Tổng quan luận án

Chất thải sinh khối công nghiệp phát sinh ngày càng lớn cùng với sự phát triển nhanh của các ngành công nghiệp và công nghệ. Trong ngành công nghiệp sản xuất đồ uống có cồn tại Trung Quốc, lượng bã rượu (Distilled Spirit Lees - DSL) thải ra từ quá trình lên men chất rắn đạt khoảng 20 triệu tấn mỗi năm. Bã rượu có độ ẩm cao (lên tới khoảng 50 - 60% khối lượng), dễ phân hủy, có tính axit mạnh và chứa hàm lượng nitơ tương đối cao (khoảng 3 - 5% khối lượng trên cơ sở khô). Việc chôn lấp hoặc thải trực tiếp ra môi trường gây mùi hôi và ô nhiễm nguồn nước ngầm. Do giàu xenluloza và hemixenluloza nhưng nghèo dinh dưỡng tiêu hóa được, các công nghệ chuyển hóa sinh học khó xử lý hiệu quả nguồn phụ phẩm này. Phương án đốt chuyển hóa nhiệt thành năng lượng (hơi nước hoặc khí nhiên liệu) gặp phải trở ngại lớn là lượng phát thải NOx cao (có thể đạt tới 550 ppm khi đốt trong lò tầng sôi quy mô phòng thí nghiệm).

Để giải quyết vấn đề này, công nghệ đốt tách rời tầng sôi tuần hoàn (Circulating Fluidized-Bed Decoupling Combustion - CFBDC) đã được nghiên cứu và phát triển bởi Phòng thí nghiệm Công nghệ Năng lượng Tiên tiến (AET Lab) thuộc Viện Kỹ thuật Quá trình (IPE), Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS). Công nghệ này đã được chứng minh trên trạm trình diễn công nghiệp công suất 35.000 tấn/năm xử lý bã rượu, giúp giảm phát thải NOx khoảng 70% so với công nghệ đốt tầng sôi tuần hoàn truyền thống, đưa nồng độ NO trong khói thải về mức 120 – 170 mg/Nm³ đối với bã rượu chứa khoảng 4,1% nitơ. Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đó thực hiện trên các lò phản ứng gián đoạn hoặc bán gián đoạn chưa phản ánh sát điều kiện tái cháy thực tế trong lò phản ứng liên tục của hệ thống CFBDC, đồng thời chưa làm rõ tương tác cộng hưởng đồng thời giữa các sản phẩm nhiệt phân gồm bán than (char), hắc ín (tar) và khí nhiệt phân (py-gas).

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Đỗ Hải Sâm (Do Hai-Sam), dưới sự hướng dẫn của Giáo sư Hứa Quang Văn (Guangwen Xu) và Giáo sư Cao Sĩ Thu (Shiqiu Gao) tại Viện Kỹ thuật Quá trình - Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (bảo vệ tháng 6 năm 2018), tập trung làm rõ cơ chế giảm phát thải NOx trong quá trình đốt tách rời tầng sôi tuần hoàn. Các mục tiêu nghiên cứu cụ thể của luận án bao gồm:

  1. Xác định các phản ứng khử NO chủ đạo trong hệ thống CFBDC;
  2. Cung cấp các điều kiện vận hành thích hợp cho hệ thống CFBDC nhằm đạt hiệu quả khử NOx cao;
  3. Làm rõ hiệu ứng cộng hưởng giữa bán than (char), hắc ín (tar) và khí nhiệt phân (py-gas) đối với quá trình khử NO trong giai đoạn tái cháy;
  4. Làm sáng tỏ cơ chế phản ứng kết hợp đồng thể và dị thể trong quá trình khử NO;
  5. Đánh giá sự khác biệt về khả năng khử NO của các loại tar và char có nguồn gốc từ các nhiên liệu khác nhau (bã rượu DSL, mùn cưa SD, than non Tiên Phong XF) cũng như đóng góp của các nhóm cấu tử hóa học trong tar đối với hiệu quả khử NO.

