Nghiên cứu khí hóa sinh khối liên tục có công suất nhỏ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu khí hóa sinh khối liên tục
có cơng suất nhỏ

VŨ NGỌC CẢNH
Ngành Kỹ thuật nhiệt

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Lê Đức Dũng

Viện:

Khoa học và Công nghệ Nhiệt lạnh

HÀ NỘI, 2021


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu khí hóa sinh khối liên tục
có cơng suất nhỏ

VŨ NGỌC CẢNH
Ngành Kỹ thuật nhiệt

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Lê Đức Dũng
Chữ ký của GVHD

Viện:

Khoa học và Công nghệ Nhiệt lạnh

Hà Nội, 2021


LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành bản luận văn này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới
TS. Lê Đức Dũng, thầy đã luôn quan tâm nhắc nhở, định hướng nghiên cứu cho
em trong suốt quá trình thực hiện. Trong quá trình nghiên cứu, học tập tại Viện
KH&CN Nhiệt -Lạnh, em muốn gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong Viện đã bồi
dưỡng cho em những kiến thức quý giá và những lời động viên chân thành. Qua
đây em cũng hy vọng rằng trong tương lai có thể còn được học hỏi thêm nhiều kiến
thức nữa của các thầy để phát triển chuyên môn và áp dụng kiến thức trong thực
tế.
Em xin gửi lời cảm ơn đến sự hỗ trợ từ đề tài nhiệm vụ nghị định thư “Phát
triển cơng nghệ và q trình để sản xuất khí nhiên liệu giàu hydro và hydrocacbon
nhẹ, nhiệt trị cao bằng quá trình reforming xúc tác chất bốc từ nhiệt phân sinh
khối” có mã số NĐT.94.CHN/20, chủ nhiệm nhiệm vụ TS. Lê Đức Dũng. Đề tài
đã hỗ trợ em trong quá trình nghiên cứu đánh giá tổng quan sinh khối, cơng nghệ
nhiệt phân và khí hố sinh khối.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo
điều kiện học tập tốt nhất cho em.
Cuối cùng em cũng xin cảm ơn tới các bạn trong ngành kĩ thuật năng lượng
đã có những đóng góp nhận xét quý giá để bản luận văn cao học của em được hoàn

thành tốt đẹp.

Hà Nội, ngày

tháng
Tác giả

Vũ Ngọc Cảnh

năm 2021


MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................. iii
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................ iv
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH KHỐI VÀ MỤC ĐÍCH
CỦA LUẬN VĂN.................................................................................................. 3
1.1. Tổng quan nguồn nhiên liệu sinh khối tại Việt Nam .................................. 3
1.1.1 Tổng về sinh khối .................................................................................. 3
1.1.2 Nguồn nhiên liệu sinh khối ở Việt Nam ................................................ 4
1.2. Tiềm năng năng lượng sinh khối ở Việt Nam .......................................... 8
1.2.1. Hiện trạng sử dụng năng lượng sinh khối ở Việt Nam........................ 8
1.2.3. Vai trò của năng lượng sinh khối ........................................................ 9
1.3. Mục đích của luận văn ............................................................................ 13
CHƯƠNG 2: CƠ
SỞ
LÝ
THUYẾT
VỀ

KHÍ
HĨA
SINH
KHỐI .................................................................................................................... 15
2.1. Khái niệm .................................................................................................. 15
2.2. Cơ sở hóa học của q trình khí hóa......................................................... 15
2.2.1. Thành phần hóa học của sinh khối .................................................... 15
2.2.2. Cơ chế chung ..................................................................................... 17
2.2.3. Các phản ứng chính trong q trình khí hóa. ................................... 18
2.3. Ưu nhược điểm của cơng nghệ khí hóa. ................................................... 21
2.3.1. Ưu điểm. ............................................................................................ 21
2.3.2. Nhược điểm........................................................................................ 22
2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình khí hóa sinh khối. ........................... 22
2.4.1. Ảnh hưởng của áp suất ...................................................................... 22
2.4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ. ................................................................... 23
2.4.3. Ảnh hưởng của lưu lượng khí mang N2. ............................................ 23
2.4.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ hơi nước ........................................................... 23
2.4.5. Ảnh hưởng của nguyên liệu. .............................................................. 24
2.4.6. Ảnh hưởng của tro xỉ. ........................................................................ 24
2.4.7. Ảnh hưởng của kích thước nhiên liệu. ............................................... 24
2.4.8. Độ ẩm nhiên liệu. .............................................................................. 24
CHƯƠNG 3: CƠNG NGHỆ KHÍ HĨA SINH KHỐI VÀ ỨNG
DỤNG .................................................................................................................. 25
3.1. Phân loại cơng nghệ khí hóa sinh khối ..................................................... 25
3.1.1. Phân loại ........................................................................................... 25
3.1.2. Khí hóa lớp chặt ................................................................................ 25
i


3.1.3 Khí hóa sinh khối lớp sơi. ...................................................................28

3.1.4 Thiết bị khí hóa dịng phun..................................................................30
3.2. Cơng nghệ khí hóa tầng cố định. ............................................................... 31
3.2.1 Cơng nghệ khí hóa từ dưới lên ............................................................ 32
3.2.2 Cơng nghệ khí hóa từ trên xuống ........................................................ 34
3.2.3 Cơng nghệ khí hóa kiểu đi ngang ........................................................ 34
3.2.4 Cơng nghệ khí hóa liên tục..................................................................36
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ KHÍ HĨA SINH KHỐI LIÊN TỤC
CƠNG SUẤT NHỎ .............................................................................................. 38
4.1. Ứng dụng khí hóa sinh khối cho bếp đun ..................................................38
4.1.1 Bếp và vai trò của bếp trong cuộc sống. .............................................38
4.1.2 Tổng quan bếp khí hóa sinh khối ........................................................ 39
4.1.3. Bếp khí hóa sinh khối một lớp ............................................................ 40
4.1.4. Bếp hóa khí sinh khối hai lớp ............................................................ 44
4.2. Phương pháp thí nghiệm............................................................................48
4.2.1. Phịng thí nghiệm bếp.........................................................................48
4.2.2. Cơng tác an toàn cháy nổ và vệ sinh trước và sau thí nghiệm. .........49
4.2.3. Các bước để tiến hành một bài thí nghiệm. .......................................49
4.2.4. Thí nghiệm chính thức. .......................................................................51
4.3. Khí hóa sinh khối liên tục có cơng suất nhỏ..............................................55
4.3.1 Khí hóa sinh khối liên tục có cơng suất nhỏ với gió 1 cấp .................55
4.3.2 Nghiên cứu khí hóa sinh khối liên tục có công suất nhỏ ứng dụng cho
bếp đun .........................................................................................................58
4.3.3 Đánh giá vận hành bếp hóa khí liên tục có cơng suất nhỏ MH01 ......66
KẾT LUẬN ...........................................................................................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................71

