Nghiên cứu quá trình sản xuất nhiên liệu khí từ than bùn bằng phương pháp nhiệt phân có xúc tác

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------

NGUYỄN QUỐC HẢI

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU KHÍ
TỪ THAN BÙN BẰNG PHƢƠNG PHÁP NHIỆT PHÂN CÓ
XÚC TÁC

CHUN NGÀNH: MÁY VÀ THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HỐ HỌC
MÃ SỐ: 60.52.77

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ H MINH-TH NG

N M


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI: TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH
KHOA- ĐHQG-HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: TS Hu nh Quyền
Cán bộ chấm nhận xét 1:

TS. Mai Thanh Phong

Cán bộ chấm nhận xét 2:

TS. Lê Anh Kiên

Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại Học Bách Khoa- ĐHQG-HCM
Ngày 09 tháng 01 năm 2012
Thành phần hội đồng đánh giá luận văn Thạc sĩ gồm:
1.

PGS TS Ph n Đ nh Tuấn

2.

TS Hu nh Quyền

3.

TS. Mai Thanh Phong

4.

TS. Lê Anh Kiên

5.

TS. L Th Kim Phụng

Xác nhận của chủ t ch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trƣởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA

Đại học Quốc Gia TP.HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-----------

---------------

NHIỆM VỤ LUẬN ÁN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Nguyễn Quốc Hải

MSHV: 10291081

Ngày, tháng, năm sinh: 20-01-1987

Nơi sinh: Đồng Nai

Chun Ngành: Q Trình và Thiết Bị Cơng Nghệ Hoá Học Mã số: 60.52.77
I.
n

II.

TÊN ĐỀ TÀI:
n
p

n
t

u u

rn

ản u t

n

u

n

n

n

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:



Khảo sát thành phần các chất trong nguy n liệu th n
nh Dƣơng



Khảo sát ảnh hƣởng củ nhiệt độ, tốc độ gi nhiệt, nồng độ x c tác đến

hiệu suất thu hồi sản phẩm, hiệu suất chuy n hoá củ quá tr nh nhiệt ph n
th n n



Nghi n cứu phƣơng pháp sử ụng x c tác cho quá tr nh nhiệt ph n th n
n



Nghi n cứu ảnh hƣởng củ một số loại x c tác đến quá tr nh nhiệt ph n
th n n

III.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ LUẬN N:

IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05/12/2011.

V.

HỌ TÊN NGƢỜI HƢỚNG DẪN:

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

n h i thác ở t nh

04/07/2011.

TS. Huỳnh Quyền
Tp.HCM, Ngày

tháng

năm 2011

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƢỞNG KHOA


i

LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ này hoàn thành là nhờ sự đóng góp và h trợ củ nhiều ngƣời
ằng t nh cảm chân thành tôi xin gởi lời cảm ơn.
Tơi xin bày tỏ lịng iết ơn s u sắc đến thầy giáo hƣớng ẫn là TS Hu nh Quyền
Ngƣời đã tận t m hƣớng ẫn, gi p đ , động vi n và tạo điều iện thuận lợi cho tơi
hồn thành luận văn này
Tơi cũng xin gửi lời cám ơn đến các thầy cô giáo ộ môn Quá tr nh và Thiết
nói ri ng, các thầy cơ giáo ho Kỹ Thuật Hố Học nói chung.

ác thầy cơ đã nhiệt

tình giảng ạy và truyền đạt những iến thức quý báu cho tơi trong suốt thời gi n học
tập, đó chính là nền tảng đ tôi thực hiện tốt luận văn này
Tôi xin cảm ơn các nh ch và các ạn trong Trung Tâm Nghi n ứu ơng Nghệ
Lọc Hó Dầu - Trƣờng Đại Học

ách Kho TP. Hồ

hí Minh đã gi p đ , đóng góp

những ý iến hữu ích đ luận văn củ tơi đƣợc hồn thiện hơn
uối c ng, tôi muốn cảm ơn đến gi đ nh tôi đã luôn ủng hộ tinh thần, động vi n,
gi p tôi vƣợt qu những hó hăn trong suốt quá tr nh thực hiện luận văn

Tp. Hồ hí Minh, ngày

tháng

năm

Nguyễn Quốc Hải

1


ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Năng lƣợng tái tạo trở thành một mục tiêu quan trọng đƣợc tập trung nghiên cứu
trong những năm gần đ y, trong đó iom ss đƣợc xem nhƣ một nguồn năng lƣợng tái
tạo đầy tiềm năng cho một sự phát tri n bền vững. Trong khuôn khổ nội dung luận văn
thạc sĩ này, chúng tôi giới thiệu kết quả nghiên cứu quá trình nhiệt phân với nguồn
nguy n liệu than

n đƣợc h i thác tại t nh

nh Dƣơng; kết quả nghi n cứu về sự

ảnh hƣởng củ các điều iện nhiệt độ, tốc độ gi nhiệt, t lệ x c tác th n
quá tr nh nhiệt ph n th n