Đối tượng nghiên cứu là các sản phẩm nhiệt phân (char, tar, py-gas) từ bã rượu DSL, mùn cưa (Sawdust - SD) và than non Tiên Phong (Xianfeng lignite - XF), cùng các hợp chất hóa học mô hình của tar. Phạm vi thực nghiệm được thực hiện trên hệ thống lò phản ứng rơi thẳng đứng (Drop-Tube Reactor - DTR) liên tục ở quy mô phòng thí nghiệm, mô phỏng các điều kiện nhiệt độ, khí quyển và thời gian lưu của vùng tái cháy trong hệ thống CFBDC.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án hệ thống hóa các vấn đề phát thải oxit nitơ (NOx), các cơ chế hình thành NOx và các công nghệ giảm thiểu trong buồng đốt nhiên liệu hóa thạch và sinh khối:

  1. Nguồn phát thải NOx và tình hình kiểm soát: NOx bao gồm chủ yếu là NO (chiếm trên 95%) và NO2. Tại Trung Quốc, phát thải NOx tăng từ 11,0 triệu tấn năm 1995 lên 26,1 triệu tấn năm 2010; trong đó các nhà máy nhiệt điện, công nghiệp và giao thông vận tải là ba nguồn chính (Zhao et al., 2013b). Nồi hơi công nghiệp là nguồn phát thải lớn thứ ba, chiếm 12,3% tổng phát thải toàn quốc vào năm 2014 (Bộ Bảo vệ Môi trường Trung Quốc, 2014).
  2. Cơ chế hình thành NOx trong quá trình đốt nhiên liệu:
    • Cơ chế nhiệt (Thermal NOx): Hình thành do oxy hóa nitơ trong không khí ở nhiệt độ ngọn lửa cao (trên 1800 K) theo chuỗi phản ứng Zeldovich (Zeldovich, 1946; Miller and Bowman, 1989).
    • Cơ chế tức thời (Prompt NOx): Hình thành do phản ứng giữa nitơ không khí và các gốc hydrocacbon (CH, CH2) trong vùng giàu nhiên liệu tạo ra các hợp chất trung gian HCN, N, NH trước khi bị oxy hóa thành NO theo cơ chế Fenimore (Fenimore; Williams et al., 1994; Miller and Bowman, 1989; Glarborg et al., 1986).
    • Cơ chế nhiên liệu (Fuel NOx): Hình thành do sự chuyển hóa của các nguyên tử nitơ liên kết hóa học trong nhiên liệu (chiếm khoảng 80% tổng NOx tạo thành). Khi gia nhiệt, nitơ trong nhiên liệu phân tách thành nitơ chất bốc (chứa NH3, HCN, HNCO, tar-N) và nitơ trong bán than (char-N), sau đó bị oxy hóa thành NOx/N2O (Chen, 2012; Mukadi et al., 2000; Tan and Li, 2000).
  3. Các công nghệ giảm phát thải NOx:
    • Kiểm soát trong quá trình đốt: Đầu đốt NOx thấp (LNBs), cấp khí phân tầng (OFA), tái cháy nhiên liệu (Reburning - giảm tới 70% NOx), tuần hoàn khói thải (FGR), điều chỉnh thông số vận hành (BOOS, LEA, BF) (Baukal, 2004; Smoot et al., 1998; US DOE, 1999).
    • Xử lý sau buồng đốt: Khử chọn lọc không xúc tác (SNCR ở 1073 - 1273 K) và khử chọn lọc có xúc tác (SCR đạt hiệu suất tới 95%) (Pan et al., 2013; Hans and Peter, 2010).
  4. Công nghệ đốt tách rời (Decoupling Combustion - DC): Được đề xuất lần đầu bởi Viện Kỹ thuật Quá trình (Li et al., 1997), tách quá trình đốt thành hai giai đoạn phản ứng: sấy/nhiệt phân nhiên liệu và đốt cháy riêng biệt bán than cùng chất bốc. Công nghệ DC được triển khai qua hai chế độ:
    • Chế độ phân tầng (Staging) trên ghi cố định: Chất bốc giải phóng đi qua lớp bán than nóng đang cháy để khử NO và CO (Li et al., 1997; He et al., 2006; Dong et al., 2007, 2009, 2010).
    • Chế độ cách ly (Isolating) trong tầng sôi tuần hoàn (CFBDC): Tách riêng buồng nhiệt phân tầng sôi và buồng nâng đốt bán than, đưa chất bốc (tar và py-gas) vào vị trí giữa buồng nâng để tái cháy cùng bán than bị cuốn theo nhằm khử NOx tạo ra từ đáy buồng nâng (Xu et al., 2010; Han et al., 2015; Yao et al., 2011; Cai et al., 2013).
  5. Cơ chế hóa học của phản ứng tái cháy:
    • Khử NO đồng thể: Các hydrocacbon nhẹ từ khí và quá trình nứt vỡ tar phân hủy tạo gốc CHi và HCCO qua quá trình oxy hóa một phần, sau đó phản ứng với NO tạo ra HCN và các gốc chứa nitơ (NHi), cuối cùng chuyển hóa thành N2 (Shu et al., 2015b; Dagaut and Lecomte, 2003; Glarborg et al., 2000). Nếu oxy quá dư, các gốc CHi, HCCO bị oxy hóa thành CO, CO2 và NHi bị oxy hóa ngược lại thành NO.
    • Khử NO dị thể: Bề mặt bán than chứa các tâm hoạt tính tự do C* và phức diện C(O) khử trực tiếp NO thành N2 và CO2. Sự có mặt của CO khử oxy hóa bám dính trên phức diện C(O) để tái tạo tâm C* và xúc tác phản ứng giữa CO và NO (Dong et al., 2007; Suzuki et al., 1994; Liu et al., 1997).
    • Vai trò xúc tác của tro trong bán than: Các kim loại kiềm, kiềm thổ và kim loại chuyển tiếp (K, Ca, Fe, Cr, Co, Ni, Cu) làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng NO-char (Illan-Gomez et al., 1995, 1996; Zhong et al., 2002, 2007).

