LỜI MỞ ĐẦU 1. Tổng quan về tình hình năng lượng, các nghiên cứu về công nghệ thu hồi năng lượng từ biomass 1. Tình hình sử dụng và xu hướng năng lượng trên thế giới Theo tính toán của các chuyên gia năng lượng, dầu mỏ và khí đốt hiện chiếm khoảng 60-80% cán cân năng lượng thế giới. Với tốc độ tiêu thụ như hiện nay và trữ lượng dầu mỏ hiện có, nguồn năng lượng này sẽ nhanh chóng bị cạn kiệt trong vòng 40-50 năm nữa.
Diễn biến phức tạp của giá xăng dầu gần đây là do nhu cầu dầu thô ngày càng lớn và những bất ổn chính trị tại những nước có trữ lượng và xuất khẩu dầu mỏ lớn. Để đối phó tình hình đó, cần tìm ra các nguồn năng lượng thay thế, ưu tiên hàng đầu cho các nguồn năng lượng tái sinh và thân thiện với môi trường [1]. Bên cạnh đó, theo đánh giá của các chuyên gia nghiên cứu về năng lượng thì trong tương lai, nguồn năng lượng sử dụng sẽ hướng vào nguồn năng lượng tái tạo trong đó công nghệ sản xuất năng lượng từ nguồn biomass chiếm tỷ trọng cao. Xu hướng năng lượng của Thế giới 1.
Tình hình nghiên cứu về công nghệ sản xuất năng lượng từ biomass – Công nghệ khí hoá biomass Công nghệ chuyển hoá thu hồi năng lượng từ biomass được sử dụng sớm nhất trong các dạng năng lượng và một trong những phương pháp thu hồi năng lượng là quá trình đốt trực tiếp. Phương pháp sản sinh năng lượng từ biomass có 03 dạng: - Phương pháp đốt trực tiếp: Đây là phương pháp được sử dụng sớm nhất tuy nhiên phương pháp này có hiệu quả thu hồi năng lượng thấp, sinh ra ô nhiễm CO từ quá trình cháy không hoàn toàn của biomass. Trang 1 Luận văn Thạc sĩ HVTH: Ngô Ngọc Thường - Phương pháp nhiệt phân (Pyrolysis): Phương pháp này được thực hiện ở nhiệt độ từ 450oC - 650oC, nguyên tắc của phương pháp dựa vào sự bẽ gảy mạch các cellulose trong biomass thành các sản phẩm hydro và các dẫn xuất của hydrocarbon trạng thái lỏng. Sản phẩm chính của quá trình là dầu nhiệt phân tương đương với phân đoạn FO.
Việc sử dụng sản phẩm này cần phải qua nhiều công đoạn làm sạch. - Phương pháp khí hoá (Gasifigation): Đây có thể nói là phương pháp thu hồi năng lượng hiệu quả nhất từ biomass. Nguyên tắc của phản ứng cracking thực hiện từ khoảng 650oC - 850oC, sản phẩm chính là khí nhiên liệu (bao gồm hydro, hydrocarbon C1-C4). Hiện nay, phương pháp này được tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện để thu hồi năng lượng từ nguyên liệu biomass.
Kiểu Updraft: Kiểu Dowdraft: Kiểu Crossdraft: - Giá thành đầu tư thấp. - Giá thành đầu tư - Giá thành đầu rất cao do - Sử dụng được biomass tương đối cao. vật liệu làm thiết bị bền có hàm ẩm cao. - Sản phẩm khí chứa nhiệt độ cao.
- Hàm lượng Tar nhiều cặn, bụi cần - Khả năng tăng nhiệt 15-20%wt làm sạch nhanh. - Nhiệt độ sản phẩm - Sản phẩm khí có nhiệt khí cao ( 700oC). độ khá cao - Nguyên liệu biomass có hàm ẩm thấp Hình 1-2. Các dạng lò khí hoá - Ưu và nhược điểm Dựa trên nguyên tắc của phương pháp khí hoá thu hồi năng lượng từ biomass, cho đến hiện nay, các nghiên cứu đã hình thành các công nghệ và từng bước hoàn thiện đưa vào ứng dụng trong thực tiễn.
