Luận văn thạc sĩ khoa học nghiên cứu đánh giá tiềm năng và phương án công nghệ sử dụng năng lượng sinh khối các phụ phẩm nông nghiệp tỉnh hải dương

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu nghiên cứu đánh giá tiềm năng và phương án công nghệ sử dụng năng lượng sinh khối các phụ phẩm nông, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên

• Tác giả: Trần Thị Quỳnh
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Khoa học Môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu đánh giá tiềm năng và phương án công nghệ sử dụng năng lượng sinh khối các phụ phẩm nông nghiệp tỉnh Hải Dương
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ khoa học
• Năm xuất bản: 2009

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: Giới thiệu chung
• 1.1. Khái quát sinh khối và năng lượng sinh khối
• 1.2. Những ưu điểm và hạn chế của nhiên liệu sinh khối
• 1.3. Hàm lượng nước và năng suất nhiệt của sinh khối
• 1.4. Tình hình nghiên cứu và sử dụng sinh khối trên thế giới
• 1.5. Tình hình nghiên cứu sử dụng sinh khối trong nước

Tóm tắt

I. Giới thiệu về năng lượng sinh khối

Năng lượng sinh khối (năng lượng sinh khối) là nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, được sản xuất từ các vật liệu hữu cơ có khả năng tái tạo như cây cối, phân gia súc. Nguồn năng lượng này không chỉ giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Tại Việt Nam, ngành nông nghiệp đóng vai trò chủ chốt trong nền kinh tế, với tỷ trọng chiếm 20,3% và 70% dân số làm nông nghiệp. Tuy nhiên, trong quá trình canh tác, lượng phụ phẩm nông nghiệp (phụ phẩm nông nghiệp) được tạo ra rất lớn, nếu không được quản lý tốt sẽ trở thành rác thải gây ô nhiễm môi trường. Việc khai thác và sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng sinh khối từ phụ phẩm nông nghiệp không chỉ giúp xử lý chất thải mà còn đảm bảo an ninh năng lượng cho quốc gia.

II. Tình hình sản xuất nông nghiệp tại Hải Dương

Hải Dương là tỉnh có điều kiện tự nhiên thuận lợi cho phát triển nông nghiệp, với sản lượng lớn các loại cây trồng như lúa, ngô, và lạc. Tuy nhiên, hiện trạng thu gom và sử dụng các phụ phẩm sau thu hoạch từ các cây nông nghiệp này vẫn chưa được nghiên cứu và thống kê cụ thể. Việc đánh giá tiềm năng năng lượng sinh khối từ các phụ phẩm này là rất cần thiết. Các phụ phẩm như trấu, rơm, và thân cây ngô có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng tái tạo (năng lượng tái tạo), giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tăng cường an ninh năng lượng. Đặc biệt, việc áp dụng công nghệ sinh khối trong sản xuất điện và nhiệt sẽ mang lại nhiều lợi ích cho cộng đồng và môi trường.

III. Phân tích tiềm năng năng lượng sinh khối

Tiềm năng năng lượng sinh khối từ phụ phẩm nông nghiệp tại Hải Dương rất lớn. Các nghiên cứu cho thấy rằng lượng phụ phẩm từ canh tác lúa, ngô, và lạc có thể tạo ra một nguồn năng lượng đáng kể. Việc đánh giá tiềm năng này không chỉ giúp xác định lượng năng lượng có thể khai thác mà còn đề xuất các phương án công nghệ sử dụng hiệu quả. Các công nghệ như đốt trực tiếp, khí hóa, và lên men có thể được áp dụng để chuyển đổi phụ phẩm thành năng lượng. Điều này không chỉ giúp giảm thiểu chất thải mà còn tạo ra nguồn năng lượng sạch, góp phần vào phát triển bền vững cho tỉnh Hải Dương.