n đối với

n Nghi n cứu cũng tiến hành so sánh h i phƣơng pháp sử

ụng x c tác là trộn lẫn và tách rời. Đồng thời, ết quả về ảnh hƣởng củ các loại x c
tác: entonite thơ, entonite hoạt hố, Zeolite A, H-ZSM-5 cũng đƣợc nghi n cứu và
tr nh ày Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng phƣơng pháp trộn lẫn nguy n liệu với
bentonite thơ tăng cƣờng hiệu suất chuy n hóa của than bùn thơng qua hiệu ứng tăng
cƣờng q trình truyền nhiệt các tầng nguyên liệu trong quá trình nhiệt phân. Bên cạnh
đó hiệu ứng xúc tác củ

entonite thơ là tăng cƣờng hiệu suất thu hồi sản phẩm hí, đặc

biệt là hydro và CH4. Kết quả nghi n cứu cũng đƣ r điều iện thích hợp cho quá tr nh
nhiệt ph n th n
n là
hí

n là: nhiệt độ

o

o

, tốc độ gi nhiệt

Với điều iện này, hiệu suất chuy n hoá đạt
,

, hàm lƣợng hydro trong sản phẩm hí đạt

ph t, t lệ x c tác th n
,

,

, hiệu suất sản phẩm
%. Trong cùng một điều

kiện nhiệt phân, x c tác H-ZSM-5 cho hiệu suất chuy n hoá, hiệu suất sản phẩm hí
và hàm lƣợng Hy ro c o nhất So với x c tác entonite thô, x c tác entonite hoạt hoá
ch làm tăng hiệu suất chuy n hoá l n ,

và hiệu suất hí tăng ,

lần nhƣng lại làm

giảm hàm lƣợng Hy ro và tăng hàm lƣợng O2 trong sản phẩm hí Tính chất củ sản
phẩm lỏng trong

trƣờng hợp nhiệt ph n có x c tác entonite thơ và hơng có x c tác

cũng đƣợc ph n tích và tr nh ày

iii

ABSTRACT

In recent years, the renewable energy is important objective and biomass is one of
the most abundant renewable energy sources for a sustainable development. In this
thesis, we present the results of studying peat pyrolysis process, and peat of Binh
Duong province is used; the result about the effects of temperature, heating rate, ratio
of Crude Bentonite catalyst/ peat on peat pyrolysis process. We also compared two
methods using catalyst such as: mixing and separating. Simultaneous, the effects of
catalysts such as: Crude Bentonite, activated Bentonite, Zeolite 4A, H-ZSM-5 were
also studied and presented. Our obtained results showed that, the crude bentonite –
mixed peat has increased the conversion of peat by increasing thermic conduction in
layer of peat inside the reactor. Peat pyrolysis process with catalyst also increased the
recovery efficiency of gas products, mainly for hydrogen and methane. The results of
studying were also given the suitable conditions of peat pyrolysis process: the
temperature was 450oC, the heating rate was 15oC/min, the ratio of Crude Bentonite
catalyst/peat was 30%. With these conditions, the conversion efficiency reached
97,45%, the recovery efficiency of gas product was 27,26% and concentration of
hydrogen of gas product was 39,27%. By comparison with the effects of catalysts at
the same conditions of reaction, the highest conversion efficiency, the highest recovery
efficiency of gas product and the highest concentration of hydrogen of gas product
were given when H-ZSM-5 catalyst was used. By comparison with Crude bentonite,
activated bentonite only increased the conversion efficiency to 1.01 times and
increased gas efficiency 1.03 times but reduced the concentration of hydrogen and
increased the concentration of CO2 in the gas products. Properties of liquid products in
two cases have catalytic pyrolysis of crude bentonite and without catalyst were also
analyzed and presented.

iv

LỜI CAM ĐOAN
Tôi c m đo n rằng tất cả những kết quả nghiên cứu đƣợc nêu trong luận án này là
do tôi thực hiện, các ý tƣởng tham khảo và những kết quả trích dẫn từ các cơng trình
hác đều đƣợc nêu rõ trong luận án.
Thành phố Hồ hí Minh, năm

Nguyễn Quốc Hải


v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
WEC: Ủy

n Năng Lƣợng Thế Giới

Ha: hecta
Mont: Montmorillionite
SBU: Secondary Building Units
F t: thành phần chất

o

GFF: Glass fiber filter
NDS: Neutral detergent solution
NDF: Neutral Detergent Fiber

CTAB: Cetyl trimethylammonium bromide
ADF: Acid Detergent Fiber
ADL: Acid Detergent Lignin
HHV: Higher heating value
LHV: Lower Heating Value


vi

DANH MỤC CÁC BẢNG
ảng II : Lƣợng th n

n h i thác và ti u thụ tr n thế giới năm

-[7] ............... - 9 -

Bảng II.2: Thành phần các nguyên tố trong các loại than khác nhau-[36] ................. - 11 Bảng II.3. Thành phần hóa học than bùn-[10] ............................................................ - 12 Bảng II.4: Thành phần các nhóm chất trong than bùn-[10] ........................................ - 12 Bảng II.5 : Thành phần hóa học của bentonite của một số mỏ trên thế giới-[34]....... - 21 Bảng II : ơ cấu sản phẩm nhiệt phân ...................................................................... - 35 Bảng III.1: Tính chất Zeolite ....................................................................................... - 55 Bảng III.2: Hóa chất sử dụng trong NDF. ................................................................... - 65 Bảng III.3: Hóa chất sử dụng trong ADF .................................................................... - 68 Bảng III : Điều kiện thí nghiệm cơ sở ....................................................................... - 73 Bảng III

: Điều kiện thí nghiệm khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ ................................. - 74 -