ii


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Tiềm năng và khả năng khai thác năng lượng sinh khối [2]. ............... 5
Bảng 1.2:Trữ lượng một vài thành phần sinh khối [2]. ......................................... 6
Bảng 1.3: Tiềm năng sinh khối gỗ năng lượng [3]. ............................................... 6
Bảng 1.4: Tiềm năng sinh khối phụ phẩm nông nghiệp [3]. ................................. 7
Bảng 1.5: Năng lượng phát điện tương đương của sinh khối [2].......................... 7
Bảng 1.6: Thành phần phế phẩm so sánh với than [4].......................................... 8
Bảng 1.7: Sử dụng sinh khối theo lĩnh vực [3]. ..................................................... 8
Bảng 1.8: Sử dụng sinh khối để sản xuất năng lượng (KTOE năm 2010) [3]. ..... 8
Bảng 1.9: Nguồn năng lượng từ sinh khối so với các nguồn năng lượng tái sinh khác [2].
.............................................................................................................................. 12
Bảng 2.1: Thành phần các nguyên tố của một số loại sinh khối [3] ................... 16
Bảng 3.1: Ưu nhược điểm của thiết bị khí hóa tầng cố định. .............................. 27
Bảng 4.1: Danh sách dụng cụ thí nghiệm. ........................................................... 52
Bảng 4.2: Danh sách vật dụng thí nghiệm thay thế ............................................. 53
Bảng 4.3: Bảng chọn thơng số tính tốn [17]...................................................... 58
Bảng 4.4: Thông số nhiên liệu trấu [4] ............................................................... 59
Bảng 4.5: Thành phần hỗn hợp khí sản phẩm khí hóa trấu lớp chặt [18] .......... 60
Bảng 4.6: Nhiệt trị của các khí thành phần [14] ................................................. 60
Bảng 4.7 Thông số thiết bị lựa chọn cho mơ hình MH01 .................................... 64
Bảng 4.8: Bảng thời gian nhóm của các loại bếp [16]........................................ 67
Bảng 4.9: Bảng thời gian đun sôi nước của các loại bếp [16] ............................ 68
Bảng 4.10 Bảng so sánh thời gian sử dụng và tiêu hao nhiên liệu [16]: ............ 69

iii


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1: Các monomer của Lignin. ....................................................................15
Hình 3.1: Theo thứ tự từ trái qua phải ta có thiết bị khí hóa lớp chặt kiểu ngược
chiều, thuận chiều và cắt ngang. ..........................................................................26

Hình 3.2: Thiết bị khí hóa tầng sơi. ......................................................................28
Hình 3.3: Thiết bị khí hóa tầng sơi điển hình. ...................................................... 29
Hình 3.4: Thiết bị khí hóa tầng sơi. ......................................................................30
Hình 3.5: Thiết bị khí hóa theo dịng. ...................................................................31
Hình 3.6: Bếp khí hóa ngược chiều ......................................................................32
Hình 3.7: Bếp khí hóa nhiên liệu từ trên xuống....................................................34
Hình 3.8: Bếp khí hóa theo cơng nghệ đi ngang ..................................................34
Hình 3.9: Cơng nghệ khí hóa liên tục ...................................................................36
Hình 4.1: Bếp kiềng đốt củ, rơm rạ ......................................................................38
Hình 4.2 Bếp củi ...................................................................................................39
Hình 4.3: Bếp khí hóa sinh khối một lớp .............................................................. 40
Hình 4.4: Bếp hóa khí sinh khối một lớp có vịi đốt ngồi ...................................42
Hình 4.5: Bếp hóa khí hai lớp ...............................................................................44
Hình 4.6: Bếp hóa khí sinh khơi hai lớp có gió cấp 2 ..........................................47
Hình 4.7: Sơ đồ phịng thí nghiệm bếp .................................................................49
Hình 4.8: Các bước làm quen với bếp ..................................................................51
Hình 4.9: Sơ đồ khí hóa sinh khối liên tục có cơng suất nhỏ [11] ....................... 56
Hình 4.10: Sơ đồ bếp hóa khí sinh khối liên tục có cơng suất nhỏ....................... 63
Hình 4.11: Buồng khí hóa với nhiên liệu được cấp liên tục .................................65
Hình 4.12: Thời gian nhóm các loại bếp .............................................................. 67
Hình 4.13: Thời gian đun sơi nước của các loại bếp ...........................................68
Hình 4.14: Thời gian sử dụng, mức tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất bếp ............69

iv


LỜI MỞ ĐẦU
Với nền kinh tế càng phát triển, nhu cầu tiêu thụ năng lượng trong nước cũng
như trên thế giới càng ngày càng tăng, nghiên cứu phát triển những nguồn năng
lượng mới hay tận dụng những nguồn năng lượng đang có được đánh giá cao.

Hiện nay, trên thế giới nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu vẫn là từ nhiên
liệu hóa thạch. Tuy nhiên, trữ lượng của nguồn nhiên liệu này có hạn và ngày một
giảm dần. Hơn nữa, việc khai thác và sử dụng dầu mỏ và than đá cịn thải ra khí
CO2, SOx và NOx gây hiệu ứng nhà kính, làm ơ nhiễm mơi trường và mơi sinh,
làm thay đổi nghiêm trọng đến khí hậu tồn cầu. Từ đó đặt ra cho nhân loại một
nhiệm vụ cấp bách là phải tìm nguồn năng lượng mới có khả năng thay thế năng
lượng từ nhiên liệu gốc khống, có thể tái tạo và thân thiện với môi trường. Nhiều
năm qua, các nhà khoa học trên thế giới đã có nhiều cơng trình nghiên cứu và đề
nghị nguồn năng lượng mới có thể thay thế dầu mỏ và đáp ứng được các yêu cầu
đã nêu ở trên - đó là năng lượng tái tạo, năng lượng này bao gồm: năng lượng sinh
khối, năng lượng hydro, địa nhiệt, sức gió và năng lượng mặt trời, thủy triều.
Nền kinh tế thế giới đang trên đà phát triển, nhu cầu về năng lượng ngày càng
tăng, trong khi nguồn năng lượng trong nước như than, dầu khí… đang dần cạn
kiệt, gây ơ nhiễm mơi trường. Vì vậy phát triển năng lượng sạch, năng lượng tái
tạo có ý nghĩa đặc biệt quan trọng, đồng thời góp phần bảo đảm an ninh năng
lượng, tạo điều kiện cho phát triển kinh tế…
Việt Nam là một đất nước với nền nông nghiệp rất phát triển. Bên cạnh mức
tăng trưởng xuất khẩu nơng sản cịn đọng lại vấn đề về các bãi chứa, đầu ra cho
các phế phẩm nông nghiệp sau thu hoạch như rơm rạ, vỏ trấu, thân cây chuối, vỏ
dừa, bã mía… Năm 2018, Việt Nam sản xuất được 43,98 triệu tấn lúa, 12,2 triệu
tấn mía, 4,91 triệu tấn ngơ... Ước tính tổng số sản phẩm trong nơng nghiệp tạo ra
là trên 50 triệu tấn trong đó phế phẩm nông nghiệp chiếm khoảng 10 triệu tấn [1].
Vỏ trấu, vỏ lạc, cây ngô, vỏ cà phê… là những chất đốt rẻ tiền và tiềm năng cần
tận dụng tốt hơn. Ngoài ra mùn cưa – phế phẩm trong quá trình sản xuất gỗ cũng
là nguồn nhiên liệu đốt có hiệu suất cao.
Trong những năm qua, đã có nhiều nhà khoa học của các trường đại học, viện
nghiên cứu, trung tâm công nghệ sinh học và doanh nghiệp... của nhiều bộ, ngành
đã tham gia đầu tư, nghiên cứu, ứng dụng các tiến bộ khoa học vào việc tận thu vỏ
trấu hay những phế phẩm nơng nghiệp để tạo ra khí đốt. Tuy nhiên do đặc thù của
sản xuất nông nghiệp của nước ta hiện nay vẫn mang tính nhỏ lẻ, phân tán, mạnh

ai nấy làm, nên việc thu gom, phân loại phụ, phế thải rất khó khăn. Các đề tài
nghiên cứu đều mang tính chất quy mơ lớn khó áp dụng nhỏ lẻ cho từng hộ gia
đình.
1