IV. Đề xuất phương án công nghệ sử dụng năng lượng sinh khối

Để sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng sinh khối từ phụ phẩm nông nghiệp, cần có các phương án công nghệ hợp lý. Các công nghệ như đốt trực tiếp, khí hóa, và sản xuất khí sinh học có thể được áp dụng. Việc đầu tư vào công nghệ hiện đại sẽ giúp tăng hiệu suất sử dụng năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Ngoài ra, cần có các chính sách hỗ trợ từ chính phủ để khuyến khích nông dân tham gia vào việc thu gom và sử dụng phụ phẩm nông nghiệp. Điều này không chỉ giúp cải thiện đời sống của người dân mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

V. Kết luận

Năng lượng sinh khối từ phụ phẩm nông nghiệp tại Hải Dương có tiềm năng lớn trong việc cung cấp nguồn năng lượng tái tạo. Việc khai thác và sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn đảm bảo an ninh năng lượng cho tỉnh. Cần có các nghiên cứu sâu hơn để đánh giá chính xác tiềm năng và đề xuất các phương án công nghệ phù hợp nhằm phát triển bền vững nguồn năng lượng sinh khối tại Hải Dương.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam, một quốc gia đang trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, đang đối mặt với nhu cầu năng lượng ngày càng tăng trong các ngành công nghiệp và sinh hoạt. Trong bối cảnh các nguồn năng lượng truyền thống như thủy điện, than đá, dầu mỏ ngày càng khan hiếm và dự báo trữ lượng dầu thô toàn cầu sẽ cạn kiệt vào khoảng năm 2050 – 2060, việc tìm kiếm và phát triển các nguồn năng lượng tái tạo trở nên cấp thiết. Năng lượng sinh khối (NLSK) là một trong những nguồn năng lượng tái tạo có tiềm năng lớn, đặc biệt tại Việt Nam với nền nông nghiệp chiếm 20,3% GDP và 70% dân số làm nông nghiệp. Phụ phẩm nông nghiệp như rơm, rạ, trấu, thân lá ngô, vỏ lạc tạo ra lượng lớn sinh khối chưa được khai thác hiệu quả, gây ô nhiễm môi trường nếu không được quản lý tốt.

Luận văn tập trung nghiên cứu tiềm năng và phương án công nghệ sử dụng năng lượng sinh khối từ các phụ phẩm nông nghiệp tại tỉnh Hải Dương – một tỉnh có điều kiện tự nhiên thuận lợi cho phát triển nông nghiệp với diện tích đất nông nghiệp chiếm 63,1% tổng diện tích. Mục tiêu chính là đánh giá tiềm năng NLSK từ các phụ phẩm sau thu hoạch của cây lúa, ngô, lạc và đề xuất các phương án công nghệ sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng này. Nghiên cứu có phạm vi thực hiện trong năm 2009 tại tỉnh Hải Dương, với ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo an ninh năng lượng, giảm áp lực môi trường và thúc đẩy phát triển kinh tế bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về năng lượng sinh khối và các công nghệ chuyển đổi sinh khối thành năng lượng. Hai khung lý thuyết chính được áp dụng gồm:

1. Chu trình cacbon sinh học: Sinh khối là vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ sinh vật, lưu giữ năng lượng mặt trời thông qua quá trình quang hợp. Khi đốt cháy hoặc phân giải, cacbon được trả lại khí quyển, duy trì cân bằng cacbon tương đối ổn định.

2. Các công nghệ chuyển đổi sinh khối: Bao gồm các quá trình vật lý (nén, sấy, đóng bánh), nhiệt hóa (đốt trực tiếp, khí hóa, nhiệt phân) và sinh học (lên men rượu, phân giải yếm khí tạo khí sinh học). Mỗi công nghệ có ưu nhược điểm riêng, phù hợp với các loại sinh khối có hàm lượng nước và đặc tính khác nhau.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng gồm: năng lượng sinh khối, phụ phẩm nông nghiệp, khí hóa, nhiệt phân, phân giải yếm khí, giá trị sinh nhiệt, hiệu suất chuyển đổi năng lượng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp các phương pháp thu thập và phân tích dữ liệu:

• Nguồn dữ liệu thứ cấp: Thu thập số liệu thống kê, báo cáo từ Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Sở Khoa học và Công nghệ, Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Hải Dương, các tài liệu nghiên cứu, sách, báo chí, internet.

• Phương pháp thực địa: Điều tra, phỏng vấn trực tiếp người dân và các cơ sở xay xát tại xã Hồng Phong, huyện Nam Sách để thu thập thông tin về hiện trạng canh tác, thu gom và sử dụng phụ phẩm nông nghiệp.