Bảng III

: Điều kiện thí nghiệm khảo sát ảnh hƣởng tốc độ gia nhiệt ..................... - 75 -

Bảng III

: Điều kiện thí nghiệm khảo sát ảnh hƣởng nồng độ xúc tác..................... - 76 -

Bảng III 8 : Điều kiện thí nghiệm khảo sát ảnh hƣởng phƣơng pháp sử dụng xúc tác- 77
Bảng III

: Điều kiện thí nghiệm khảo sát ảnh hƣởng loại xúc tác............................ - 78 -

Bảng IV.1: Kết quả thành phần nguyên liệu than bùn ................................................ - 86 Bảng IV.2: Diện tích bề mặt riêng của một số mẫu xúc tác........................................ - 88 Bảng IV.3: Hiệu suất các sản phẩm trong khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ .................... - 90 Bảng IV.4: Hiệu suất các sản phẩm trong khảo sát ảnh hƣởng tốc độ gia nhiệt ......... - 92 Bảng IV.5: Hiệu suất sản phẩm trong khảo sát ảnh hƣởng t lệ xúc tác/ than bùn .... - 95 Bảng IV.6: Hiệu suất các sản phẩm trong khảo sát ảnh hƣởng phƣơng pháp sử dụng xúc
tác ................................................................................................................................ - 97 Bảng IV.7: Kết quả phân tích thành phần sản phẩm khí trong khảo sát ảnh hƣởng
phƣơng pháp sử dụng xúc tác .................................................................................... - 100 -


vii

Bảng IV.8: Ảnh hƣởng của các loại x c tác hác nh u đến hiệu suất sản phẩm ...... - 103 Bảng IV.9: Thành phần khí trong khảo sát ảnh hƣởng của các loại xúc tác khác nhau .... 105 ảng IV

: Tính chất sản phẩm ầu nhiệt ph n ...................................................... - 109 -


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình II.1: Phân bố than bùn trên thế giới-[7]............................................................ - 10 Hình II.2: Than bùn Việt Nam .................................................................................. - 11 Hình II.3: Cấu tạo hóa học của cellulose-[37] .......................................................... - 13 Hình II.4: Ki u Fringed fibrillar và ki u Folding chain-[38].................................... - 14 Hình II.5: Cấu tạo hóa học của các thành phần chính của hemicellulose ................. - 15 Hình II.6: Cấu tạo hóa học của hemicellulose .......................................................... - 16 H nh II : ác đơn v cơ ản của lignin .................................................................... - 17 H nh II 8: Sơ đồ cấu trúc phân tử của lignin ............................................................. - 17 Hình II.9: Cấu trúc tinh th của Montmorillionite- [29] ........................................... - 19 H nh II

: Đơn v cấu tr c tứ iện

H nh II

: Đơn v cấu tr c mạng tứ iện SiO4 ........................................................ - 19 -

H nh II

:

H nh II

: Đơn v cấu tr c cơ ản của Zeolite ........................................................ - 25 -

H nh II

: ác đơn v cấu trúc SUB của zeolite ...................................................... - 26 -

ấu tr c hông gi n

và át iện

............................................. - 19 -

chiều củ mont ................................................ - 21 -

Hình II.15: Mơ tả sự hình thành cấu trúc zeolite A, X hoặc Y ................................. - 27 Hình II.16: Cấu trúc tinh th của zeolite H-ZSM-5 .................................................. - 28 Hình II.17: Cấu trúc kênh trong zeolite H-ZSM-5.................................................... - 29 Hình II.18: Tính axit của zeolite H-ZSM-5 .............................................................. - 31 H nh II

: Độ chọn lọc hình dạng của xúc tác zeolite H-ZSM-5 ............................ - 32 -

Hình II.20: ơ chế quá tr nh ph n tách cellulose-[27].............................................. - 39 H nh II

: Sơ đồ thí nghiệm củ L.Vlyacheslav- [11]............................................. - 50 -

H nh II

: Sự phụ thuộc th tích khí nhiệt ph n đối với thời gian: ......................... - 50 -

H nh II

: Lƣợng hydrocacbon trong h n hợp khí thu đƣợc trong q trình nhiệt phân

than bùn với nồng độ nhơm silicat là 30%. .............................................................. - 51 H nh II

: Sơ đồ tiến hành thí nghiệm củ Hale Sutcu- [28] ................................. - 52 -

Hình III.1: Sơ đồ hệ thống thiết b thí nghiệm .......................................................... - 57 -


ix

Hình III.2: Hệ thống thiết b thí nghiệm ................................................................... - 57 Hình III.3: Cấu tạo thiết b nhiệt phân ...................................................................... - 58 Hình III.4: Glass fiber filter ...................................................................................... - 59 Hình III.5: Gooch Crucible ....................................................................................... - 59 H nh III :

n điện tử .............................................................................................. - 59 -

Hình III.7: Bình chiết Soxhlet ................................................................................... - 60 H nh III 8: Dụng cụ hồn lƣu và

nh cầu

cổ ....................................................... - 60 -

Hình III.9: Tủ sấy ...................................................................................................... - 60 H nh III

: ơm tạo chân khơng ............................................................................. - 60 -

Hình III.11: Quy trình phân tích thành phần béo của than bùn ................................ - 62 Hình III.12: Quy trình phân tích các thành phần của than bùn ................................. - 64 Hình III.13: xúc tác bentonite ................................................................................... - 71 H nh III

