phát để sản xuất điện năng.
- Nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá ưu điểm của thiết bị khí hóa đã chế tạo và ảnh
hưởng của các yếu tố: i) chế độ vận hành; ii) đặc tính nhiên liệu; iii) chủng loại nhiên liệu,
đến đặc tính năng lượng của thiết bị, đồng thời so sánh kết quả thực nghiệm của thiết bị
vừa phát triển với những cơng trình khác đã công bố.
- Nghiên cứu thực nghiệm khả năng ứng dụng khí sản phẩm từ thiết bị khí hóa sinh khối để
thay thế dầu diesel trong sản xuất điện năng và so sánh với kết quả mô phỏng của quá trình
trên.

4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
4.1 Phạm vi nghiên cứu
- Tập trung vào các công nghệ khí hóa sinh khối xử lý hắc ín bằng phương pháp nhiệt đáp ứng
yêu cầu động cơ đốt trong, sử dụng linh hoạt các loại sinh khối.
- Nghiên cứu thực nghiệm với các loại sinh khối sẵn có ở Việt Nam. (tập trung vào nghiên cứu
ảnh hưởng chế độ vận hành, đặc tính nhiên liệu và chủng loại nhiên liệu sinh khối tới đặc tính
2


năng lượng của thiết bị khí hóa vừa phát triển, và khả năng thay thế diesel của khí sản phẩm,
phát thải môi trường trong ứng dụng sản xuất điện năng)

4.2 Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu và cập nhật thông tin: Thu thập, cập nhật thông tin từ các bài báo, cơng trình đã
cơng bố trong và ngồi nước, các hội thảo trong nước và quốc tế về quá trình khí hóa sinh
khối, cơng nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất điện năng cơng suất nhỏ.
- Nghiên cứu lí thuyết: Dựa vào các lí thuyết về động học, nhiệt động học phản ứng của q
trình cháy, khí hóa và nhiệt phân sinh khối…
- Nghiên cứu thực nghiệm: Xây dựng hệ thống thí nghiệm khí hóa sinh khối kết hợp với động
cơ diesel – máy phát tại Đại học Bách Khoa Hà Nội để, i) nghiên cứu q trình khí hóa với các
loại sinh khối ở Việt Nam có đặc tính nhiên liệu thay đổi, điều kiện vận hành thay đổi để đánh

giá ảnh hưởng của các yếu tố đến đăc tính năng lượng của thiết bị; ii) nghiên cứu đánh giá khả
năng thay thế diesel của khí sản phẩm, và đánh giá tác động môi trường của hệ thống.

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
- Nghiên cứu giúp cho các đơn vị có thể tự thiết kế chế tạo thiết bị khí hóa sinh khối nói chung,
và thiết bị khí hóa sinh khối có hàm lượng hắc ín thấp nói riêng ở trong nước, mà khơng phải
nhập khẩu. Hơn nữa, có thể tự bảo trì bảo dưỡng và xử lí sự cố giúp tiết kiệm chi phí thuê
chuyên gia, tăng độ tin cậy và hệ số sẵn sàng của hệ thống.
- Kết quả nghiên cứu còn giúp chủ động tận dụng được đa dạng các nguồn sinh khối sẵn có và
rẻ tiền ở Việt Nam, thay vì chỉ sử dụng được một vài loại nhiên liệu như thiết kế ban đầu và đắt
tiền, thậm chí phải nhập khẩu.
- Kết quả nghiên cứu còn giúp nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống và sử dụng sinh khối cho
các mục đích năng lượng chất lượng cao như: sản xuất điện năng (kết hợp động cơ đốt trong,
tua bin…), cung cấp nhiệt (lò nung thủy tinh, gốm sứ…) thay thế một số nhiên liệu LPG, CNG
đắt tiền và ô nhiễm môi trường.
- Kết quả nghiên cứu của đề tài đã bước đầu đóng góp vào việc giải quyết một số vấn đề thực
tiễn ở Việt Nam như: i) đã thiết kế, chế tạo và chuyển giao một hệ thống khí hóa sinh khối
cơng suất 150 kW cho Viện hóa học cơng nghiệp Việt Nam (năm 2013); ii) đã tư vấn thiết kế
cho công ty cổ phần thuốc lá Ngân Sơn (khu công nghiệp Tiên Sơn – Bắc Ninh) một hệ thống
khí hóa sinh khối để tận dụng nguồn phụ phẩm (chất thải) từ quá trình chế biến thuốc lá (năm
2012)…(minh chứng đính kèm trong phụ lục 3.5.2).