Về nguyên lý vận hành của lò khí hoá, công nghệ khí hoá có 03 dạng lò khí hoá (Hình 1.2), trong đó, mỗi dạng lò khí hoá có những ưu điểm và nhược điểm khác nhau. Về nghiên cứu hoàn thiện công nghệ khí hoá thì các nghiên cứu thực hiện hiện nay đều hướng đến quả trình cải thiện quá trình khí hoá, giảm thiểu tối đa quá trình hình thành tar (một dạng polyaromatic ngưng tụ), cải thiện chất lượng của sản phẩm khí nhiên liệu từ quá trình mà cụ thể tăng hàm lượng hydro, CO trong sản phẩm nhiên liệu khí. Một số nghiên cứu tiêu biểu: Trang 2 Luận văn Thạc sĩ HVTH: Ngô Ngọc Thường - Nghiên cứu của Hasan và đồng nghiệp [4] đã đề cập đến tiêu chuẩn cơ bản của quá trình khí hóa các nguồn nguyên liệu bimass như trấu, rơm rạ, chất thải hữu cơ… liên quan đến độ sạch của sản phẩm khí trong công nghệ khí hóa, hàm lượng các hydrocarbon nặng hoặc dẫn xuất oxy của các hydrocarbon thơm nặng hơn benzene, hàm lượng các dẫn xuất của nitơ (amoniac, hydrogencyanic, NOx) hoặc hàm lượng các chất clorine phải thấp ở một giới hạn cho phép. Sự tồn tại các hợp chất như dẫn xuất oxy của các hydrocarbon thơm trong sản phẩm khí có thể gây sự tắc nghẽn thiết bị trong quá trình vận hành.
Nghiên cứu đưa ra tiêu chuẩn áp dụng trong công nghệ khí hoá có thể triển khai với quy mô công nghiệp yêu cầu phải đảm bảo được hàm lượng cặn thấp hơn 0,6 g/Nm3 [4] hoặc ô nhiễm môi trường của các hợp chất nitơ hoặc hợp chất clorine phải cần được hạn chế thấp nhất có thể. - Ngoài nghiên cứu tiêu biểu trên, cũng có một số nghiên cứu về cải thiện công nghệ khí hoá có thể ứng dụng cho quy mô công nghiệp, các nghiên cứu tập trung vào việc thiết lập các mối quan hệ giữa cặn hình thành đến các tham số quá trình như kiểu thiết bị, nhiệt độ khí hóa, thời gian khí hóa… như nghiên cứu của Lopamudra, 2003 [5], hoặc nghiên cứu của nhóm Hasan và đồng nghiệp [4] về hiện tượng tắc nghẽn do quá trình hình thành tar trong quá trình khí hóa năm 2010, hoặc nghiên cứu của Yang và đồng nghiệp 2006 [6], về mối ảnh hưởng của việc sử dụng không khí nóng đến hiệu suất thu hồi khí tổng hợp trong thiết bị khí hóa tầng cố định. Một số nghiên cứu ảnh hưởng của các tác nhân khí hóa như oxy, không khí hoặc hơi nước trong công nghệ khí hóa như nghiên cứu của Garcia năm 1999, nghiên cứu của Gil năm 1999 [7]…Các nghiên cứu cho thấy mối liên quan chặt chẽ giữa tác nhân khí hoá đến hiệu suất khí hoá, đặc biệt là vấn đề vận hành ổn định của hệ thống công nghệ khi triển khai với quy mô công nghiệp liên quan đến sự hình thành cặn. - Các nghiên cứu liên quan đến việc giảm thiểu tối đa lượng tar sinh ra trong quá trình khí hoá có thể phân chia thành hai hướng khác nhau, hướng nghiên cứu thứ nhất tập trung vào việc tối ưu chế độ khí hoá, sử dụng xúc tác tầng cố định nhằm hạn chế lượng tar tạo thành trong quá trình khí hoá, hướng nghiên cứu thứ hai tập trung vào nghiên cứu quá trình chuyển đổi tar thu được bằng một quá trình cracking xúc tác riêng biệt.