: Sơ đồ hoạt hóa Bentonite ...................................................................... - 71 -

H nh III

: Sơ đồ khối quy trình thực nghiệm ........................................................ - 72 -

Hình III.16: Chế độ nhiệt độ phân tích máy GC ....................................................... - 81 Hình III.17: Cấu tạo máy đo ề mặt riêng Nova 2200 .............................................. - 85 Hình IV.1: Thành phần nguyên liệu Than bùn ......................................................... - 87 Hình IV.2: Ảnh hƣởng của nhiệt độ nhiệt ph n đến hiệu suất sản phẩm ................. - 90 Hình IV.3: Ảnh hƣởng của tốc độ gia nhiệt đến hiệu suất sản phẩm ....................... - 93 Hình IV.4: Ảnh hƣởng của t lệ x c tác th n

n đến hiệu suất sản phẩm ............. - 95 -

Hình IV.5: Ảnh hƣởng củ x c tác entonite thô và phƣơng pháp sử dụng xúc tác - 98 H nh IV : Thành phần hí trong sản phẩm hí trong hảo sát phƣơng pháp sử ụng
x c tác entonite thô ............................................................................................... - 100 Hình IV.7: Ảnh hƣởng của các x c tác hác nh u đến hiệu suất sản phẩm ........... - 103 Hình IV.8: So sánh thành phần các khí khi sử dụng các xúc tác khác nhau ........... - 106 -


x

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................i
TÓM TẮT LUẬN V N THẠ SĨ ..................................................................................ii
ABSTRACT ................................................................................................................... iii
LỜI AM ĐOAN ...........................................................................................................iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT....................................................................... v
DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................................. vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ...................................................................... viii
MỤ LỤ ........................................................................................................................ x
HƢƠNG I: MỞ ĐẦU ............................................................................................... - 1 I. ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................................. - 1 II.

ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU ....................................................................... - 2 -

III.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU .......................................................................... - 3 -

IV.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ......................................................................... - 3 -

V.

PHƢƠNG PH P NGHIÊN ỨU ................................................................. - 4 -

VI.

Ý NGHĨA KHOA HỌC ................................................................................ - 5 -

VII.

Ý NGHĨA THỰC TIỄN ............................................................................. - 5 -

HƢƠNG II: TỔNG QUAN ...................................................................................... - 6 I. Vật Liệu nghiên cứu .......................................................................................... - 6 1.

Than bùn ..................................................................................................... - 6 -

2.

Xúc tác...................................................................................................... - 17 ơ sở lý thuyết ............................................................................................. - 33 -

II.
1.

Quá trình nhiệt phân ................................................................................. - 34 -

2.

ơ chế nhiệt phân ..................................................................................... - 35 -

3.

ơ chế nhiệt phân xúc tác ........................................................................ - 37 -

4.

ơ chế của quá trình tách cellulose .......................................................... - 38 -

5.

Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình nhiệt phân....................................... - 40 -

III.

Ứng dụng sản phẩm ..................................................................................... - 42 -


xi

1.

Ứng ụng củ Hy rogen H2): ................................................................. - 42 -

2.

Ứng dụng cacbon monoxit (CO): ............................................................. - 43 -

3.

Ứng dụng khí metan: ................................................................................ - 44 -

4.

Ứng dụng sản phẩm dầu nhiệt phân ......................................................... - 44 -

5.

Ứng dụng sản phẩm rắn ........................................................................... - 45 -

IV.

Tình hình nghiên cứu ................................................................................... - 45 -

1.

Ngồi nƣớc ............................................................................................... - 45 -

2.

Trong nƣớc ............................................................................................... - 52 -

HƢƠNG III: PHƢƠNG PH P, THIẾT BỊ, VẬT LIỆU TRONG NGHIÊN CỨU
THỰC NGHIỆM ....................................................................................................... - 55 Đối tƣợng nghiên cứu- Thiết b sử dụng ..................................................... - 55 -

II.
1.

Vật liệu ..................................................................................................... - 55 -

2.

Hệ thống thiết b ....................................................................................... - 56 -

III.

Phƣơng pháp thực hiện ................................................................................ - 59 -

1.

Phƣơng pháp tiền xử lý than bùn ............................................................. - 59 -

2.

Phƣơng pháp ph n tích thành phần than bùn: .......................................... - 59 -

3.

Phƣơng pháp chuẩn b xúc tác ................................................................. - 71 -

4.

Phƣơng pháp thực hiện thí nghiệm .......................................................... - 72 -

5.

Phƣơng pháp ph n tích ............................................................................. - 78 -

HƢƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ............................................................ - 86 I. Kết quả phân tích thành phần than bùn ........................................................... - 86 II.

Kết quả phân tích tính chất xúc tác ............................................................. - 87 -

III.

Kết quả nghiên cứu quá trình nhiệt phân than bùn ...................................... - 89 -

1.

Kết quả nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng ............................................... - 89 -

2.

Kết quả nghiên cứu ảnh hƣởng phƣơng pháp sử dụng xúc tác ................ - 97 -

3.

Kết quả nghiên cứu ảnh hƣởng của các loại xúc tác khác nhau............. - 102 -

4.