Ở Việt Nam, trong các hộ gia đình nhiên liệu sinh khối gần như chỉ dùng để
đun nấu. Với nền kinh tế - xã hội đang phát triển, nhiều hộ kinh doanh nhỏ lẻ như
nấu rượu, làm đậu, làm bánh cuốn, tráng bánh đa nem… dần chuyển sang các bếp
điện, các bếp sinh khối hiện tại không đáp ứng được. Trên cơ sở này dưới sự hướng
dẫn của TS. Lê Đức Dũng, em đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu khí hóa sinh khối
liên tục có cơng suất nhỏ” ứng dụng cho mục đích bếp đun.
Trong đề tài này em thực hiện gồm các phần chính sau:
Tìm hiểu nguồn ngun liệu sinh khối và ứng dụng, giới thiệu về công nghệ
khí hóa sinh khối. Nghiên cứu các loại bếp khí hóa sinh khối - có cơng suất nhỏ,
so sánh ưu nhược điểm các bếp khí hóa sinh khối đang sử dụng tại các vùng q
hiện nay. Nghiên cứu khí hóa sinh khối liên tục có cơng suất nhỏ, tính tốn và đề
xuất bếp đun sử dụng cơng nghệ khí hóa sinh khối liên tục có cơng suất nhỏ.

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH KHỐI VÀ
MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN
1.1. Tổng quan nguồn nhiên liệu sinh khối tại Việt Nam
1.1.1 Tổng về sinh khối
Sinh khối là thuật ngữ dùng để chỉ các chất hữu cơ, sản phẩm của sự quang
hợp trên bề mặt trái đất. Nguồn gốc của mọi năng lượng sinh khối là mặt trời, sinh
khối giống như một loại trong kho năng lượng hóa học. Sinh khối bao gồm các
q trình biến đổi hóa học và vật lý và sẽ được giải phóng ra dưới dạng nhiệt trong

khí quyển. Để sử dụng sinh khối cho nhu cầu năng lượng của chúng ta việc khai
thác nguồn năng lượng này khá đơn giản, cách đơn giản nhất chúng ta biết đó là
dùng lửa đốt tạo ra nhiệt để cung cấp nhiệt để nấu ăn, sưởi ấm hoặc làm nóng
khơng khí trong nhà. Một cơng nghệ phức tạp hơn để sử dụng nguồn năng lượng
này là chuyển hóa hóa năng tồn tại trong biomass thành dạng nhiệt hữu ích nào đó
bằng một cách nào đó thật hiệu quả việc khai thác và sử dụng năng lượng sinh khối
đã đóng một vai trị quan trọng trong sự tiến hóa của nhân loại. Cho đến nay nó là
dạng năng lượng chính của hơn một nửa dân số thế giới.
Sinh khối rắn: bao gồm thân cây, cành cây, thân cây trồng, động vật và chất
thải của người (mặc dù không hồn tồn là một nguồn sinh khối bền vững) thường
thì sinh khối sẽ chịu các quá trình vật lý như cắt, dập, đóng bánh nhưng vẫn giữ
được trạng thái rắn.
Biogas: được thu lại từ chất thải của động vật (trong một mơi trường khơng
khí tự do). Phân hủy các vật chất hữu cơ để tạo ra khí mê tan. Phân động vật và rác
thải hữu cơ là hai nguyên liệu phổ biến cho các q trình kỵ khí.
Nhiên liệu sinh học chất lỏng: thu được từ vật chất hữu cơ bằng các q trình
hóa học hoặc vật lý tạo ra những sản phẩm hữu dụng, nhiên liệu lỏng. Nhiên liệu
lỏng như dầu thực vật hoặc ethanol thường được xử lý từ các phế phẩm cơng
nghiệp như bã mía hoặc những loại cây đặc biệt dùng sử dụng cho mục đích này.
Nhiên liệu sinh học thường được sử dụng thay cho xăng dầu ở một số trường hợp
như chạy xe gắn máy…
Trong công nghiệp năng lượng sinh khối được hiểu là vật chất sinh học sống
hoặc mới chết. Sinh khối có khả năng tái tạo, dự trữ trong nhiều nguồn sẵn có, có
khả năng lưu trữ và thay thế dầu.
Theo thống kê thì 60% tổng trữ lượng nhiên liệu sinh khối này chủ yếu tập
trung ở các nước đang phát triển nhưng chính ở các nước đang phát triển này lại
thiếu cơ sở vật chất cũng như đội ngũ khoa học công nghệ cho việc nghiên cứu
công nghệ kỹ thuật sử dụng nguồn năng lượng dồi dào này.Hiện nay nhiều nước
3

trên thế giới bắt đầu nghiên cứu và chế tạo các thiết bị sử dụng nhiên liệu sinh khối
như các loại thiết bị sản xuất điện năng bằng công nghệ khí hóa hoặc các loại bếp
đun gia đình sử dụng nhiên liệu sinh khối.
Hơn 2 tỷ người ở các nước đang phát triển sử dụng sinh khối là năng lượng
chính cho nhu cầu năng lượng của gia đình. Năng lượng sinh khối chủ yếu dùng
để nấu ăn, đun nước, sưởi ấm. Sinh khối có sẵn một lượng lớn ở các nước đang
phát triển, ở những khu vực rừng rậm nhiệt đới và ôn đới trên thế giới. Những năm
gần đây việc phá rừng trở nên nghiêm trọng trên toàn cầu. Người ta đang quan tâm
tới việc tìm cách sử dụng nhiên liệu hiệu quả và tìm tịi những loại năng lượng
mới. Mặc dù việc sử dụng củi ảnh hưởng lớn đến việc khai thác rừng. Nhưng
nguyên nhân chính vẫn là phá rừng để giải phóng đất đai làm nơng nghiệp, dùng
gỗ cho mục đích thương mại hoặc dùng củi đun.
Trong ba thập kỉ qua người ta đã đưa ra nhiều chương trình để giảm thiểu hạn
chế việc khai phá rừng bừa bãi dùng làm củi đun. Trong đó có việc tìm cơng nghệ
sử dụng hiệu quả năng lượng sinh khối cũng như củi gỗ.
Phế phẩm nông nghiệp và công nghiệp hiên nay đang được nhiều quốc gia
sử dụng làm nhiên liệu cho việc sản xuất điện năng cỡ vừa và nhỏ cho tự dùng
hoặc cho thương mại. Các nhà máy này chủ yếu là sản xuất điện năng tự dùng và
sẽ bán ra ngoài nếu như thừa. Ở Việt Nam hiện nay ở các nhà máy đường người ta
đang làm tốt vấn đề sử dụng sinh khối này, bã mía sau khi ép lấy nước sẽ được
dùng làm nhiên liệu cho lò hơi.
1.1.2 Nguồn nhiên liệu sinh khối ở Việt Nam
Việt nam là một nước nhiệt đới gió mùa, nhiều nắng và mưa nên sinh khối
phát triển nhanh. Ba phần tư lãnh thổ là đất rừng nên tiềm năng phát triển gỗ lớn,
hơn nữa Việt Nam là một nước nông nghiệp nên nguồn phụ phẩm nông nghiệp
phong phú và và với trữ lượng rất nhiều nguồn này ngày càng tăng cùng với việc
phát triển nông lâm nghiệp.
Là một nước nông nghiệp, Việt Nam có tiềm năng rất lớn về nguồn năng
lượng sinh khối. Các loại sinh khối chính ở nước ta là: Củi gỗ, phế thải từ cây nông

nghiệp, chất thải chăn nuôi, rác thải ở đô thị và chất thải hữu cơ khác. Theo tính
tốn thì tổng tiềm năng, khả năng khai thác nguồn năng lượng sinh khối cho năng
lượng và điện từ các nguồn trên đạt khoảng 134 triệu tấn, và có thể khai thác được
từ 698-781 MW điện.