Hai hướng nghiên cứu này đều tập trung vào mục đích chung là nâng cao hiệu suất của quá trình khí hoá. - Một hướng nghiên cứu sử dụng xúc tác tăng cường hiệu suất khí hoá cũng như hạn chế tối đa sự hình thành tar cũng đã có một số nghiên cứu đã được thực hiện như nghiên cứu của Mohammad Asadullah và các cộng sự về ứng dụng hệ xúc tác Rh/CeO2/SiO2 trong khí hóa biomass ở nhiệt độ thấp đạt được hiệu quả tương đối khả quan. Theo đó, sự có mặt của xúc tác giúp độ chuyển hóa carbon thành khí từ 88-99% (phụ thuộc vào nhiệt độ khí hóa) và hiệu suất thu sản phẩm khí (H2, CO, CH4) cao [8]; Các nghiên cứu của Wang và đồng nghiệp năm 2010, 2011 về việc ứng dụng xúc tác hệ Ni/ Carbon, hoặc Ni/HTC- Carbon [9, 10].; Năm 2010 có nghiên cứu của Jianfen Li và cộng sự về hiệu quả của xúc tác nano-NiO/gama-Al2O3 trong quá trình khí hóa trấu bằng tác nhân không khí/hơi nước ở 800oC cho thấy hiệu suất thu khí (Nm3/kg Trang 3 Luận văn Thạc sĩ HVTH: Ngô Ngọc Thường biomass) và hàm lượng tar (g/Nm3) tương ứng là 2,35 Nm3/kg biomass và 0,14 g/Nm3, so sánh với trường hợp không sử dụng xúc tác là 1,82 Nm3/kg biomass và 32,5 g/Nm3, ngoài ra chất lượng khí cũng được cải thiện, cụ thể là tăng tỷ lệ H 2 trong thành phần khí sản phẩm, từ 38,2%vol (không sử dụng xúc tác) lên 48,7%vol (có sử dụng xúc tác) [11].; Nghiên cứu của Srinakruang và đồng nghiệp 2005 với hệ xúc tác Ni/Dolomite…Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, trong trường hợp có sử dụng xúc tác thích hợp, tỷ lệ H2/CO có thể tăng từ 0,6 đến 1,5, đồng thời lượng tar có thể giảm từ 12 đến 2g/m3 [12]. Nhìn chung có thể thấy, công nghệ khí hoá nguyên liệu biomass vẫn đang tiếp tục nghiên cứu theo hướng cải thiện quá trình khí hoá bằng việc sử dụng xúc tác hoặc có thể cải thiện công nghệ làm sạch để từng bước hoàn thiện công nghệ khí hoá đưa vào ứng dụng thực tiễn.
Nghiên cứu công nghệ khí hoá nguyên liệu biomass (trấu) tại Việt Nam Ở Việt Nam, quá trình khí hóa cũng được quan tâm nghiên cứu và đã đạt được những thành quả bước đầu. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu đều tập trung vào thiết kế, cải thiện công nghệ khí hoá và ứng dụng. Một số nghiên cứu tiêu biểu: Nghiên cứu về lò đốt gas trấu ứng dụng trong sản xuất của TS. Bùi Trung Thành [13] với những đặc điểm như hiệu suất sử dụng năng lượng trong trấu cao (80 - 85%), nhiệt độ ngọn lửa tương đối cao (680 oC -750oC), dễ thay đổi và điều khiển nhiệt độ ngọn lửa.
Tuy nhiên, hệ thống thiết bị vẫn chưa hoàn thiện, cấu tạo phức tạp nên khả năng áp dụng vào thực tế ở quy mô lớn vẫn là vấn đề cần được nghiên cứu sâu rộng hơn. Trên cơ sở những thành công bước đầu, TS. Bùi Trung Thành tiếp tục cải tiến để cho ra đời lò đốt gas trấu thế hệ mới áp dụng cho các máy sấy nông sản với những thay đổi về cấu tạo thiết bị để quá trình thao tác dễ dàng hơn, công suất lớn hơn và chi phí thấp hơn khi so sánh với lò đốt truyền thống sử dụng dầu, than đá [14]; Năm 2009, Công nghệ khí hóa trấu được Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển về tiết kiệm năng lượng (Enerteam) thực hiện với sự hỗ trợ của Quỹ Việt Nam - SIDA (Thụy Điển) được ứng dụng triển khai tại Công ty gốm sứ Tân Mai, công suất khí hóa từ 80 – 100 kg trấu/giờ, tuy nhiên công nghệ này hoàn toàn nhập ngoại từ Ấn Độ, giá thành tương đối cao, khoảng 1,8 tỷ đồng/ hệ thống. Chi phí cao là trở ngại lớn nhất để áp dụng hệ thống này vào thực tế tại Việt Nam.; Đặc biệt, cũng trong năm 2009 nhóm nghiên cứu của tác giả Trần Bình và cộng sự đã giới thiệu bếp gas thử nghiệm sử dụng trấu, mùn cưa, rác thải, than đá…ở quy mô hộ gia đình với những ưu điểm như chi phí rẻ và ít phát sinh các chất độc hại.