Vị trí của luận án: Kế thừa các nghiên cứu trước của nhóm AET Lab và các tác giả quốc tế, luận án giải quyết khoảng trống thực nghiệm về cơ chế khử NO đồng thời của ba cấu tử sản phẩm nhiệt phân (char, tar, py-gas) trong điều kiện nạp liệu liên tục của lò rơi DTR, xác định định lượng tương tác cộng hưởng giữa các pha và làm rõ vai trò hóa học của các nhóm cấu tử hắc ín.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp cơ sở lý thuyết nhiệt động lực học, động học phản ứng hóa học dị thể khí - rắn và đồng thể pha khí của quá trình tái cháy (reburning) với phương pháp thực nghiệm định lượng trên hệ thống thiết bị chuyên dụng.

Nguyên liệu và chuẩn bị tác nhân khử NO

  • Nguyên liệu bã rượu (DSL) do Công ty Tập đoàn Lô Châu Lão Kiều (Luzhou Laojiao Group Company, Trung Quốc) cung cấp, có kích thước hạt 2,0 - 5,0 mm.
  • Mẫu được phân tích công nghiệp theo tiêu chuẩn Trung Quốc GB/T 28731-2012 và phân tích nguyên tố bằng thiết bị VARIO MACRO CHNS (Elementar Co., Đức).
  • Hệ thống nhiệt phân điều chế tác nhân: Lò ống thạch anh nằm ngang (đường kính trong 42 mm, chiều dài 1250 mm) đặt trong lò điện có vùng nhiệt độ đồng đều 400 mm. Quá trình nhiệt phân thực hiện ở 500 °C trong môi trường khí N2 (1 L/min), nạp 100 g DSL khô (độ ẩm khoảng 10%) mỗi mẻ, thời gian phản ứng 30 phút.
  • Thu hồi sản phẩm:
    • Bán than (char) được làm nguội trong dòng N2, sau đó nghiền và rây lấy dải kích thước hạt 0,1 - 0,2 mm.
    • Hắc ín (tar) ngưng tụ qua bình thu gom ngâm trong bể nước đá và hệ thống 3 bình rửa axeton; hỗn hợp chất lỏng được xử lý qua máy cô quay chân không để thu hồi axeton, sấy khô bằng MgSO4 khan, lọc bụi và cô quay chân không lần hai để thu tar nguyên chất.
    • Khí nhiệt phân (py-gas) được phân tích thành phần bằng máy sắc ký vi khí micro GC (Agilent GC 3000, Agilent Technologies Co., Mỹ). Dựa trên thành phần đo được, py-gas mô hình được phối trộn từ các bình khí chuẩn phục vụ thí nghiệm.
    • Thành phần hóa học của tar được xác định bằng sắc ký khí ghép khối phổ GC-MS (Shimadzu QP 2010 Ultra, cột mao quản silica nóng chảy RTX-5MS dài 30 m, khí mang He, gia nhiệt từ 50 °C lên 280 °C với tốc độ 6 °C/min, giữ nhiệt 10 min).