Kết quả ph n tích tính chất sản phẩm ầu nhiệt ph n ............................ - 109 -

HƢƠNG V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................... - 110 -


xii

DANH MỤ

NG TR NH

NG Ố ..................................................... - 112 -

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... - 113 PHỤ LỤ ................................................................................................................ - 117 -


Luận Văn Thạc Sĩ

hƣơng I

-1-

CHƢƠNG I: MỞ ĐẦU

I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, việc tiết kiệm sử dụng năng lƣợng hoá thạch, tìm kiếm nguồn nhiên
liệu đ thay thế đƣợc nguyên liệu cổ đi n đƣợc sản xuất từ dầu mỏ, tìm kiếm nguồn
nhiên liệu tái tạo, nguồn nhiên liệu xanh sạch đ ng là vấn đề đ ng đƣợc quan tâm hàng
đầu của các Quốc gia trên thế giới, nhằm góp phần vào việc giải quyết vấn đề thiếu
nhiên liệu và ô nhiễm môi trƣờng trong tƣơng l i. Lời giải cho ài tốn, đó là t m
nguồn năng lƣợng mới, năng lƣợng xanh, sạch đƣợc sản xuất từ nguồn biomass rất dồi
dào hiện nay. Than bùn là một trong những nguồn nguyên liệu biomass có th giải
quyết một phần về năng lƣợng và mơi trƣờng vì nó có những ƣu đi m s u: lƣợng than
bùn hiện nay dồi ào, hàm lƣợng cacbon trong than cao, nhiệt tr tƣơng đối cao. Than
n nhƣ là một nhiên liệu biomass cung cấp nguồn năng lƣợng sạch, giảm lƣợng khí
thải CO2, ít gây ô nhiễm môi trƣờng Đối với việc thu nhi n liệu từ iom ss, việc chọn
qui tr nh cho ph hợp là rất cần thiết Tr n thực tế, có

quá tr nh chuy n hó biomass

đ thu năng lƣợng: hí hó , đốt cháy và nhiệt ph n Q tr nh hí hó là q tr nh
chuy n những vật liệu chứ cacbon nhƣ th n, ầu hí, sinh hối

thành hí tổng hợp

(CO, H2 ở nhiệt độ c o với sự i m sốt lƣợng oxy hoặc ịng hơi nƣớc Đ y là quá
tr nh xảy r ở nhiệt độ c o, ti u tốn nhiều năng lƣợng Đốt cháy là một chu i phản ứng
giữ nhi n liệu và oxy

m theo quá tr nh sinh r năng lƣợng và làm chuy n hó các

thành phần hó học Thơng thƣờng, quá tr nh này đƣợc áp ụng đối với nhi n liệu có
chứ nhiều hy roc c on Nhiệt ph n là ƣớc đầu củ quá tr nh hí hó đƣợc thực hiện
trong điều iện hơng có oxy, ở nhiệt độ trung

nh

Trong những năm trở lại đây, với sự biến động theo chiều hƣớng tăng ần giá dầu
mỏ, hí đốt đã g y r rất nhiều hó hăn cho các nhà sản xuất có sử dụng năng lƣợng.
Hiện nay, nguồn dầu mỏ của Việt Nam ngày càng cạn kiệt, theo đánh giá của các


Luận Văn Thạc Sĩ

hƣơng I

-2-

chuyên gia, nếu nhƣ tốc độ khai thác nhƣ hiện nay thì trong vịng khoảng

năm nữa,

Việt Nam chúng ta phải nhập dầu thơ và hí đốt. Chính vì thế việc nghiên cứu tìm
kiếm cơng nghệ đ có th sản xuất nhiên liệu đi từ các nguồn nguyên liệu có sẵn khác
nhau là một vấn đề cần thiết. Việt Nam với lợi thế là có trữ lƣợng than bùn dồi dào,
nằm rải rác khắp nơi Theo các nghiên cứu, th đ y là một nguồn nguyên liệu hồn tồn
có th sản xuất ra các loại nhiên liệu sạch khí, lỏng và đƣợc sử dụng làm chất đốt. Tuy
nhiên vẫn chƣ có một nghiên cứu cụ th nào về vấn đề sản xuất nhiên liệu từ than bùn
tại Việt Nam. Chính vì vậy, nghiên cứu cơng nghệ có th áp dụng vào quá trình nhiệt
ph n th n

n đ sản xuất nhiên liệu là một vấn đề cấp bách và cần thiết đối với tình

hình hiện nay tại Việt Nam. Việc nghiên cứu công nghệ nhiệt phân than bùn khơng
những góp một phần vào việc giải quyết vấn đề nhiên liệu hiện n y và trong tƣơng l i
của Việt Nam mà bên cạnh đó cơng nghệ nhiệt phân than bùn góp phần vào việc nâng
cao giá tr nguồn tài nguyên dồi ào này chƣ đƣợc h i thác đ ng mức tại Việt Nam,
góp phần đƣ r một loại nhiên liệu sạch giảm thi u tình trạng ô nhiễm môi trƣờng từ
việc sử dụng các nguồn nhiên liệu chế biến từ dầu mỏ và việc sử dụng đốt trực tiếp
nhiên liệu rắn của các q trình cơng nghệ.
Trên cơ sở nhận thức đó, đề tài luận văn thạc sĩ “ nghi n
nhi n i u h t th n

n

ng ph

ng pháp nhi t ph n

u quá tr nh sản u t
tá ” đ ợc thực hi n.

II. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU
Nhƣ đã đề cặp ở tr n, đối tƣợng nghiên cứu trong đề tài này bao gồm:
 Vật liệu nghiên cứu:
 Nguyên liệu than bùn khai thác tại t nh

nh Dƣơng

 X c tác đƣợc sử dụng là xúc tác Bentonite
cấp bởi công ty TNHH Hƣơng

nh Thuận đƣợc cung

ảnh, Tp. Hồ Chí Minh, xúc tác

Zeolite 4A, xúc tác H-ZSM-5 đƣợc cung cấp

ởi công ty

PINGXIANG XINTAO CHEMICAL PACKING CO.,LTD - Trung


Luận Văn Thạc Sĩ

hƣơng I

-3-

Quốc
 Thiết

: hệ thống thiết

phản ứng nhiệt ph n ạng tầng cố đ nh đƣợc thiết

ế và lắp đặt tại Trung T m Nghi n ứu ông Nghệ Lọc Hoá Dầu Đại Học
ách Kho Thành Phố Hồ hí Minh
 Q trình nhiệt phân: nhiệt ph n trong điều kiện khơng có oxy, có xúc tác
và khơng có xúc tác.
 Sản phẩm: khí nhiệt phân và dầu nhiệt phân
III.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Mục ti u đặt ra trong luận văn này là:
 Xây dựng cơ sở dữ liệu về thành phần than bùn khai thác tại t nh Bình
Dƣơng
 Nghiên cứu lựa chọn quy trình cho quá trình nhiệt phân than bùn.
 Nghiên cứu ảnh hƣởng các yếu tố nhiệt độ, tốc độ gia nhiệt, nồng độ xúc
tác

đến quá trình nhiệt phân than bùn.

 Nghiên cứu tác động của một vài xúc tác khác nhau đến quá trình nhiệt
phân than bùn.
IV.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Nội dung 1: Nghiên c u tổng quan, xây dựng

sở dữ li u, xây dựng quy

trình cơng ngh
1.1.
từ th n

Nghiên cứu tổng qu n lý thuyết về công nghệ sản xuất nhi n liệu
n tại Việt N m và trên thế giới nhằm tạo ra một cơ sở khoa học

cho việc thực hiện đề tài.
1.2.

Phân tích thành phần hó lý, đặc đi m th n

n lấy tại

nh

h n quy tr nh và xây dựng h th ng thi t

th

Dƣơng của Việt Nam.
Nội dung 2: Nghiên c u ự

nghi m ho quá tr nh nhi t ph n th n

n


Luận Văn Thạc Sĩ

hƣơng I

-4-

Nội dung 3: Nghiên c u thực nghi m.
3.1.

Nghi n cứu ảnh hƣởng các điều iện nhiệt độ, tốc độ gi nhiệt, t

lệ x c tác th n

n đến hiệu suất thu hồi sản phẩm, hiệu suất chuy n hoá

các thành phần trong th n
3.2.

n.

Nghiên cứu so sánh phƣơng pháp sử dụng x c tác đến hiệu suất và

thành phần sản phẩm hí.
3.3.

Nghiên cứu khảo sát ảnh hƣởng củ

Bentonite hoạt hoá, zeolite 4A, H-ZSM-5

x c tác Bentonite thô,

đến thành phần và hiệu suất

thu hồi nhiên liệu khí
V.

PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghi n cứu này đƣợc thực hiện tr n cơ sở phƣơng pháp nghi n cứu thực nghiệm

tr n hệ thống pilot đƣợc x y ựng
quá tr nh nhiệt ph n th n

n

ác phƣơng pháp đƣợc sử ụng trong nghi n cứu

o gồm:

 Nghiên cứu, phân tích, tổng hợp, so sánh kết quả đã thực hiện nổi bật nhất trên
thế giới về công nghệ nhiệt ph n đ chọn lựa một quy trình cơng nghệ tiêu bi u.
 Nghiên cứu, tổng hợp, phân tích kết quả nghiên cứu thực nghiệm và kết quả
nghiên cứu tổng quan về công nghệ đ đƣ r một công nghệ phù hợp với
nguyên liệu than bùn của Việt Nam.
 Xây dựng công nghệ dự tr n cơ sở cụ th của nguyên liệu và phù hợp với trình
độ khoa học Việt Nam.
 Nghi n cứu hảo sát thực nghiệm ảnh hƣởng của các yếu tố của quá trình nhiệt
phân th n

n đến hiệu suất thu hồi nhiên liệu.

 Tổng hợp, ph n tích, đƣ r điều kiện tối ƣu cho cơng nghệ tr n cơ sở công nghệ
và thiết b đã chế tạo.
 Phƣơng pháp ph n tích sản phẩm trên máy sắc ký khí, sắc ký lỏng c o áp


Luận Văn Thạc Sĩ

hƣơng I

-5-

Ý NGHĨA KHOA HỌC

VI.