6 ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN
- Đã đánh giá được tiềm năng nguồn và khả năng khí hóa của một số loại sinh khối ở Việt
Nam, điều này giúp cho những nhà làm chính sách xác định được mục tiêu và chiến lược
phát triển cơng nghệ khí hóa sinh khối để sản xuất năng lượng ở Việt Nam.
- Đã cải tiến cơng nghệ và xây dựng quy trình thiết kế, chế tạo, thử nghiệm thành cơng một
hệ thống khí hóa sinh khối công suất 150kW. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên hệ
thống khí hóa mới phát triển với một số loại sinh khối ở Việt Nam cho thấy:
+ Hàm lượng hắc ín thấp nhất khi khí hóa than hoa và mẩu gỗ keo lần lượt là 19,51

mg/m3 và 31,55 mg/m3, các kết quả này thấp hơn mức yêu cầu và hồn tồn có thể cho
phép cấp khí sản phẩm trực tiếp cho vận hành động cơ đốt trong.
+ Ảnh hưởng của các yếu tố như: i) chế độ vận hành (cấp gió G1, G2, G3 và ER), ii)
đặc tính nhiên liệu (độ ẩm, chủng loại nhiên liệu) đến quá trình khí hóa và đặc tính năng
lượng của thiết bị khí hóa của các loại sinh khối ở Việt Nam. Kết quả nghiên cứu thực
3


nghiệm cũng chỉ ra chế độ vận hành phù hợp với động cơ đốt trong của nhiên liệu than hoa
và mẩu gỗ keo để sản xuất điện năng quy mô nhỏ.
+ Hệ thống vận hành ổn định và có thể sử dụng đa dạng nguồn sinh khối đầu vào.
Các kết quả nghiên cứu trên giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy trong vận hành, giúp
các nhà thiết kế, chế tạo có thể tự thiết kế, chế tạo thiết bị trong nước với dải công suất lớn
hơn, tận dụng tốt hơn các nguồn sinh khối ở địa phương để sản xuất năng lượng ở Việt
Nam.
- Đã cho thấy khả năng cung cấp trực tiếp khí sản phẩm từ hệ thống khí hóa sinh khối để
vận hành động cơ diesel để sản xuất năng lượng chất lượng cao là hoàn toàn khả thi và
tiềm năng, cụ thể khi vận hành ở chế độ nhiên liệu kép thì khí sản phẩm có thể thay thế từ
30 – 75% lượng diesel tiêu thụ, điều này giúp giảm chi phí vận hành và giảm ơ nhiễm mơi
trường trong sản xuất điện năng.

7 TRÌNH TỰ LUẬN ÁN
Luận án gồm 4 chương chính, 113 trang. Phần Mở Đầu: trình bày những cơ sở nghiên
cứu của luận án, mục tiêu nghiên cứu, phạm vi và phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa
học của luận án. Chương 1 - Tổng quan về khí hóa sinh khối trong sản xuất năng lượng
quy mơ nhỏ: chương này trình bày về cơng nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất điện
năng công suất nhỏ, các đặc điểm của công nghệ này, tình hình nghiên cứu ứng dụng, và
những tồn tại của công nghệ cần giải quyết, đồng thời giới thiệu một số sơ đồ hệ thống khí
hóa sinh khối để sản xuất năng lượng quy mơ nhỏ điển hình trên thế giới hiện nay. Ngồi
ra, chương này cịn nghiên cứu và đánh giá tiềm năng phát triển cơng nghệ khí hóa sinh