Dưới đây là các bảng số liệu phân tích đặc tính nguyên liệu và sản phẩm nhiệt phân:

Chỉ tiêu phân tích Thành phần Giá trị
Phân tích công nghiệp (% khối lượng, trạng thái nhận vào - ar) Độ ẩm (Moisture) 51,20%
Chất bốc (Volatile) 38,60%
Tro (Ash) 4,20%
Carbon cố định (FC) 6,00%
Phân tích nguyên tố (% khối lượng, trạng thái khô không tro - daf) Carbon (C) 48,50%
Hydro (H) 6,80%
Nitơ (N) 3,89%
Lưu huỳnh (S) 0,41%
Oxy (O, tính theo hiệu số) 40,40%

Bảng 1: Kết quả phân tích công nghiệp và nguyên tố của bã rượu thô (DSL).

Mẫu sản phẩm Phân tích công nghiệp (% kl, khô - db) Phân tích nguyên tố (% kl, daf)
Chất bốc Tro FC C H N S O (hiệu số)
Bán than (Char) 16,05 18,20 65,75 78,40 2,80 3,50 0,35 14,95
Hắc ín (Tar) - - - 68,20 8,10 4,20 0,20 19,30
Khí nhiệt phân (Py-gas, không tính CO2) - - - 45,10 15,20 0,00 0,00 39,70

Bảng 2: Phân tích công nghiệp và nguyên tố của các sản phẩm nhiệt phân từ bã rượu DSL ở 500 °C.

Cấu tử khí H2 CO CO2 CH4 C2H6 C3H8 Các khí khác
Nồng độ (% thể tích) 22,5 25,8 32,1 12,4 4,2 1,8 1,2

Bảng 3: Thành phần khí nhiệt phân (py-gas) từ bã rượu DSL ở 500 °C.

Sản phẩm nhiệt phân Tỷ lệ phân bố (% khối lượng, cơ sở khô)
Bán than (Char) 50,5%
Hắc ín (Tar) 18,2%
Khí nhiệt phân (Py-gas) 16,8%
Nước nhiệt phân (Pyrolysis water) 14,5%

Bảng 4: Phân bố sản phẩm nhiệt phân từ bã rượu DSL ở 500 °C.

Hệ thống lò phản ứng rơi DTR và phương pháp đo đạc

  • Buồng gia nhiệt sơ bộ (nằm ngang): Ống corundum đường kính trong 100 mm, dài 850 mm, gia nhiệt bằng 3 thanh SiC chữ U (công suất 9 kW, nhiệt độ tối đa 1300 °C).
  • Buồng phản ứng (thẳng đứng): Ống corundum đường kính trong 100 mm, dài 1680 mm, khoảng cách phản ứng hiệu dụng 1320 mm, gia nhiệt bằng 9 thanh MoSi2 chữ UL (công suất 27 kW, nhiệt độ tối đa 1550 °C). Hệ thống điều khiển nhiệt độ gồm 3 bộ điều khiển TCW-32B kết nối 3 can nhiệt Pt/Rh chính (TI - TIII) và 5 can nhiệt giám sát dọc thân lò (T1 - T5).
  • Hệ thống nạp liệu chuyên dụng liên tục:
    • Pha rắn (Char): Bộ cấp liệu trục vít điều khiển bằng biến tần (tần số tối thiểu 1,5 Hz, bước chỉnh 0,1 Hz) có cánh khuấy chống tạo vòm trong phễu chứa.
    • Pha lỏng (Tar): Bơm nhu động Lead-Fluid BT100S (bước chỉnh 0,1 Hz), bình chứa đặt trong bể điều nhiệt 60 °C, toàn bộ đường ống bọc băng gia nhiệt duy trì 60 °C, đầu nạp mẫu (feeding probe) có vỏ làm mát bằng nước tuần hoàn 60 °C để chống đóng cặn cốc tại miệng lò.
    • Pha khí (Py-gas): Cấp từ bình khí áp suất 9 MPa qua bộ điều khiển lưu lượng khối (MFC), hiệu chỉnh theo hệ số quy đổi C = 0,903 dựa trên nhiệt dung riêng và khối lượng riêng của các cấu tử khí theo công thức:

$$C = \frac{1}{\sum (\rho_i \times Cp_i \times V_i %)}$$

  • Khí khói mô phỏng: Phối trộn từ các bình khí N2, O2 (độ tinh khiết 99,99%) và NO (10% thể tích trong N2), tổng lưu lượng khí khói 45 L/min (STP), đi qua bộ trộn khí gia nhiệt tới 800 °C trước khi vào lò. Lưu lượng khí mang N2 là 4 L/min (STP).
  • Hệ thống lấy mẫu và phân tích: 5 đầu đo làm mát bằng nước đặt dọc thân lò (N1 - N5 cách nhau 260 mm), đầu thu bằng ống corundum có 9 lỗ khoan đường kính 3 mm phân bố đều trên tiết diện ngang. Nồng độ NO, SO2, CO, CO2 và O2 được đo liên tục bằng máy phân tích khói thải trực tuyến SDL M3080 (SDL Technology Co., Bắc Kinh) tích hợp cảm biến NDIR (sai số $\le \pm 1%$ FS/24h) và cảm biến điện hóa đo O2 (sai số $\le \pm 2%$ FS/24h), kèm bộ chuyển đổi NO2 thành NO đạt hiệu suất trên 95%.

Lưu lượng nạp của các tác nhân được chuẩn hóa không tính phần tro trong char và phần khí trơ (CO2, N2) trong py-gas theo công thức:

$$FMr = \frac{SMr}{100% - %inert} \times 100%$$

Trong đó $SMr$ là lưu lượng khối lượng chuẩn hóa (thường chọn 0,15 g/min), $%inert$ là hàm lượng tro hoặc khí trơ. Hệ số đương lượng tái cháy ($SR$) và hiệu suất khử NO ($\eta$) được tính theo:

$$SR = \frac{V_{O_2, in}}{V_{O_2, stoi}}$$

$$\eta = \left(1 - \frac{[NO]{out}}{[NO]{in}}\right) \times 100%$$

Trong đó $[NO]_{in}$ được quy đổi từ lưu lượng ban đầu có tính đến độ pha loãng của dòng khí mang.

Nội dung chính theo từng chương

Chapter 1 Introduction

Chương 1 trình bày bối cảnh phát sinh và thực trạng xử lý các chất thải sinh khối công nghiệp, đặc biệt là bã rượu DSL tại Trung Quốc. Phân tích nguyên nhân phát thải NOx cao khi đốt trực tiếp DSL do hàm lượng nitơ liên kết cao. Giới thiệu nguyên lý của công nghệ đốt tách rời tầng sôi tuần hoàn (CFBDC) do Viện Kỹ thuật Quá trình (IPE-CAS) phát triển, trong đó quá trình nhiệt phân tách rời tạo ra các sản phẩm char, tar và py-gas được tái cháy trong buồng nâng để khử NOx. Từ đó, chương xác lập 5 mục tiêu nghiên cứu cụ thể và phác thảo cấu trúc 7 chương của luận án.

Chapter 2 Literature Review

Chương 2 tổng quan chi tiết các tài liệu khoa học về:

  • Các nguồn phát thải oxit nitơ và thực trạng quy định phát thải tại Trung Quốc;
  • Ba cơ chế hình thành NOx: cơ chế nhiệt Zeldovich, cơ chế tức thời Fenimore và cơ chế nhiên liệu;
  • Các công nghệ giảm phát thải NOx sơ cấp (trong buồng đốt) và thứ cấp (sau buồng đốt);
  • Nguyên lý đốt tách rời (DC) trên ghi cố định và trong tầng sôi tuần hoàn (CFBDC);
  • Cơ chế hóa học của phản ứng tái cháy: các phản ứng đồng thể của gốc hydrocacbon từ khí và tar phân hủy với NO, các phản ứng dị thể giữa bán than và NO, vai trò của CO và ảnh hưởng xúc tác của các hợp chất khoáng trong tro.

Chapter 3 Material and Methodology

Chương 3 mô tả chi tiết phương pháp chuẩn bị các tác nhân khử NO từ bã rượu DSL ở 500 °C; quy trình phân tích công nghiệp, nguyên tố, GC-MS và micro GC; thiết kế và vận hành hệ thống lò phản ứng rơi DTR liên tục; cấu tạo các bộ nạp liệu chuyên dụng cho pha rắn, lỏng và khí; hệ thống cung cấp khí khói mô phỏng, hệ thống lấy mẫu 5 vị trí làm mát bằng nước và thiết bị phân tích quang phổ hồng ngoại NDIR; các công thức tính toán thông số vận hành và kiểm chứng độ ổn định của hệ thống thực nghiệm.