Nghiên cứu đã tiến hành xác đ nh thành phần than bùn khai thác tại t nh Bình
Dƣơng. Bên cạnh đó, nghi n cứu này cịn nhằm đƣ r quy trình hệ thống thí nghiệm
sản xuất nhiên liệu lỏng và khí từ than bùn, xem xét những điều kiện ảnh hƣởng đến
quá trình nhiệt phân nhằm t m r các điều kiện sản xuất nhiên liệu thích hợp cho nguồn
nguy n liệu than bùn ở Việt Nam. Nghi n cứu còn tiến hành tr n một số loại x c tác
hác nh u nhằm đƣ r

hả năng sử ụng củ x c tác trong quá tr nh nhiệt ph n th n

n. Với những kết quả có th thu đƣợc, nghiên cứu này hy vọng sẽ là một đóng góp
quan trọng trong cơ sở dữ liệu li n qu n đến than bùn và việc sản xuất nhiên liệu lỏng
và khí từ than bùn thơng qua q trình nhiệt ph n và qu đ y vạch ra nhiều hƣớng

nghiên cứu mới cho các nghiên cứu tiếp theo.
Đề tài còn tạo cơ sở ho học cho việc ứng ụng công nghệ nhiệt ph n vào việc
nghi n cứu t m r nguồn nhi n liệu mới từ các nguồn nguy n liệu iom ss hác nh u
nhƣ trấu, m n cƣu, l i ngô, hạt cao su....
VII.

Ý NGHĨA THỰC TIỄN
Trƣớc hết, việc nghiên cứu đặc đi m than bùn ở Việt Nam giúp chúng ta có cách

nhìn tổng qt về tiềm năng của nguồn th n

n trong nƣớc và nâng cao nhận thức của

ch ng t đối với việc sử dụng nguyên liệu than bùn làm nhiên liệu thơng qua q trình
nhiệt phân.
Việc nghi n cứu thành công quá tr nh sản xuất nhi n liệu hí từ th n
tr nh nhiệt ph n nhằm đƣ r phƣơng thức sử ụng nguồn nhi n liệu th n

n ằng quá
n ồi ào

tr n thế giới và Việt N m góp phần giải quyết vấn đề thiếu hụt năng lƣợng trong tƣơng
l i

n cạnh đó, nó cịn góp phần giải quyết vấn đề về ơ nhiễm môi trƣờng o việc sử

ụng quá nhiều nguồn nhi n liệu hố thạch Ngồi ra, kết quả nghiên cứu có ý nghĩa rất
lớn đối với việc đảm bảo vấn đề n ninh và đ

ạng hóa nguồn năng lƣợng, góp phần

ổn đ nh và th c đẩy tăng trƣởng kinh tế củ đất nƣớc và giảm sự suy thối mơi trƣờng.


Luận Văn Thạc Sĩ

hƣơng II

-6-

CHƢƠNG II: TỔNG QUAN

I.

Vật Liệu nghiên cứu

1.

Than bùn

1.1. Đại cƣơng về than bùn
Đ nh nghĩa

a.

Than bùn là sản phẩm phân hu của thực vật, màu đen hoặc nâu Đ y là một h n
hợp của thực vật đầm lầy đủ loại: mùn, vật liệu vô cơ và nƣớc, trong đó i tích thực vật
chiếm hơn

Nếu trong đất chứa từ 10-60% di tích thực vật th đƣợc gọi là đất than

b n h y đất hữu cơ Th n

n có th chứa từ 50-60% cacbon khi khơ, nên than bùn là

loại nhiên liệu đốt cháy và s u hi cháy đ lại khoảng 5-50% chất tro.
b.

Phân loại than bùn

Nhìn chung, th n

n đƣợc 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. Do đó t có th phân loại ch ng theo các đặc đi m nhƣ s u:
 Thứ nhất, dựa vào mức độ phân hủy, th n

n đƣợc 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.
 Thứ h i, theo điều kiện h nh thành th n

n đƣợc chia ra thành 3 loại:

- Loại c o: đƣợc hình thành ở những nơi đ

h nh c o, nơi có ít nguồn

nƣớc chảy lên trên mặt ngoài nƣớc o mƣ đổ xuống Do đó trong th n
bùn ít có lẫn các khống vật, độ tro của than thấp.


Luận Văn Thạc Sĩ

-7-

hƣơng II

- Loại trung gi n: đƣợc hình thành do những ịng nƣớc trên mặt chảy
qu Do đó loại than bùn này có chứa nhiều thành phần các nguyên tố
hác nhƣ nhôm, sắt.
- Loại thấp: đƣợc tạo thành ở những v ng đầm lầy, ở những nơi chủng
thấp, ở đó nguồn nƣớc thƣờng xuyên chảy qua, loại này cũng có chứa
các kim loại hác nhƣ nhơm, sắt ngồi ra cịn chứa một lƣợng vơi đáng
k Độ tro loại than này cao.
 Thứ ba, căn cứ vào thành phần tro của than bùn mà ta có than bùn cát,
th n

n s t, th n

n lƣu hu nh, than bùn vơi.

 Ngồi ra, căn cứ vào nguồn gốc tạo thành những thành phần hữu cơ trong
than mà ta có than bùn tại ch hoặc là than bùn ngoại lai.
c.