khối trong sản xuất năng lượng ở Việt Nam thông qua việc đánh giá tiềm năng nguồn và sự
phù hợp của các loại sinh khối ở Việt Nam sử dụng cho cơng nghệ khí hóa, đồng thời đề
xuất một cơng nghệ khí hóa sinh khối để nghiên cứu và phát triển trong sản xuất năng
lượng quy mô nhỏ ở Việt Nam. Chương 2 – Cơ sở lý thuyết về q trình khí hóa sinh khối:
chương này trình bày những cơ sở lý thuyết về khí hóa sinh khối, các phản ứng, cơ chế
phản ứng và các yếu tố ảnh hưởng đến q trình khí hóa sinh khối. Ngồi ra, chương này
cịn đề cập đến hắc ín, cơ chế hình thành và các giải pháp khử hắc ín, đồng thời giới thiệu
các mẫu thiết kế lị khí hóa khử hắc ín đang được nghiên cứu ứng dụng trên thế giới hiện
nay. Chương 3- Cải tiến công nghệ và nghiên cứu thực nghiệm q trình khí hóa với nguồn
sinh khối ở Việt Nam: chương này trình bày về cơ sở và những cải tiến cơng nghệ khí hóa
sinh khối, xây dựng các bước tính tốn thiết kế một hệ thống khí hóa sinh khối cơng suất
khoảng 150 kW, đồng thời đưa ra bảng định hướng tính tốn thiết kế cho hệ thống khí hóa
sinh khối cơng suất lên đến 2 MW. Đồng thời, chương này còn tập trung vào nghiên cứu
thực nghiệm về ảnh hưởng của các yếu tố như: chế độ cấp gió, độ ẩm của sinh khối, chủng
loại nhiên liệu đến hàm lượng hắc ín và đặc tính năng lượng của thiết bị khí hóa sinh khối,
đồng thời phân tích, thảo luận và so sánh kết quả đạt được trên hệ thống mới phát triển
(150 kW) với hệ thống cũ (50 kW) và các hệ thống tương tự khác hiện nay. Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm khí hóa sinh khối để sản xuất điện năng: chương này trình bày
những nghiên cứu thực nghiệm, đánh giá khả năng thay thế diesel của khí sản phẩm trên hệ
thống động cơ diesel – máy phát điện công suất điện 9,6 kW, dựa trên các chỉ tiêu năng
lượng và môi trường. Nghiên cứu được tiến hành với các chế độ vận hành thay đổi, sử
dụng một vài loại sinh khối đầu vào như: than hoa, gỗ mẩu, viên nén mùn cưa. Kết quả thí
nghiệm được so sánh đối chiếu với kết quả mô phỏng trên phần mềm AVL Boost. Phần
Kết luận, đề xuất: Gồm các kết luận, nhận xét và các đề xuất, khuyến nghị được tác giả
trình bày trong phần cuối cùng của luận án.

4


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KHÍ HĨA SINH KHỐI TRONG SẢN XUẤT

NĂNG LƢỢNG QUY MƠ NHỎ
Tóm tắt chƣơng 1
Chương này đề cập đến các cơng nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất năng lượng quy
mô nhỏ, và những đặc thù của cơng nghệ này, trình bày khái qt tình hình nghiên cứu ứng
dụng cơng nghệ ở trong và ngồi nước, đồng thời tổng hợp các sơ đồ hệ thống đang được
nghiên cứu phát triển trên thế giới hiện nay, từ đó phân tích và chỉ ra những tồn tại cần
nghiên cứu, giải quyết. Ngồi ra, chương này cịn nghiên cứu đánh giá tiềm năng phát triển
cơng nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất điện năng của Việt Nam thông qua 2 hướng
chính: i) nhu cầu năng lượng của Việt Nam hiện tại và trong tương lai, ii) tiềm năng nguồn
sinh khối của Việt Nam và tính phù hợp của các dạng sinh khối ở Việt Nam sử dụng cho
công nghệ khí hóa để sản xuất điện năng. Qua phân tích thực tế nguồn sinh khối ở Việt
Nam kết hợp với những nghiên cứu tổng quan, tác giả đã lựa chọn cơng nghệ khí hóa nhiều
cấp kiểu thuận chiều, có hàm lượng hắc ín phù hợp cho mục đích sản xuất điện năng quy
mô nhỏ để nghiên cứu, phát triển ở Việt Nam.