Chapter 4 NO Reduction by Biomass Pyrolysis Products

Chương 4 khảo sát đặc tính khử NO của từng sản phẩm nhiệt phân riêng lẻ từ bã rượu DSL (char, tar và py-gas) trong lò DTR. Các thông số ảnh hưởng chính được đánh giá bao gồm tốc độ nạp chất khử, hệ số đương lượng tái cháy ($SR$), nhiệt độ phản ứng, thời gian lưu và thành phần khí khói ban đầu:

  • Ở cùng lưu lượng khối nạp chuẩn hóa (0,15 g/min), hắc ín (tar) đạt hiệu suất khử NO ($\eta_e$) cao hơn so với bán than (char) và khí nhiệt phân (py-gas).
  • Sự hiện diện của CO trong khí nhiệt phân ức chế phản ứng khử NO đồng thể, làm cho $\eta_e$ của py-gas đơn lẻ ở mức thấp hơn.
  • Đối với char và tar từ DSL, việc tăng nhiệt độ phản ứng cùng với nồng độ ban đầu của NO và CO thúc đẩy quá trình khử NO.
  • Giá trị hệ số đương lượng tái cháy thích hợp nhất để đạt $\eta_e$ cao nhất khi tái cháy các sản phẩm nhiệt phân là $SR = 0,8$.

Chapter 5 Synergetic Effect Among Pyrolysis Products in Reducing NO

Chương 5 đánh giá hiệu ứng cộng hưởng khử NO khi phối trộn các cặp tác nhân nhị phân (binary reagents) từ sản phẩm nhiệt phân DSL ở tổng lưu lượng khối không đổi:

  • Hỗn hợp bán than/khí nhiệt phân (char/py-gas) cho hiệu ứng cộng hưởng khử NO tốt nhất trong các hệ hỗn hợp, và hiệu suất khử NO tăng dần khi tăng tỷ lệ phần trăm của py-gas.
  • Các hỗn hợp chứa hắc ín (tar/py-gas hoặc tar/char) chỉ thể hiện hiệu ứng cộng hưởng tích cực khi tỷ lệ hắc ín được hạ thấp xuống khoảng 26%.
  • Phát hiện tương tác phản ứng hiệu quả giữa bề mặt bán than và các cấu tử khí khử trong py-gas (như H2, CxHy).
  • Mức độ cộng hưởng khử NO tương quan chặt chẽ với tỷ lệ mol của các nguyên tố C và H trong tác nhân nạp vào so với lượng NO cấp vào (tỷ lệ CH/NO).

Chapter 6 NO Reduction by Reagents Derived from Different Fuels

Chương 6 mở rộng nghiên cứu khả năng khử NO của các tác nhân char và tar điều chế từ các nguồn nhiên liệu khác gồm mùn cưa (SD) và than non Tiên Phong (XF):

  • Ở cùng lưu lượng khối 0,15 g/min, bán than từ mùn cưa (SD char) và bán than từ than non Tiên Phong (XF lignite char) có hiệu suất khử NO thấp hơn bán than từ bã rượu (DSL char) do hàm lượng tro chứa các thành phần kim loại xúc tác trong SD char và XF char thấp hơn.
  • Ngược lại, hắc ín từ mùn cưa (SD tar) đạt hiệu suất khử NO cao nhất trong số ba loại hắc ín được thử nghiệm.
  • Nhìn chung, tác nhân tar luôn thể hiện khả năng khử NO vượt trội so với tác nhân char tương ứng từ cùng nguồn nhiên liệu.
  • Thử nghiệm các hợp chất tar mô hình (phenol, benzen, axit axetic, metyl axetat, heptan) chỉ ra rằng phenol đóng vai trò quyết định đối với hiệu quả khử NO cao của SD tar.
  • Kết luận cốt lõi về cơ chế hóa học của tar: Các hợp chất chứa ít nhất một vòng thơm (như phenol, benzen) là thành phần đóng góp chính cho phản ứng khử NO ở cả hắc ín sinh khối và hắc ín than đá.