4


Bảng 1.1: Tiềm năng và khả năng khai thác năng lượng sinh khối [2].
Tiềm năng
Loại sinh khối

(triệu tấn)

Khả năng khai Khả năng khai
thác cho năng thác cho sản
lượng (triệu tấn)

điện

xuất
(MW)

1. Củi gỗ và các phế thải gỗ

27 -31

25

2. Phế thải từ cây nông

nghiệp

60-72

50

418 -501

3. Chất thải chăn nuôi

54-60

50

58

4. Rác thải phát sinh tại các
đô thị

7 -10

8

212

5. Phế thải cho sản xuất
NLSH

0.8-1.4

1

148.8-174.4

134

Tổng

698-781

Ta có thể giới thiệu sơ lược về các loại sinh khối cơ bản ở Việt Nam như sau:
Trữ lượng trấu, rơm rạ, cây lạc, đậu, ngô… lớn nhất ở Việt Nam chủ yếu
phân bố ở các vùng đồng bằng lớn như đồng bằng song cửu long. Đồng bằng sông
hồng, đồng bằng duyên hải miền trung. Gỗ mới, lấy từ rừng, các hoạt động trồng
rừng hoặc từ các quá trình chế biến gỗ. Chất thải nông nghiệp: chất thải sinh ra từ
q trình thu hoạch hoặc xử lý nơng nghiệp (bã mía, vỏ trấu, rơm…). Thức ăn thừa
từ các hoạt động sản xuất, chuẩn bị và xử lý thức ăn và thức uống hoặc từ rác thải
sinh hoạt. Chất thải nơng nghiệp và thứ phẩm, phụ phẩm từ q trình sản xuất và
các quy trình cơng nghiệp. Nó khơng bao gồm các chất hữu cơ đã được chuyển
hóa bởi các quá trình địa chất thành các chất như than đá hoặc dầu mỏ. Sử dụng
hiệu quả năng lượng sinh khối đang là vấn đề được thế giới quan tâm nhằm giảm
một phần sức ép về sử dụng nhiên liệu. Sinh khối ở nước ta có rất nhiều tồn tại
dưới dạng phế phẩm nông nghiệp như: trấu, rơm rạ, vỏ lạc, than cây lạc, ngơ, đâu,
vỏ dừa, mùn cưa, bã mía…
Ngoại trừ bã mía làm nhiên liệu cho việc đốt lị hơi thì các loại phế phẩm
khác cũng chưa được khai thác sử dụng hiệu quả.

5

Bảng 1.2:Trữ lượng một vài thành phần sinh khối [2].
Phụ Phẩm

Tổng cả nước

>11 triệu tấn

Trấu

Tổng

6.8 triệu tấn

Trấu

ĐB Sông cửu long

3.7 triệu tấn

Trấu

ĐB Bắc trung bộ

0.76 triệu tấn

Trấu

DH Nam trung bộ

0.68 triệu tấn

Mùn cưa

Tổng

5.8 triệu tấn

Mùn cưa

Miền trung

1.15 triệu tấn

Mùn cưa

Tây nguyên

2.5 triệu tấn

Mùn cưa

Tây bắc

0.055-0.6 triệu tấn

Cà phê

Tây nguyên

0.3 – 0.5 triệu tấn

Theo một nghiên cứu thống kê năm 2010 người ta có trữ lượng phụ phẩm
nơng nghiệp ở Việt Nam như bảng sau:
Bảng 1.3: Tiềm năng sinh khối gỗ năng lượng [3].
Tiềm năng,
(triệu tấn)

Tỷ lệ

Rừng tự nhiên

14,07

39,3

Rừng trồng

9,07

25,3

Đất trống đồi tróc

2,47

6,9

Cây cơng nghiệp lâu năm

2,00

5,6

Cây ăn quả

0,41

1,1

Cây mọc rải rác

7,79

21,8

Tổng cộng

35,81

100.0

Nguồn cung cấp

(%)

6


Bảng 1.4: Tiềm năng sinh khối phụ phẩm nông nghiệp [3].
Tiềm năng, triệu

Nguồn cung cấp

Tỷ lệ, %

tấn
Rơm rạ

40.00

50,3

Phế phẩm mía sau thu hoạch

7.80

9,8

Phế phẩm ngơ sau thu hoạch

9.20

11,5

Cây sắn

2.49

3,1

Trấu

8.00

10,0

Bã mía

7.80

9,8

Vỏ lạc

0.15

0,2

Vỏ đậu cà phê

0.17

0,2

Vỏ hạt điều

0.09

0,1

Các loại khác (dừa, đậu tương...)

4.00

5,0

Tổng

79.70

100.0

Ở một số tỉnh ở đồng bằng sông cửu long như Cần thơ, An Giang người ta
đang tính đến việc sử dụng trấu, mùn cưa để sản xuất điện vì theo nghiên cứu để
sản xuất 1kW điện cần đến 2 kg trấu tiết kiệm chi phí được 3 lần so với sử dụng
dầu FO. Trong khi đó giá mùn cưa rất rẻ khoảng 100-300 vnd/kg so với than đá là
2.500 vnd/kg. Công suất phát điện của một số nhiên liệu sinh khối được tính tốn
như sau:
Bảng 1.5: Năng lượng phát điện tương đương của sinh khối [2].
Nhiên liệu

Trấu

Bã mía Vỏ điều

Mùn

Rơm

cưa

Phát điện tương
đương, kg/kWh

3.78

2.08

4.25

4.04

Than
cám

3.56

6.67

Nếu tập trung trấu, mùn cưa thay thế cho than:
+Lượng nhiệt sinh ra đủ lớn thay thế cho mục đích phát điện liên tục.
+Có thành phần cháy như năng lượng truyền thống.
+Có thể xác định các thiết bị kỹ thuật để sử dụng nhiệt của nó.

7


Bảng 1.6: Thành phần phế phẩm so sánh với than [4].
Thành
phần
Trấu

Qthlv
(MJ/kg)
13.6

Mùn
cưa

14.56

37.13 4.12 31.6 0.05 0.36 17.75

9

Ρ
(kg/m3)
150

39.6

%C

%H

5.2

%O

34.4

%S

0

%N

%A

%W

0.3

0.48

15

190

Than
13.72
36.7 2.7 11.1 3.2 0.7
cám 5
1.2. Tiềm năng năng lượng sinh khối ở Việt Nam

28.6

2.34

1000

1.2.1. Hiện trạng sử dụng năng lượng sinh khối ở Việt Nam
Hiện tại, chính sách phát triển sinh khối vẫn đang trong giai đoạn chuẩn bị,
vẫn còn thiếu sự hợp tác giữa các bộ và cơ quan chức năng trong vấn đề này. Thực
tế, những chính sách về sinh khối được nhiều bộ khác nhau phác thảo, dẫn đến
việc thiếu nhất quán trong chính sách quốc gia nhằm thúc đẩy việc sử dụng năng
lượng sinh khối về lâu dài. Thêm vào đó, chính phủ chưa có chính sách trợ giúp
cho việc ứng dụng công nghệ sinh khối ở nông thôn, nơi mà đời sống đa số người
dân cịn khó khăn, nghèo khổ.
Bảng 1.7: Sử dụng sinh khối theo lĩnh vực [3].
Lĩnh vực
Gia đình
CN-TTCN
Tổng