1.1 Cơng nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất năng lƣợng quy mơ
nhỏ
Khí hóa sinh khối ứng dụng trong sản xuất năng lượng quy
mô nhỏ thường sử dụng cơng nghệ khí hóa lớp cố định. Cơng
nghệ này được chia làm ba loại theo chiều di chuyển của khí
sản phẩm đầu ra:
- Lị khí hóa ngược chiều: chiều di chuyển của khí sản phẩm
đầu ra ngược với chiều di chuyển của nhiên liệu.
- Lị khí hóa thuận chiều: chiều di chuyển của khí sản phẩm đầu
ra cùng với chiều di chuyển của nhiên liệu.
- Lị khí hóa dịng cắt nhau: chiều di chuyển của khí sản phẩm
đầu ra cắt ngang vng góc với chiều di chuyển của nhiên liệu.
1.1.1 Lị khí hóa ngƣợc chiều
Ngun lí lị khí hóa sinh khối ngược chiều được trình bày
trên hình 1.1. Nhiên liệu rắn chuyển động từ phía trên đỉnh của

thiết bị xuống phía dưới trong khi đó khơng khí cho q trình
khí hóa được cấp vào từ phía dưới và chuyển động lên phía trên
của thiết bị. Khí sản phẩm được tạo ra sẽ chuyển động lên phía
trên và thốt ra ngoài ở gần đỉnh của thiết bị. Trong trường hợp
này, nhiên liệu rắn đầu vào và dịng khí sản phẩm đầu ra
chuyển động ngược chiều trong thiết bị khí hóa.

Hình 1.1 Khí hóa
ngược chiều [5]

1.1.2 Lị khí hóa thuận chiều
Ngun lí lị khí hóa sinh khối thuận chiều được trình bày
trên hình 1.2. Cả nhiên liệu rắn và khơng khí cấp cho q trình
khí hóa đều chuyển động từ phía trên xuống. Khí sản phẩm
được tạo ra sẽ chuyển động xuống phía dưới và thốt ra ngồi ở
gần đáy của thiết bị. Trong trường hợp này, nhiên liệu rắn đầu
5

Hình 1.2 Khí hóa
thuận chiều [5]


vào và dịng khí sản phẩm đầu ra chuyển động cùng chiều trong thiết bị khí hóa.
1.1.3 Lị khí hóa dịng cắt ngang
Ngun lí lị khí hóa sinh khối dịng cắt ngang được trình
bày trên hình 1.3. Khơng khí cần cho q trình khí hóa chuyển
động theo phương vng góc với chuyển động của nhiên liêu
rắn trong thiết bị khí hóa. Khí sản phẩm được lấy ra gần vùng
cấp khơng khí ở phía đối diện.
1.1.4 Đặc điểm của khí hố sinh khối theo lớp cố định

Thơng thường, khả năng khí hố sinh khối theo lớp cố định
phụ thuộc vào tính chất của sinh khối như: hình dạng sinh khối,
khối lượng riêng, độ ẩm, hàm lượng chất bốc, hàm lượng tro,
thành phần hóa học của tro và nhiệt trị của sinh khối.
Hình 1.3 Khí hóa
dịng
cắt ngang [5]
Khả năng lưu chuyển của sinh khối bên trong thiết bị khí
hóa phụ thuộc vào hình dạng và khối lượng riêng của sinh khối.
Tổn thất áp suất trong thiết bị khí hóa sẽ tăng khi giảm kích thước hạt nhiên liệu và do
vậy có thể hạn chế tốc độ lưu động của khơng khí bên trong thiết bị hóa khí.
Nói chung, hiệu suất khí hố sẽ giảm khi độ ẩm của sinh khối tăng, độ ẩm của sinh khối
vì thế khơng nên vượt q 30% với lị khí hóa thuận chiều. [45, 87]
Sinh khối có hàm lượng chất bốc thấp là nguồn nhiên liệu phù hợp cho các thiết bị khí
hóa, đặc biệt trong các ứng dụng có sử dụng động cơ đốt trong và máy phát để sản xuất
điện năng công suất nhỏ.
Sinh khối có độ tro cao có thể gây nên những sự cố khi vận hành. Việc thải tro xỉ do
vậy phải được tiến hành liên tục hoặc định kỳ.
Bảng 1.1 Đặc tính vận hành của một số lị khí hóa sinh khối lớp cố định [45, 101, 34]