Chapter 7 Conclusions and Recommendations

Chương 7 tổng kết các kết quả và kết luận chính của luận án, khẳng định vai trò của tar là yếu tố chi phối việc giảm phát thải NOx trong hệ thống CFBDC. Chương đưa ra các đề xuất nghiên cứu tiếp theo về động học phản ứng khử NO của tar, nghiên cứu sâu hơn về tác động tương hỗ giữa tar và các cấu tử khác, cũng như khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nhiệt phân ban đầu đến hoạt tính khử NO của các sản phẩm tạo thành.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận khoa học

  1. Xác định cơ chế chi phối của hắc ín (tar): Làm sáng tỏ hắc ín là cấu tử có hoạt tính khử NO cao nhất trong số các sản phẩm nhiệt phân sinh khối khi tái cháy ở cùng lưu lượng khối lượng, vượt trội hơn bán than và khí nhiệt phân.
  2. Vai trò của cấu trúc thơm trong tar: Xác định các hợp chất chứa vòng thơm (đặc biệt là phenol và benzen) là tác nhân đóng góp chính vào phản ứng khử NO đồng thể trong cả hắc ín sinh khối và than đá thông qua cơ chế nứt vỡ tạo các gốc hydrocacbon hoạt động.
  3. Cơ chế cộng hưởng giữa bán than và khí: Chứng minh sự tồn tại của hiệu ứng cộng hưởng khử NO rõ rệt giữa bán than và các khí H2, CxHy trong py-gas, trong đó hiệu ứng cộng hưởng phụ thuộc trực tiếp vào tỷ lệ mol nguyên tố CH/NO.
  4. Ảnh hưởng của tro xúc tác trong bán than: Làm rõ sự khác biệt về hoạt tính khử NO dị thể của các loại bán than phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng và thành phần khoáng xúc tác trong tro (như trong tro của bã rượu DSL).

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp kỹ thuật

  1. Xác lập thông số vận hành tối ưu: Xác định hệ số đương lượng tái cháy tối ưu $SR = 0,8$ để đạt hiệu suất khử NO cao nhất trong vùng tái cháy của hệ thống CFBDC.
  2. Định hướng tỷ lệ phối trộn các dòng sản phẩm: Chỉ ra rằng hỗn hợp char/py-gas cho hiệu quả khử cao khi tăng tỷ lệ py-gas, trong khi các dòng chứa tar cần được kiểm soát tỷ lệ ở mức khoảng 26% khi kết hợp với char hoặc py-gas để tối ưu hóa hiệu quả cộng hưởng.
  3. Cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế và vận hành hệ thống CFBDC công nghiệp: Các dữ liệu thực nghiệm giúp tối ưu hóa việc phân bố dòng chất bốc và bán than vào buồng nâng khi xử lý các nguồn nhiên liệu sinh khối và than giàu nitơ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trên hệ thống lò phản ứng rơi DTR quy mô phòng thí nghiệm với dòng chảy dạng nút (plug flow), chưa bao quát toàn bộ đặc tính thủy động lực học phức tạp của buồng nâng tầng sôi tuần hoàn thực tế.
  • Các tác nhân nhiệt phân trong luận án được điều chế cố định tại một mức nhiệt độ nhiệt phân (500 °C).
  • Khí nhiệt phân py-gas dùng trong các thử nghiệm khử NO là khí mô hình điều chế từ các bình khí chuẩn dựa trên phân tích thành phần mẻ, chưa sử dụng dòng khí nhiệt phân thực tế liên tục tại chỗ.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tiến hành phân tích động học chi tiết (kinetic analysis) của các phản ứng khử NO bởi hắc ín (tar) và các hợp chất thơm mô hình.
  • Nghiên cứu sâu hơn về tác động kết hợp và cơ chế phản ứng đồng thời giữa hắc ín với các cấu tử khử khác trong điều kiện nhiệt độ cao.
  • Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nhiệt phân nhiên liệu ban đầu đến cấu trúc hóa học và hoạt tính khử NO của các sản phẩm char, tar và py-gas tạo thành.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu cho các đối tượng và lĩnh vực sau:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Năng lượng và Nhiệt, Kỹ thuật Môi trường quan tâm đến cơ chế phản ứng nhiệt phân, hóa học quá trình cháy và cơ chế hình thành/giảm thiểu chất ô nhiễm NOx.
  • Các kỹ sư thiết kế, chuyên gia công nghệ trong lĩnh vực lò hơi tầng sôi tuần hoàn (CFB), công nghệ đốt tách rời (Decoupling Combustion), và công nghệ tái cháy giảm phát thải (reburning).
  • Các đơn vị sản xuất công nghiệp thực phẩm, đồ uống có cồn, chế biến gỗ hoặc xử lý chất thải sinh khối giàu nitơ đang tìm kiếm giải pháp chuyển hóa năng lượng sạch và kiểm soát ô nhiễm khí thải.
  • Phần đáng tham khảo nhất bao gồm: Phương pháp thiết kế hệ thống nạp liệu liên tục ba pha rắn - lỏng - khí trong lò rơi DTR (Chương 3); Số liệu thực nghiệm về hiệu ứng cộng hưởng nhị phân giữa các sản phẩm nhiệt phân (Chương 5); Các kết quả phân tích GC-MS và đánh giá hoạt tính của các hợp chất thơm mô hình trong tar (Chương 6).