Tổng tiêu thụ
(KTOE)
8.915
3.893
12.808

Tỷ lệ (%)
69,6
30,4
100,0

Bảng 1.8: Sử dụng sinh khối để sản xuất năng lượng (KTOE năm 2010) [3].
Tổng
Loại sinh khối
cộng
Mục đích sử dụng

Gỗ
Rơm Bã
nhiên
Trấu
Khác
rạ
mía
liệu
Nấu nướng
(của người dân 6.552
395
990
88
890
8.915
trong sinh hoạt)
Tạo nhiệt
Lò nung
663
405
100
1.168
Lò đốt
1.145
100
130
100 698
2.173
Nhiệt và
Phát điện kết

552 552
điện kết hợp hợp
Tổng
8.360
900
1.120 740 1.688 12.808
% so với
61
38
10
51
34
38,2
tiềm năng
8


Chú ý: Các năng suất tỏa nhiệt: từ gỗ: 3800 kcal/kg; trấu lúa: 3000 kcal/kg; rơm:
2800 kcal/kg; bã mía: 1850 kcal/kg
Khoảng 70% sinh khối hiện được sử dụng phục vụ đun nấu gia đình với các
bếp đun cổ truyền hiệu suất thấp. Bếp cải tiến tuy đã được nghiên cứu thành công
nhưng chưa được ứng dụng rộng rãi mà chỉ có một vài dự án nhỏ, lẻ tẻ ở vài địa
phương. 30% sinh khối còn lại được sử dụng trong sản xuất:
Sản xuất vật liệu xây dựng, gốm sứ hầu hết dùng các lò tự thiết kế theo kinh
nghiệm, đốt bằng củi hoặc trấu chủ yếu ở phía nam.
Sản xuất đường, tận dụng bã mía để đồng phát nhiệt và điện ở tất cả 43 nhà
máy đường trong cả nước với trang thiết bị nhập từ nước ngoài. Mới đây viện cơ
điện nông nghiệp đã nghiên cứu thành công dây chuyền sử dụng phụ phẩm sinh
khối đồng phát nhiệt và điện để sấy. Viện đã lắp đặt và hiện đang triển khai ứng
dụng ở các tỉnh.

Sấy lúa và sấy nông sản: máy sấy này do nhiều cơ sở trong nước sản xuất và
có thể dùng trấu làm nhiên liệu.
Cơng nghệ cacbon hóa sinh khối sản xuất than củi: theo cơng nghệ truyền
thống, hiệu suất thấp. Một số công nghệ khác như đóng bánh sinh khối, khí hóa
trấuhiện đang ở giai đoạn nghiên cứu, thử nghiệm.
1.2.3. Vai trò của năng lượng sinh khối
Trong thời kỳ sơ khai, sinh khối là nguồn năng lượng chính cho con người
đến tận thế kỷ 19. Sang thế kỷ 20, năng lượng sinh khối được thay thế dần bằng
dầu và than đá, xa hơn nữa là khí và năng lượng nguyên tử. Câu trả lời cho lý do
hiện nay năng lượng sinh khối đang được quan tâm chính là đặc tính của sinh khối:
sinh khối có khả năng tái tạo, dự trữ trong nhiều nguồn sẵn có, có khả năng lưu trữ
và thay thế dầu.
Trong những năm gần đây, sự chú ý tới các công nghệ năng lượng sinh khối
hiện đại nói riêng và năng lượng tái tạo nói chung đã tăng mạnh trên tồn cầu để
thay thế cho các nguồn năng lượng hóa thạch vì hai lý do: Một là, do các nguồn
năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt dần. Hai là, các nguồn này gây ô
nhiễm nghiêm trọng. Khác với các công nghệ năng lượng tái tạo khác, công nghệ
năng lượng sinh khối khơng chỉ thay thế năng lượng hóa thạch mà nhiều khi cịn
góp phần xử lý chất thải vì chúng tận dụng các nguồn chất thải để sản xuất năng
lượng.
Hiện nay trên quy mơ tồn cầu, sinh khối là nguồn năng lượng lớn thứ tư,
chiếm tới 14-15% tổng năng lượng tiêu thụ của thế giới. Ở các nước đang phát
triển, sinh khối thường là nguồn năng lượng lớn nhất, trung bình đóng góp khoảng
9


35% trong tổng cung cấp năng lượng. Vì vậy nhiên liệu sinh khối giữ một vai trò
quan trọng trong các kịch bản năng lượng soạn thảo bởi nhiều tổ chức quốc tế và
có khả năng sẽ giữ vai trị sống còn trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng của thế
giới trong tương lai.

Các tổ chức liên minh phi lợi nhuận của các nhà khoa học (UCS) cho rằng
sinh khối như là một loại pin tự nhiên để lưu trữ năng lượng mặt trời. Khi nguồn
nhiên liệu này được sản xuất bền vững thì nguồn năng lượng dự trữ này được xem
là vô hạn. Năng lượng sinh khối (hay năng lượng từ vật liệu hữu cơ, biomass) có
thể sản xuấttại chỗ, có ở khắp nơi, tương đối rẻ và là nguồn tài nguyên tái tạo.
Năng lượng sinh khối có thể biến chất thải, phế phẩm ngành nông, lâm nghiệp
thành nhiệt và điện năng, các loại nhiên liệu lỏng - nhiên liệu sinh học sử dụng cho
các phương tiện vận tải (etanol và diesel sinh học).
Năng lượng sinh khối có thể đóng góp đáng kể vào mục tiêu chống thay đổi
khí hậu do ưu điểm sinh khối là một loại chất đốt sạch hơn so với các loại nhiên
liệu hóa thạch do khơng chứa lưu huỳnh, chu trình cố định CO2 ngắn. Ngồi ra các
loại sinh khối có thể dự trữ, cung cấp loại nhiên liệu khô, đồng nhất và chất lượng
ổn định.
Tóm lại, sinh khối là một nguồn năng lượng hấp dẫn bởi các lý do sau đây:
Trước nhất, đây là một nguồn năng lượng có khả năng tái tạo và dự trữ trong
nhiều nguồn rất sẵn có (đặc biệt ở các nước nơng nghiệp), nếu chúng ta có thể bảo
đảm được tốc độ trồng cây thay thế.
Sinh khối được phân bố đồng đều hơn trên bề mặt Trái Đất hơn các nguồn
năng lượng nhất định khác (nhiên liệu hóa thạch...), và có thể được khai thác mà
khơng cần địi hỏi đến các kỹ thuật hiện đại phức tạp và tốn kém, có khả năng dự
trữ, thay thế dầu và có thể kiểm sốt được.
Nó tạo ra cơ hội cho các địa phương, các khu vực và các quốc gia trên tồn
thế giới tự bảo đảm cho mình nguồn cung cấp năng lượng một cách độc lập.
Đây là một giải pháp thay thế cho năng lượng hóa thạch, giúp cải thiện tình
hình thay đổi khí hậu đang đe dọa Trái Đất.
Sản phẩm cịn lại sau q trình khí hóa được gọi là biochar (than sinh học),
có tác dụng giữ lại chất dinh dưỡng nhằm cải tạo đất, không chỉ làm giảm nhu cầu
phân bón mà cịn làm giảm tác động của khí hậu và mơi trường lên đất canh tác.
Năng lượng sinh học hiện đã và đang được sử dụng rộng rãi trên toàn thế
giới, chiếm gần 11% tổng sản lượng tiêu thụ của toàn thế giới (IEA). Tuy nhiên,

các nước đang phát triển hiện nay vẫn có tỷ lệ sử dụng năng lượng sinh khối "cơ
bản" đến 35% trong cơ cấu năng lượng nội địa. Tỷ lệ này vẫn luôn khá cao đối với
10