Các đại lượng

Lò ngược
chiều
60
25
> 1000
5 - 100
2 - 30
200 - 400

30 - 150
5-6
40 - 60

Độ ẩm lớn nhất (%)
Độ tro lớn nhất (%)
Nhiệt độ chảy mềm của tro (0C)
Kích thước nhiên liệu (mm)
Dải cơng suất làm việc (MW)
Nhiệt độ khí sản phẩm ra (0C)
Hàm lượng hắc ín (g/m3)
Nhiệt trị thấp của khí sản phẩm (MJ/m3)
Hiệu suất nhiệt (khí nguội)

Lị thuận
chiều
30
6
> 1250
20 - 100
1-2
450 - 700
0,015 - 3
4,5 - 5
65 - 75

Lò cắt ngang
10 - 20
0,5 - 1
5 - 20

1250
0,01 - 0,1
4 - 4,5
60 - 70

1.1.5 Ƣu, nhƣợc điểm của các loại lị khí hóa sinh khối lớp cố định
Mỗi loại lị khí hóa sinh khối (KHSK) kiểu lớp cố định đều có những ưu điểm và nhược
điểm riêng, vì vậy khi sử dụng cần lựa chọn để phát huy những ưu điểm và hạn chế tối đa
nhược điểm của nó.
Bảng 1.2 Một số ưu, nhược điểm của các loại lò KHSK lớp cố định [75, 27]

Kiểu thiết bị
Ưu điểm
KHSK
Ngược chiều 1. Tổn thất áp suất nhỏ
2. Hiệu quả nhiệt cao

Nhược điểm
1. Hiệu quả thiết bị phụ thuộc nhiều vào
lượng hắc ín và độ ẩm của nhiên liệu
6


3. Xu hướng hình thành xỉ ít
4. Thiết kế đơn giản
5. Linh hoạt cho nhiên liệu đầu
vào (kích thước, hình dạng và độ
ẩm)
6. Khí sản phẩm có nhiệt trị cao
Thuận chiều 1. Khí sản phẩm rất linh hoạt thích

ứng cho các nhu cầu phụ tải khác
nhau
2. Thiết kế đơn giản
3. Chi phí thấp
4. Chất lượng khí tốt lượng hắc ín
thấp
5. Nồng độ bụi thấp

Dịng cắt
ngang

1.2

2. Khí sản phẩm sử dụng cho động cơ
đốt trong thì địi hỏi thời gian khởi động
dài hơn
3. Khả năng đáp ứng phụ tải thay đổi
lớn là khó khăn hơn
4. Độ chứa hắc ín cao
1. Thiết bị có kích thước thiết kế
thường cao
2. Khơng khả thi đối với kích thước hạt
rất nhỏ của nhiên liệu
3. Nhiệt trị khí sản phẩm thấp (lượng
CO2 nhiều)
4. Có thể đóng xỉ
5. Hiệu quả khí hóa tương đối thấp
6. u cầu cụ thể về nhiên liệu (kích
thước, hình dạng và độ ẩm)
1. Thiết bị có thiết kế thấp

1. Khả năng đóng xỉ cao
2. Thời gian đáp ứng phụ tải là rất 2. Trở lực áp suất cao
nhanh
3. Khí sản phẩm thích ứng cho các
nhu cầu phụ tải khác nhau

Đặc điểm của cơng nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất điện năng