• Phương pháp lấy mẫu và phân tích: Lấy mẫu khí (CH4, CO2, CO) tại các giai đoạn phát triển của cây lúa để đánh giá ảnh hưởng môi trường. Phân tích mẫu khí bằng sắc ký khí và các phương pháp chuẩn độ theo tiêu chuẩn Việt Nam.

• Phân tích nhiệt trị: Sử dụng bom nhiệt lượng để xác định giá trị sinh nhiệt của các phụ phẩm nông nghiệp.

• Phân tích số liệu: Tính toán tiềm năng năng lượng sinh khối dựa trên khối lượng phụ phẩm thu thập được, kết hợp với số liệu năng suất cây trồng qua các năm, dự báo đến năm 2010.

Cỡ mẫu điều tra gồm 40 phiếu khảo sát tại xã Hồng Phong, kết hợp phỏng vấn không chính thức với lãnh đạo địa phương. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tiêu chí đại diện cho các vùng canh tác chính của tỉnh. Phân tích dữ liệu sử dụng phương pháp thống kê mô tả và so sánh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tiềm năng phụ phẩm nông nghiệp lớn: Tổng khối lượng phụ phẩm từ cây lúa (rơm, rạ, trấu) tại Hải Dương trung bình khoảng 933 nghìn tấn/năm, dự báo đến năm 2010 đạt khoảng 972 nghìn tấn. Tỷ lệ trấu chiếm khoảng 20% trọng lượng thóc, tương đương 200 kg trấu trên 1 tấn thóc. Phụ phẩm từ ngô và lạc cũng có tiềm năng đáng kể với diện tích và sản lượng tăng qua các năm.

2. Hiện trạng sử dụng phụ phẩm chưa hiệu quả: Phần lớn rơm, rạ được đốt trực tiếp hoặc bỏ đi, gây ô nhiễm không khí và ảnh hưởng sức khỏe cộng đồng. Một số ít được sử dụng làm thức ăn gia súc hoặc làm nấm. Việc thu gom và xử lý phụ phẩm còn manh mún, chưa có hệ thống tập trung.

3. Chỉ tiêu môi trường không khí: Mẫu khí đo đạc tại ruộng lúa cho thấy nồng độ CH4, CO2, CO biến động theo giai đoạn sinh trưởng của cây, phản ánh ảnh hưởng của phụ phẩm nông nghiệp đến chất lượng không khí. Các số liệu này hỗ trợ đánh giá tác động môi trường và lựa chọn công nghệ xử lý phù hợp.

4. Giá trị sinh nhiệt của phụ phẩm: Phân tích nhiệt trị cho thấy các phụ phẩm như trấu, rơm, thân ngô có giá trị sinh nhiệt từ 12 đến 16 MJ/kg, tương đương khoảng 3.000 – 3.600 kcal/kg, thấp hơn nhiên liệu hóa thạch nhưng có ưu điểm về khả năng tái tạo và thân thiện môi trường.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu khẳng định tiềm năng lớn của nguồn năng lượng sinh khối từ phụ phẩm nông nghiệp tại Hải Dương, phù hợp với xu hướng phát triển năng lượng tái tạo toàn cầu. Việc sử dụng phụ phẩm hiện nay chủ yếu theo phương thức truyền thống, hiệu suất thấp và gây ô nhiễm môi trường, tương tự với tình hình ở nhiều vùng nông thôn Việt Nam và các nước đang phát triển.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, công nghệ khí hóa và đốt 2 giai đoạn được đánh giá cao về hiệu suất và giảm phát thải, phù hợp với đặc điểm sinh khối tại địa phương. Việc đo đạc khí thải hỗ trợ lựa chọn công nghệ thân thiện môi trường, giảm thiểu phát thải khí nhà kính.

Các số liệu về năng suất cây trồng và phụ phẩm qua các năm cho thấy xu hướng giảm diện tích đất nông nghiệp nhưng tăng năng suất, tạo điều kiện ổn định nguồn nguyên liệu sinh khối. Tuy nhiên, thách thức về thu gom, lưu trữ và chi phí công nghệ vẫn cần được giải quyết.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ xu hướng sản lượng phụ phẩm qua các năm, bảng so sánh giá trị sinh nhiệt các loại phụ phẩm và biểu đồ nồng độ khí thải theo giai đoạn sinh trưởng cây lúa để minh họa rõ ràng hơn.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Xây dựng hệ thống thu gom và xử lý tập trung phụ phẩm nông nghiệp: Tăng cường tổ chức thu gom rơm, rạ, trấu tại các vùng sản xuất lớn như Nam Sách, Kinh Môn, Tứ Kỳ. Mục tiêu nâng tỷ lệ thu gom lên 70% trong vòng 3 năm. Chủ thể thực hiện là chính quyền địa phương phối hợp với các hợp tác xã nông nghiệp.