những quốc gia nghèo nhất thế giới vốn phụ thuộc và việc đốt sinh khối để nấu
nướng, sưởi ấm và làm nhiên liệu. Mặc dù sinh khối sử dụng trong cơng nghiệp
thì có tác động tích cực đối với mơi trường, tình trạng thốt khí kém và việc sử
dụng các lị đốt (lị nấu) có hiệu suất kém làm tăng độ ơ nhiễm khơng khí trong
nhà ở (indoor air pollution – IAP) và gây ra hiểm họa về sức khỏe rất lớn đối với
người dân sống trong các khu vực nông thôn, kém phát triển. Như vậy, sử dụng
sinh khối một cách hiệu quả hơn cũng là một vấn đề lớn hiện nay trong quá trình
cải thiện chất lượng cuộc sống và sức khỏe của con người.
Năng lượng sinh khối khác các dạng năng lượng khác:
- Không giống năng lượng gió và sóng, năng lượng sinh khối có thể kiểm
sốt được.
- Cùng một lúc năng lượng sinh khối vừa cung cấp nhiệt, vừa sản xuất điện
năng.
Năng lượng sinh khối có hai dạng chính là:
- Các loại phế thải nơng nghiệp dạng hạt nhỏ như trấu, vỏ hạt điều, vỏ lạc,
rơm rạ, bã mía, lõi ngơ….
- Sinh khối gỗ có thể thu hoạch từ các khu vực trồng cây, rừng, hoặc mùn
cưa, mùn bào….
Năng lượng sinh khối có thể biến chất thải, phế phẩm ngành nông, lâm nghiệp
thành nhiệt và điện năng. Ngồi ra năng lượng sinh khối có thể đóng góp đáng kể
vào mục tiêu chống thay đổi khí hậu do ưu điểm sinh khối là một loại chất đốt sạch
hơn so với các loại nhiên liệu hóa thạch do khơng chứa lưu huỳnh, chu trình cố
định CO2 ngắn. Ngồi ra các loại sinh khối có thể dự trữ, cung cấp loại nhiên liệu
khô, đồng nhất và chất lượng ổn định.
Khi biến đổi sinh khối thành khí gas thì q trình có hiệu suất cao, có thể

ứng dụng với một dãy cơng suất rộng (một vài trăm KW), có thể sử dụng cho các
thiết bị nhiệt và sản xuất điện, vốn đầu tư ban đầu và chi phí sản xuất điện thấp.
Đồng thời quá trình biến đổi sinh khối thành khí cho phép điều khiển qui trình tốt
hơn, đốt sạch hơn trong các thiết bị sử dụng khí, loại bỏ tất cả ô nhiễm liên quan
đến sử dụng sinh khối. Từ năng lượng sinh khối cịn có thể biến đổi trực tiếp thành
các loại nhiên liệu lỏng - nhiên liệu sinh học sử dụng cho các phương tiện vận tải
(ô tô con, xe tải, xe buýt, máy bay, tàu hỏa). Có hai dạng nhiên liệu sinh học phổ
biến nhất là etanol và diezen sinh học.
➢ Đối với kinh tế:
Việt Nam là một nước nhiệt đới nhiều nắng và mưa nên sinh khối phát triển
nhanh. Ba phần tư lãnh thổ là đất rừng nên tiềm năng phát triển gỗ lớn, là một nước
11


nông nghiệp nên nguồn phụ phẩm nông nghiệp phong phú. Theo ước tính các sản
phẩm của năng lượng sinh khối có từ nơng nghiệp có thể đạt đến 200 triệu tấn vào
năm 2025. Với mức giá 40USD/t thì tổng thu nhập sẽ là 5,1 tỷ USD/năm. Tuy
nhiên sản lượng này chỉ bằng 1/6 so với tổng sản lượng năng lượng sinh khối mà
nông dân tạo ra vào năm 2025. Khi đó thị trường năng lượng sinh khối sẽ mang lại
nhiều lợi nhuận cho người nơng dân vì ngồi nguồn thu từ nơng sản họ cịn thu
được lợi nhuận từ các chất thải của nông sản như: vỏ, thân cây…
Mặt khác, nhu cầu tìm nguồn nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu hoá thạch
đang ngày càng trở nên cấp thiết, nhiều cơng trình nghiên cứu trong nước và quốc
tế đã đạt được những kết quả bước đầu về nhiên liệu từ sinh khối, hứa hẹn triển
vọng về một nguồn nhiên liệu dồi dào.
Phát triển nông thôn là một trong những lợi ích chính của việc phát triển năng
lượng sinh khối (NLSK), tạo thêm công ăn việc làm cho người lao động (sản xuất,
thu hoạch…).
Thúc đẩy sự phát triển công nghiệp năng lượng, cơng nghiệp sản xuất các
thiết bị chuyển hóa năng lượng….Giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hoá thạch đa

dạng hóa nguồn cung cấp nhiên liệu. Ta có thể nhận thấy lợi ích kinh tế của việc
sử dụng năng lượng sinh khối thông qua bảng dưới:
Bảng 1.9: Nguồn năng lượng từ sinh khối so với các nguồn năng lượng tái sinh khác [2].
Năng lượng phát

Mặt trời

Gió

Sinh khối

Tổng đầu tư, triệu USD

1,830

12,700

6,300

Quy mô nhà máy, kW

1,000,000

10,000,000

10,000,000

Tỷ lệ hoạt động hàng năm, %

12

20

70

Công suất điện phát hàng năm,
1,100
Mkw/h

17,500

61,300

Đơn vị đầu tư, USD/kW

0.72

0.10

1.66

➢ Đối với mơi trường:
Đây là một nguồn năng lượng có tiềm năng to lớn với nhiều ích lợi to lớn cho
mơi trường.
NLSK có thể tái sinh được.
NLSK tận dụng phế phẩm làm nhiên liệu, do đó nó vừa làm giảm lượng rác
vừa biến chất thải thành sản phẩm hữu ích. Đốt sinh khối cũng thải ra CO2 nhưng
lượng S và tro thấp hơn đáng kể so với việc đốt than. Ta cũng có thể cân bằng
lượng CO2 thải vào khí quyển nhờ trồng cây xanh hấp thụ chúng. Vì vậy NLSK
12