Hiện nay có 2 xu hướng chính trong phát triển công nghệ năng lượng sinh khối để sản
xuất điện năng [59], i) quy mô vừa và nhỏ, ii) quy mô lớn. Quy mơ cơng nghệ khí hóa sinh
khối kết hợp sản xuất điện năng được một số tác giả đưa ra như sau: [45, 14]
+ Công suất nhỏ: 1 MWe
+ Công suất vừa: > 1 MW đến 5 MWe
+ Công suất lớn: > 5 MWe
Do đặc tính cơng nghệ nên với sản xuất điện năng quy mô vừa và lớn thường sử dụng
cơng nghệ khí hóa tầng sơi và chu trình kết hợp sản xuất đồng thời nhiệt và điện năng. Với
sản xuất điện năng quy mô nhỏ thường sử dụng cơng nghệ khí hóa lớp cố định kết hợp với
động cơ đốt trong (động cơ khí hoặc động cơ diesel) [20]. Việc lựa chọn động cơ khí hay
động cơ diesel phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của hộ sử dụng.
1.2.1 Đặc điểm cơng nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất điện năng cơng suất nhỏ
Cơng nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất điện quy mơ nhỏ thường sử dụng kiểu lị
khí hóa lớp cố định mà chủ yếu là loại lị thuận chiều [20] vì: hàm lượng hắc ín thấp, cơng
nghệ đơn giản, vận hành khơng quá phức tạp, chi phí ban đầu thấp, tuy nhiên công suất của
công nghệ này là hạn chế.
Sản xuất điện năng quy mơ nhỏ từ khí hóa sinh khối thường kết hợp với động cơ đốt
trong vì [28]: đây là công nghệ đã được minh chứng trong lịch sử phát triển [20], đặc tính
vận hành đơn giản, tính hệ thống khơng địi hỏi q cao, chi phí ban đầu thấp. Hơn nữa, có
thể tận dụng và cải tạo từ hệ thống máy phát sẵn có của các hộ sử dụng. Tuy nhiên, cơng
nghệ cũng có những địi hỏi về chất lượng khí sản phẩm khá cao như: [87, 77]
+ Nhiệt trị thấp làm việc: khoảng 4 - 6 MJ/m3

+ Hàm lượng hắc ín: 100 mg/m3
+ Nồng độ bụi: 30 mg/m3
7


Việc lựa chọn động cơ diesel hay động cơ khí để kết hợp với cơng nghệ khí hóa sinh
khối để sản xuất điện phụ thuộc vào những điều kiện cụ thể sau:
+ Đặc tính làm việc của hệ thống khí hóa sinh khối: liên tục, gián đoạn.
+ Tính ổn định và chất lượng khí sản phẩm của hệ thống khí hóa sinh khối.
+ u cầu về tính ổn định và tính sẵn sàng của hệ thống với hộ sử dụng. Ví dụ: với hệ
thống khí hóa sinh khối kết hợp động cơ diesel tính ổn định và hệ số sẵn sàng cao hơn so
với động cơ khí vì khi hệ thống khí hóa gặp sự cố ta có thể vận hành bằng diesel.
+ Điều kiện thực tế của hộ sử dụng, ví dụ: Qua thực tế khảo sát ở Việt Nam, hầu hết các hộ
sử dụng có sẵn hệ thống máy phát điện dự phịng, cơng suất nhỏ hơn 10 kVA chủ yếu là sử
dụng động cơ xăng, công suất lớn hơn 10 kVA chủ yếu sử dụng động cơ diesel.
1.2.2 Những tồn tại trong phát triển cơng nghệ khí hóa sinh khối để sản xuất điện
năng quy mơ nhỏ
Cơng nghệ khí hóa sinh khối ứng dụng để sản xuất điện năng mặc dù được nhiều nước
quan tâm nghiên cứu và phát triển từ lâu, tuy nhiên cho đến nay cơng nghệ này vẫn chưa
được thương mại hóa một cách rộng rãi vì nó cịn nhiều bất cập [12, 15, 52], ngồi vấn đề
giá năng lượng và cơ chế chính sách, thì bản thân cơng nghệ này cịn nhiều hạn chế cần
được nghiên cứu và cải tiến, để nâng cao khả năng cạnh tranh với các công nghệ sử dụng
sinh khối khác, cũng như với công nghệ sử dụng nhiên liệu hóa thạch như: Nâng cao hiệu
suất, cải thiện chất lượng khí sản phẩm, đặc biệt là vấn đề xử lí hắc ín để giảm thiểu hắc ín
trong khí sản phẩm, sử dụng đa dạng các nguồn nhiên liệu, dễ vận hành, ổn định, tin cậy…
1.2.3 Xu hƣớng nghiên cứu trong phát triển cơng nghệ khí hóa sinh khối để sản xuất
điện năng
Xu hướng nghiên cứu đều bắt nguồn từ những bất cập tồn tại của công nghệ. [38, 19]
a. Nâng cao hiệu suất
Gồm nâng cao hiệu suất của hệ thống khí hóa sinh khối và hệ thống động cơ – máy