Tính ch t than bùn

 Tính ch t vật lý:
- Màu sắc củ th n

n th y đổi theo thành phần cấu tạo, tuổi của than

n và các điều kiện khống chế khi hình thành. Do sự phân hu khơng
hồn tồn, than bùn là một chất xốp, nhẹ, màu nâu hoặc đen Th n

n

phân hu càng cao, càng sẫm màu và sự nén dễ càng lớn.
- Than bùn không th h nh thành đƣợc nếu hơng có nƣớc Do đó, th n
n có tính h t nƣớc một cách mạnh mẽ.
- T trọng củ th n

n thƣờng hó xác đ nh vì t trọng than th y đổi

theo cấu trúc và mức độ khơ của than bùn
 Tính chất hố học:
- Than bùn là h n hợp các hợp chất hữu cơ trong đó thành phần các
chất hữu cơ hồn tồn phụ thuộc vào thực vật tạo than, mức độ phân
hu và mơi trƣờng hình thành. Các hợp chất hữu cơ căn ản là:
+ Các hợp chất hữu cơ hoà t n trong nƣớc.
+ Các hợp chất hữu cơ hoà t n trong ete và rƣợu.
+ Xenlulozo và hemixenlulozo.


Luận Văn Thạc Sĩ

hƣơng II

-8-

+ Lignin và các dẫn xuất từ lignin.
+ Hợp chất nitơ.
- Ngồi ra than bùn cịn gồm một số khoáng chất khác. Các nguyên tố
trong than bùn gồm: , H, O, N, P, K, S, Zn, Mg, Al, Fe, P , u
- Th n

n cũng chứa một hàm lƣợng tro lớn. Thành phần của tro rất đ

dạng: sét, bột, cát và các chất khác.
d.

Đ nh h ớng sử dụng
 Chế biến than bùn làm phân bón: Qua các quy trình sản xuất, than bùn

đƣợc chế biến thành phân vi sinh hữu cơ và ph n hoáng hữu cơ Ngày n y, có nhiều
cơ sở sản xuất và cung cấp phân bón chất lƣợng cao từ than bùn, góp phần nâng cao
năng suất cây trồng, bổ sung nguồn inh ƣ ng hữu cơ cho đất [14].
 Chế biến than bùn làm chất ích thích tăng trƣởng cây trồng: Than bùn
đƣợc dùng đ sản xuất các muối humat hị tan do trong than bùn có chứa các thành
phần khống vơ cơ nhƣ K, N , P

ác muối này đƣợc tạo thành ƣới dạng bột hoặc

dung d ch, dùng đ phun trực tiếp lên lá và thân cây, giúp cây trồng tăng trƣởng nhanh,
nâng cao chất lƣợng nông sản.
 Chế biến than bùn làm than hoạt tính: Sau khi qua cơng đoạn than hó
và hoạt hó , th n

n đƣợc loại bỏ các chất có nhựa và tạo ra các l xốp trong than.

Sản phẩm thu đƣợc này đƣợc gọi là than hoạt tính,

ng đ lọc nguồn nƣớc sinh hoạt,

xử lý nguồn nƣớc mặt và nƣớc ngầm b 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 nƣớc t đƣợc sử dụng chủ yếu đ sản xuất phân bón, các
chất ích thích tăng trƣởng cây trồng, than hoạt tính xử lý nƣớc 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 chƣ đƣợc ứng dụng rộng rãi.
1.2. Tình hình khai thác và sử dụng than bùn trên thế giới


Luận Văn Thạc Sĩ

hƣơng II

-9-

Trong những năm thập ni n

th n

n đƣợc h i thác và sử ụng làm nhi n

liệu rất rộng rãi và phát tri n mạnh ở Trung Phi và Đông N m
ảng II.1

ợng th n

u

(bảng II.1).

n h i thá và ti u thụ tr n th giới năm 1
t

t n

T u hụ 1000 ấn

Burundi

12

12

Falkland Islands

15

15

China

600

600

Indonesia

536

520

1

1

3.090

2.157

Estonia

575

345

Finland

7.927

6.849

20

8

Ireland

2.927

2.232

Latvia

383

139

Lithuania

98

87

Romania

11

11

Russian
Federation

3.220

2.847

Sweden

1.117

1.100

Ukraine

716

502

United Kingdom

20

10

Austria
SBelarus

Germany

-[7]


Luận Văn Thạc Sĩ

hƣơng II

- 10 -

Tổng thế giới

21.268

17.435

Số liệu cho thấy hầu hết lƣợng than bùn khai thác ở các nƣớc đều đƣợc tiêu thụ
hết, trong gi i đoạn này th n
điện [7]. Tuy nhiên, việc

n đƣợc sử dụng làm nhiên liệu cho các lò hơi đ tạo ra

ng th n

n đốt trực tiếp cho nhiệt cháy hông c o, đồng

thời do vấn đề về kinh tế mà than bùn càng về s u ít đƣợc quan tâm [7].
1.3. Trữ lƣợng than bùn trên thế giới và Việt Nam
1.3.1.Thế giới
Tr n thế giới, trữ lƣợng th n
, Trung

u,

ắc

n rất ồi ào tập trung đáng

ở Bắc Mỹ, h u

u, Ấn Độ Trong đó, trữ lƣợng 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 (Hình II.1). Than

n

thƣờng ph n ố tr n mặt trái đất, tuy nhiên ở một số nơi, chúng nằm s u ƣới lòng đất,
trung b nh ày

đến

m [7]. Theo hảo sát củ Ủy

(WEC), năm

trữ lƣợng th n

n toàn thế giới là

n Năng Lƣợng Thế Giới
triệu m2, chiếm hoảng 2%

diện tích ề mặt trái đất [7].

Hình II.1: Phân b than bùn trên th giới-[7]