lại được tái tạo thay thế cho sinh khối đã sử dụng nên cuối cùng khơng làm tăng
CO2 trong khí quyển.
Như vậy, phát triển NLSK làm giảm sự biến đổi khí hậu, giảm hiện tượng
mưa axit, giảm sức ép về bãi chơn lấp….
So với nhiên liêu hóa thạch thì mật độ năng lượng trên đơn vị sinh khối là
thấp.
Nếu tập trung vào nguồn sinh khối gỗ thì gây tác động tiêu cực đến mơi
trường, phá rừng, xói mịn đất, sa mạc hóa, và những hậu quả nghiêm trọng khác.
Có thể thấy so sánh về hiệu quả đầu tư cũng như hiệu suất năng lượng thì nguồn
NLSK là nguồn nhiên liệu mang lại lợi ích rất cao. NLSK có nhiều dạng, và những
lợi ích kể trên chủ yếu tập trung vào những dạng sinh khối có thể tái sinh được,
tận dụng từ phế phẩm nông lâm nghiệp. Tuy nhiên việc phát triển năng lượng sinh
khối ở nước ta hiện nay vẫn chưa được khai thác triệt để, nhiều dự án vẫn chưa
triển khai do cịn gặp nhiều khó khăn về cơng nghệ, về phân bố nguồn nguyên liệu,
về nguồn vốn hỗ trợ đầu tư của nhà nước….
➢ Các tồn tại:
So với nhiên liêu hóa thạch thì mật độ năng lượng trên đơn vị sinh khối là
thấp. Nếu tập trung vào nguồn sinh khối gỗ thì gây tác động tiêu cực đến mơi
trường, phá rừng, xói mịn đất, sa mạc hóa, và những hậu quả nghiêm trọng khác.
Có thể thấy so sánh về hiệu quả đầu tư cũng như hiệu suất năng lượng thì nguồn
năng lượng sinh khối là nguồn nhiên liệu mang lại lợi ích rất cao. Năng lượng sinh
khối có nhiều dạng, và những lợi ích kể trên chủ yếu tập trung vào những dạng
sinh khối có thể tái sinh được, tận dụng từ phế phẩm nông lâm nghiệp. Tuy nhiên
việc phát triển năng lượng sinh khối ở nước ta hiện nay vẫn chưa được khai thác
triệt để, nhiều dự án vẫn chưa triển khai do cịn gặp nhiều khó khăn về công nghệ,
về phân bố nguồn nguyên liệu, về nguồn vốn hỗ trợ đầu tư của nhà nước….
1.3. Mục đích của luận văn
Theo Bảng 1.8 ta thấy trữ lượng cũng như khả năng ứng dụng của nhiên liệu

sinh khối rất tiềm năng, với khả năng cung cấp 8.915 KTEO năng lượng phục vụ
cho nấu nướng, 1.168 KTEO năng lượng cho lò nung, 2.173 KTEO cho lò đốt và
552 KTEO dùng để phát điện.
Khí hóa là một trong những cơng nghệ sử dụng nguồn nhiên liệu sinh khối
hiệu quả. Trong lị cơng nghiệp lớn, sinh khối thường được sử dụng trong các lị
khí hóa tầng sơi; các thiết bị khí hóa sinh khối có cơng suất nhỏ thường ứng dụng
cộng nghệ khí hóa lớp chặt chủ yếu cho bếp đun, lị nung, lị sấy, lị hơi có cơng
suất nhỏ.
13


Nói chung, sự thâm nhập hiện tại của cơng nghệ sinh khối ở Việt Nam vẫn
còn nhiều hạn chế. Từ trước đến giờ, người dân sống ở nông thôn thường dùng
sinh khối, vốn khá dồi dào, như nguồn nhiên liệu chính nhưng với hiệu suất sử
dụng năng lượng khá thấp. Trong tổng tiêu thụ năng lượng toàn quốc năng lượng
sinh khối vẫn chiếm tỉ lệ lớn tới trên một nửa. Mặc dù giá trị tuyệt đối vẫn không
ngừng tăng nhưng tỉ lệ giảm dần do năng lượng thương mại tăng nhanh hơn.
Khí hóa sinh khối liên tục có cơng suất nhỏ có thể ứng dụng trong bếp đun,
cung cấp sản phẩm khí cho các máy nổ cống suất nhỏ, cho các lị nung, hay tủ sấy
nhỏ. “Nghiên cứu khí hóa sinh khối liên tục có cơng suất nhỏ” là đề tài có khả năng
ứng dụng rộng trong nhiều cơng nghệ cũng như thiết bị cung cấp nhiệt, hay sử
dụng hỗn hợp khí sản phẩm. Trong khuân khổ bản luận văn này giới hạn Nghiên
cứu khí hóa sinh khối có cơng suất nhỏ cho bếp đun.

14


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KHÍ HĨA SINH KHỐI
2.1. Khái niệm
Khí hố là q trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liêu sinh khối ở nhiệt độ cao

(khoảng từ 600 đến 900 OC) chuyển hố thành nhiên liệu khí, bằng cách cung cấp
một lượng hạn chế ôxy nguyên chất, ơxy trong khơng khí hoặc hơi nước. Khí hố
nhiên liệu sinh khối bằng khơng khí sẽ tạo ra nhiên liệu khí có nhiệt trị thấp, chứa
khoảng 50% Nitơ. Khí hố sinh khối bằng ôxy nguyên chất hoặc hơi nước sẽ tạo
ra khí sản phẩm có nhiệt trị trung bình.
Thành phần chính của nhiên liệu khí bao gồm CO, H2 và CH4, ngồi ra cịn
có CO2, hơi nước, N2 và tar (hydrocacbon cao phân tử). Nhiên liệu khí từ q trình
khí hóa sinh khối được sử dụng trong nhiều trường hợp tại đó nhiên liệu sinh khối
dạng rắn khơng thể hoặc khó sử dụng. Ví dụ: làm nhiên liệu cho động cơ phục vụ
vận tải, phát điện, cấp nhiệt …
2.2. Cơ sở hóa học của q trình khí hóa.
2.2.1. Thành phần hóa học của sinh khối
Các nguyên liệu sinh khối bao gồm gỗ, cành cây nhỏ, rễ, vỏ cây, bã mía, rơm
rạ, trấu, ngô, vỏ lạc, lá cây, phân động vật, phế phẩm nơng lâm nghiệp, rác thải
sinh hoạt….
Thành phần hóa học của sinh khối gồm các thành phần sau:
-

Ẩm: Hàm ẩm của sinh khối phụ thuộc vào bản chất của sinh khối và
phụ thuộc vào độ ẩm của môi trường.

Lượng ẩm trong mẫu chủ yếu được cho là tồn tại ở 2 dạng:
• Ẩm trên bề mặt mẫu
• Ẩm trong mao quản
- Chất bốc: Chất bốc được hiểu là các hợp chất dễ bay hơi tiêu biểu là
các hợp chất sau
- Lignin: chiếm 15%-25%. Cơng thức hóa học (C10H12O4)n. Nó có cấu
trúc phức của các chất thơm, nó chống lại được các q trình chuyển
hóa hóa học sinh khối, để chuyển hóa nó cần nhiệt độ cao.

Hình 2.1: Các monomer của Lignin.
15


Hemicellulose: chiếm 23%-32%, cơng thức hóa học [C5(H2O)4]n, là polyme
của cácphân tử đường 5 cacbon, 6 cacbon. Nó là thành phần dễ bị depolyme hóa,
đường 5 cacbon khó biến đổi hơn do năng lượng liên kết của nó lớn hơn đường 6
cacbon.
• Các hợp chất trích ly
- Tro: Tro của các mẫu sinh khối là phần vô cơ không cháy được. Thành phần
chính của tro gồm các oxit kim loại như: SiO2, Al2O3, Fe2O3, K2O, CaO, MgO,
Na2O, và tro là thành phần khơng có ích đối với q trình cháy.
- Hàm lượng cacbon cố định: Hàm lượng cacbon cố định là lượng cacbon rắn
cố định có trong mẫu, tham số này được dùng để đánh giá nhiên liệu sinh khối, nó
đặc biệt quan trọng với q trình cháy và q trình khí hóa.
Sinh khối có một vài tính chất hóa học thuận lợi cho các q trình chuyển
hóa nhưng so với các dạng nhiên liệu nền tảng là cacbon thì sinh khối có hàm
lượng tro thấp và khả năng phản ứng cao. Tuy nhiên, độ ẩm cao ln có xu hướng
tạo nhựa và hàm lượng tro dẫn đến điểm nóng chảy chất rắn thấp khi mà hiện tại
nhiệt là thách thức đối với một số phương pháp chuyển hóa. Một số sinh khối có
hàm lượng nitơ và clo cao. Sự kết hợp của kiềm và clo có thể tạo hợp chất gây ăn
mịn thiết bị chuyển hóa. Hàm lượng nitơ cao làm tăng khả năng hình thành oxit
nitơ nhưng hàm lượng lưu huỳnh lại thấp hơn nhiều loại nhiên liệu khác như than
thì làm giảm khả năng tạo lưu huỳnh trong q trình chuyển đổi.
Sinh khối có chứa năng lượng trong các liên kết hóa học của các thành phần
của nó giống như cacbonhydrat. Thành phần oxy trong sinh khối cao hơn trong
nhiên liệu hóa thạch nên về cơ bản năng lượng của nó thấp hơn nhiên liệu hóa
thạch. Năng lượng sử dụng tối đa theo lý thuyết từ sinh khối là năng lượng hóa học
của nó. Với một dạng nhiên liệu phức tạp, đa dạng và nhiều cấu trúc liên kết như
sinh khối thì năng lượng của nó có thể được đặc trưng qua thành phần nguyên tố

có trong nó.
Bảng 2.1: Thành phần các nguyên tố của một số loại sinh khối [3]
Thành phần nguyên tố, %
C