phát. Trong đó việc cải thiện hiệu suất hệ thống khí hóa sinh khối như cải thiện cấu trúc lị
khí hóa, cũng như các thơng số vận hành cho phù hợp với đặc tính nhiên liệu sử dụng, tăng
cường tận dụng nhiệt thải từ hệ thống. Đối với hệ thống động cơ máy phát thì việc nâng
cao hiệu suất được thực hiện thơng qua việc tối ưu hóa hệ thống kết nối và điều khiển quá
trình cấp nhiên liệu khí và tận dụng nhiệt thải.
b. Cải thiện chất lượng khí sản phẩm
Việc cải thiện chất lượng khí sản phẩm chủ yếu được thực hiện thông qua hai giai đoạn
của q trình khí hóa, đó là giai đoạn nhiệt phân và khí hóa bằng cách tận dụng triệt để các
đặc tính nhiệt động của hai giai đoạn này, cũng như sử dụng thêm chất xúc tác hoặc thay
đổi, bổ sung tác nhân khí hóa khác (oxy, hơi nước…) để tối đa hóa q trình chuyển đổi
của các hydro cacbon trong sinh khối thành khí sản phẩm hoặc thậm chí nhằm đạt được
thành phần khí sản phẩm như mong muốn.
c. Giảm thiểu hắc ín
Việc nghiên cứu nhằm giảm thiểu hắc ín trong sản phẩm khí hóa sinh khối hiện nay
đang là mối quan tâm nghiên cứu hàng đầu trong phát triển cơng nghệ này. Hắc ín là một
sản phẩm của q trình khí hóa sinh khối nên việc giảm thiểu hắc ín thường đi kèm với
việc suy giảm về hiệu suất nhiệt hoặc các chi phí tăng thêm trong q trình vận hành. Vì
vậy, việc nghiên cứu các giải pháp giảm thiểu hắc ín là rất cần thiết thơng qua việc nghiên
cứu lựa chọn cơng nghệ khí hóa, cấu trúc lị khí hóa, điều kiện vận hành, nhiên liệu sử
dụng, tác nhân khí hóa, thiết bị phụ trợ hay thậm chí là các chất xúc tác phù hợp.
8


d. Sử dụng đa dạng các loại sinh khối
Sinh khối là nguồn nhiên liệu hữu hạn và mang tính địa phương, q trình vận hành và
sử dụng lị bị ảnh hưởng bởi các đặc tính của nhiên liệu như hàm lượng chất bốc, độ ẩm,
độ tro…, vì vậy việc nghiên cứu phát triển các lị khí hóa sinh khối có thể sử dụng đa dạng
các loại sinh khối, phù hợp với nguồn nhiên liệu sẵn có ở từng địa phương là rất cần thiết,
giúp tăng tính thích ứng và tính cạnh tranh của công nghệ.
e. Dễ sử dụng, rẻ tiền, vận hành ổn định

Một cơng nghệ muốn thương mại hóa thì phải hướng tới những mục tiêu trên, những
nghiên cứu gần đây ngoài việc cải thiện hiệu suất chất lượng khí sản phẩm…cũng chú
trọng tới cải tiến cơ khí hóa, tự động hóa để giảm sức lao động và ngồi ra nghiên cứu cịn
hướng tới những cơng nghệ có tính đơn giản dễ chế tạo, dễ làm chủ để có thể tự bảo trì bảo
dưỡng và sửa chữa và vận hành ổn định, dễ thương mại hóa.