Câu hỏi thường gặp

1. Trong các sản phẩm nhiệt phân bã rượu DSL, tác nhân nào có khả năng khử NO cao nhất?

Ở cùng lưu lượng nạp khối lượng chuẩn hóa (0,15 g/min), hắc ín (tar) thể hiện khả năng khử NO cao nhất so với bán than (char) và khí nhiệt phân (py-gas).

2. Giá trị hệ số đương lượng tái cháy (SR) thích hợp nhất để đạt hiệu suất khử NO tối đa là bao nhiêu?

Qua khảo sát thực nghiệm ở Chương 4, giá trị $SR$ thích hợp nhất để đạt hiệu suất khử NO ($\eta_e$) cao nhất khi tái cháy các sản phẩm nhiệt phân là $SR = 0,8$.

3. Hỗn hợp nhị phân nào giữa các sản phẩm nhiệt phân cho hiệu ứng cộng hưởng khử NO tốt nhất?

Hỗn hợp bán than và khí nhiệt phân (char/py-gas) đem lại hiệu quả cộng hưởng khử NO tốt nhất, và hiệu suất khử NO tăng lên khi tỷ lệ khí nhiệt phân trong hỗn hợp tăng lên. Hỗn hợp chứa tar chỉ có tác dụng tích cực khi tỷ lệ tar giảm xuống mức khoảng 26%.

4. Vì sao bán than từ bã rượu (DSL char) lại khử NO hiệu quả hơn bán than từ mùn cưa (SD char) và than non Tiên Phong (XF lignite char)?

Bán than từ bã rượu DSL có hiệu suất khử NO cao hơn do hàm lượng tro trong DSL char cao hơn (18,20% cơ sở khô so với SD char và XF char), trong tro chứa các thành phần kim loại đóng vai trò xúc tác làm giảm năng lượng hoạt hóa cho phản ứng khử NO dị thể trên bề mặt than.

5. Nhóm hợp chất hóa học nào trong hắc ín (tar) đóng vai trò chính trong quá trình khử NO?

Kết quả thử nghiệm các hợp chất tar mô hình (phenol, benzen, axit axetic, metyl axetat, heptan) cho thấy các hợp chất chứa ít nhất một vòng thơm (đặc biệt là phenol và benzen) là thành phần đóng góp chính cho phản ứng khử NO ở cả hắc ín sinh khối và hắc ín than đá.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của Đỗ Hải Sâm đã làm sáng tỏ cơ chế giảm phát thải NOx trong công nghệ đốt tách rời tầng sôi tuần hoàn (CFBDC) thông qua hệ thống thực nghiệm lò rơi DTR liên tục. Nghiên cứu chứng minh hắc ín (tar) và đặc biệt là các hợp chất có cấu trúc vòng thơm như phenol đóng vai trò chủ đạo trong phản ứng khử NO đồng thể, đồng thời phát hiện hiệu ứng cộng hưởng rõ nét giữa bán than và khí nhiệt phân phụ thuộc vào tỷ lệ CH/NO. Các kết quả thực nghiệm và thông số tối ưu ($SR = 0,8$) cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu kỹ thuật quan trọng cho việc vận hành, tối ưu hóa và mở rộng quy mô các thiết bị đốt tách rời xử lý nhiên liệu giàu nitơ.