H

O

N

S

Tro

Nănglượng,
MJ/kg

Bạch dương

49

6

43

0

0

1

19.2

Ngũ cốc

44

6

43

1

0

6

18.2

Mía

45

5

40

0

0

10

17.8

Trấu

43.5

5.5

35.2

0.05

0.02

15.73

15.7

Dạ hương

40

5

34

2

0

20

15.2

Sinh khối

16


2.2.2. Cơ chế chung
Khí hóa sinh khối là q trình dùng oxy (hoặc khơng khí, hoặc khơng khí
giàu oxy, hoặc oxy đơn thuần, hơi nước hoặc hydro, nói chung gọi là chất khí hóa)
phản ứng với sinh khối ở nhiệt độ cao chuyển nhiên liệu từ dạng rắn sang dạng
nhiên liệu khí. Nhiên liệu này được gọi chung là khí sinh khối với thành phần cháy
được chủ yếu là CO, H2, CH4… dùng làm nhiên liệu khí dân dụng, trong công
nghiệp hoặc sử dụng làm nguyên liệu cho tổng hợp NH3, tổng hợp CH3OH….
Q trình khí hóa diễn ra ở nhiệt độ cao với sự hiện diện của chất oxi
hóa,nhiệt được cung cấp để khí hóa hoặc trực tiếp hoặc gián tiếp làm tăng nhiệt độ
trong buồng khí hóa đến 600-1000°C.Với sự hiện diện của chất oxi hóa ở nhiệt độ
cao, các hợp chất cao phân tử lớn trong nhiên liệu sinh khối bị phân hủy thành các
phân tử nhẹ hơn và cuối cùng tạo thành các khí CO, H2, CH4, N2 (nếu sử dụng
khơng khí làm tác nhân oxi hóa) và có thể là các hydro cacbon nhẹ, tro, char, tar
và các chất gây ô nhiễm như Sox, Nox... Char và tar là kết quả của việc chuyển
đổi không hồn tồn của sinh khối. Phương trình phản ứng tổng qt cho q trình
khí hóa sinh khối như sau:
CxHyOzNt (sinh khối) + O2 (21% trong khơng khí) + N2 (79% trong khơng

khí) + H2O (hơi nước có thể có) CH4 + CO + CO2 + N2 + H2 + H2O (Hơi nước
trong nhiên liệu và hơi nước không phản ứng) + C (char) + tar.
Dưới đây là các phản ứng hố học chủ yếu xảy ra trong q trình khí hoá.
Trong vùng nhiệt phân:
CxHyOzNt (sinh khối) char + tar + khí (CO2, CO, H2O, H2, CH4, CnHm) (2.1)
Phản ứng hố học dị thể xảy ra trong vùng cháy (oxi hóa) giữa ơxy trong
khơng khí cấp với cácbon ở nhiệt độ cao:
C + O2 = CO2 + 393,80 MJ/kg mol (ở 25oC, 1 at)

(2.2)

2C + O2 = 2CO + 246 MJ/kg mol (ở 25oC, 1 at)

(2.3)

Khơng khí đưa vào có chứa ôxy, hơi nước và các khí trơ như nitơ và agon.
Các khí trơ nói chung có thể coi như khơng phản ứng với các thành phần của nhiên
liệu. Tuy nhiên, hơi nước có thể phản ứng với cácbon ở nhiệt độ cao dưới dạng
phản ứng dị thể:
C + H2O = H2 + CO – 131,40 MJ/kg mol (ở 25oC, 1 at) (2.4)
Trong vùng suy giảm, CO2 tạo ra trong vùng cháy bị khử bởi khí CO theo
phản ứng hồn ngun ở nhiệt độ trên 9000C:
C + CO2 = 2CO – 172,60 MJ/kg mol (ở 25oC, 1 at)

(2.5)

Trong vùng suy giảm còn xảy ra một phản ứng tạo H2 như sau:
17

CO + H2O = CO2 + H2 + 41,20 MJ/kg mol (ở 25oC, 1 at) (2.6)
Và khi nhiệt độ khoảng 500-6000C trong vùng suy giảm còn xảy ra phản
ứng tạo H2 như sau:
C + 2H2O = 2H2 + CO2 – 88 MJ/kg mol (ở 25oC, 1 at)

(2.7)

Khí mêtan cũng được tạo ra trong thiết bị hố khí giữa char và H2 ở khoảng
500 C:
0

C + 2H2 = CH4 + 75,00 MJ/kg mol (ở 25oC, 1 at)

(2.8)

2.2.3. Các phản ứng chính trong q trình khí hóa.
➢ Cơ chế phản ứng C + H2O
Cùng là phản ứng dị thể và thu nhiệt mạnh cho nên các đặc điểm của phản
ứng C + CO2 đều đúng với phản ứng C + H2O. Phản ứng chỉ có thể tiến hành với
vận tốc tương đối lớn nên T > 800oC. Nhưng phản ứng giữa C và hơi nước phức
tạp hơn phản ứng C + CO2 vì phản ứng C + H2O có thể xảy ra theo 2 chiều hướng
khác nhau sinh ra CO và CO2:
C +H2O=CO+ H2– Q1 (2.9)
C + 2H2O=CO2+2H2– Q2 (2.10)
Nếu trong gió có chứa nhiều hơi nước thì ngồi sản phẩm CO và CO2 ra cịn
có khả năng tiến hành phản ứng sau:
CO + H2O = CO2+H2 + Q
Vấn đề cơ bản khi xét cơ chế phản ứng C + H2O là xem xét CO là sản phẩm
bậc nhất, CO2 là sản phẩm bậc nhất hay cả CO và CO2 đều là sản phẩm bậc nhất
tạo thành đồng thời cùng 1 lúc.

Vì vậy đối với phản ứng này cũng tồn tại 3 giả thiết khác nhau:
- Giả thiết 1: Cho rằng sản phẩm bậc nhất chỉ là CO2, nghĩa là khi cho C và
hơi nước tác dụng với nhau thì tiến hành phản ứng:
C + 2H2O = CO2 + 2 H2– Q (2.11)
Cịn sự có mặt của CO trong sản phẩm phản ứng giải thích bằng phản ứng
bậc 2 như sau:
CO2 + C = 2CO – Q (2.12)
- Giả thiết 2: Cho rằng cả CO và CO2 là sản phẩm bậc nhất và chúng tạo
thành đồng thời cùng lúc. Phản ứng tiến hành như sau:
C +H2O= CO +H2 –Q1 (2.13)
C + 2H2O= CO2+2 H2– Q2 (2.14)

18