1.3 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng cơng nghệ khí hóa sinh khối
trong sản xuất năng lƣợng quy mô nhỏ
Những năm gần đây cơng nghệ khí hóa sinh khối được các quốc gia quan tâm và phát
triển mạnh do 3 yếu tố: i) Nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt và trở lên đắt đỏ.
ii) Ơ nhiễm mơi trường ngày càng trở lên nghiêm trọng tác động xấu đến đời sống cũng
như gây thiệt hại rất lớn về kinh tế, ví dụ: Tình hình ơ nhiễm khói bụi ở thủ đơ Bắc Kinh
(Trung Quốc) năm 2013; hay tình hình thiên tai lụt lội tại nhiều quốc gia gây hậu quả
nghiêm trọng gần đây [122]; iii) cơng nghệ khí hóa chưa hồn thiện và đắt đỏ.
Các nghiên cứu gần đây thường tập trung vào những vấn đề sau: i) nâng cao công suất
khí hóa, ii) nâng cao chất lượng khí sản phẩm (giảm hàm lượng hắc ín, bụi và tăng nhiệt trị
khi sản phẩm) để sử dụng cho mục đích sản xuất năng lượng chất lương cao, iii) vận hành
ổn định và sử dụng đa dạng các nguồn sinh khối. Để đáp ứng nhu cầu điện năng quy mô
nhỏ cho những khu vực khơng nối lưới thì cơng nghệ được quan tâm nghiên cứu nhiều
nhất là khí hóa lớp cố định. Mục tiêu nghiên cứu hướng đến đó là nâng cao hiệu suất và
chất lượng khí sản phẩm, giảm thiểu hắc ín để đáp ứng yêu cầu của động cơ đốt trong hoặc
tua bin khí, có đặc tính vận hành ổn định.
1.3.1 Các cơng trình cơng bố trong và ngồi nƣớc có liên quan trực tiếp đến đề tài
a. Các cơng trình cơng bố trên thế giới
Mặc dù cơng nghệ khí hóa sinh khối đã phát triển từ khá lâu, tuy nhiên để sản xuất khí
sản phẩm sử dụng cho mục đích năng lượng chất lương cao thì hắc ín sinh ra trong q
trình khí hóa vẫn là một trong những tồn tại lớn nhất để thương mại hóa cơng nghệ này, và
hiện nó vẫn đang được rất nhiều nước quan tâm và nhiều tác giả nghiên cứu. Tuy nhiên,
với sản xuất năng lượng quy mơ nhỏ, việc xử lí hắc ín chủ yếu tập trung vào phương pháp
đốt và phân hủy nhiệt, đã có các cơng trình cơng bố đáng chú ý như:

- Jindrich Sulc và công sự năm 2012 [53] đã nghiên cứu phát triển lị khí hóa sinh khối
thành hai buồng riêng biệt dựa trên ý tưởng của Nikolaisen trường đại học kỹ thuật Đan
Mạch và đã nghiên cứu thực nghiệm với nhiên liệu là gỗ, kết quả cho thấy hàm lượng hắc
ín chỉ cịn khoảng 135 mg/kg gỗ. Tuy nhiên tỷ số ER là 0,71 và nhiệt trị của khí sản phẩm
chỉ cịn khoảng 3,15 MJ/m3.
- Luisa Burhenne và cộng sự năm 2013 [68] cũng đã xây dựng một hệ thống khí hóa gỗ
nhiều cửa cấp gió, khơng có thót, quy mơ phịng thí nghiệm với cơng suất 50 kW, đã
nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ vùng phân hủy hắc ín, thí nghiệm cho thấy hàm lượng
9