2. Ứng dụng công nghệ khí hóa và đốt 2 giai đoạn: Đầu tư xây dựng các nhà máy điện sinh khối công suất từ 1 đến 5 MW sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm nguyên liệu. Thời gian triển khai giai đoạn đầu trong 5 năm, ưu tiên khu vực có nguồn nguyên liệu dồi dào. Chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp năng lượng tái tạo và chính quyền tỉnh.

3. Phát triển các mô hình sử dụng phụ phẩm làm phân bón hữu cơ và thức ăn gia súc: Khuyến khích nông dân áp dụng kỹ thuật ủ phân hữu cơ từ rơm rạ, giảm thiểu đốt trực tiếp. Mục tiêu giảm 30% lượng rơm rạ bị đốt trong 2 năm tới. Chủ thể thực hiện là các trung tâm khuyến nông và tổ chức đào tạo.

4. Tăng cường nghiên cứu và đào tạo về công nghệ năng lượng sinh khối: Xây dựng chương trình đào tạo và chuyển giao công nghệ cho cán bộ kỹ thuật và người dân. Thời gian thực hiện liên tục, ưu tiên các trường đại học và viện nghiên cứu trong tỉnh.

5. Hoàn thiện chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng sinh khối: Đề xuất các chính sách ưu đãi về thuế, vốn vay và hỗ trợ kỹ thuật cho các dự án năng lượng sinh khối. Chủ thể thực hiện là các cơ quan quản lý nhà nước cấp tỉnh và trung ương.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà hoạch định chính sách năng lượng và môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và số liệu thực tiễn để xây dựng chính sách phát triển năng lượng tái tạo, đặc biệt năng lượng sinh khối tại các tỉnh nông nghiệp.

2. Doanh nghiệp và nhà đầu tư trong lĩnh vực năng lượng tái tạo: Thông tin về tiềm năng nguyên liệu, công nghệ chuyển đổi và các phương án đầu tư giúp doanh nghiệp đánh giá hiệu quả và rủi ro khi triển khai dự án năng lượng sinh khối.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành môi trường, nông nghiệp và năng lượng: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về kỹ thuật thu thập, phân tích dữ liệu, cũng như các công nghệ xử lý sinh khối và đánh giá tác động môi trường.

4. Cơ quan quản lý địa phương và hợp tác xã nông nghiệp: Giúp nâng cao nhận thức về quản lý và sử dụng phụ phẩm nông nghiệp hiệu quả, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tăng thu nhập cho người dân.

Câu hỏi thường gặp

1. Năng lượng sinh khối là gì và có ưu điểm gì so với năng lượng hóa thạch?
   Năng lượng sinh khối là năng lượng được sinh ra từ vật liệu hữu cơ có nguồn gốc sinh vật, như phụ phẩm nông nghiệp. Ưu điểm gồm khả năng tái tạo, giảm phát thải khí nhà kính, tận dụng chất thải, và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.

2. Phụ phẩm nông nghiệp nào có tiềm năng năng lượng lớn nhất tại Hải Dương?
   Phụ phẩm từ cây lúa như rơm, rạ và trấu có tiềm năng lớn nhất, với tổng khối lượng trung bình khoảng 933 nghìn tấn/năm, chiếm phần lớn nguồn nguyên liệu sinh khối của tỉnh.

3. Các công nghệ chuyển đổi sinh khối phổ biến hiện nay là gì?
   Bao gồm đốt trực tiếp, khí hóa, nhiệt phân, lên men rượu và phân giải yếm khí. Mỗi công nghệ phù hợp với loại sinh khối và mục đích sử dụng khác nhau.

4. Việc đốt rơm rạ trực tiếp có ảnh hưởng gì đến môi trường?
   Đốt rơm rạ tạo ra lượng lớn khói, bụi và khí độc hại, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và gây ô nhiễm không khí, đồng thời làm giảm chất lượng đất và an toàn giao thông.

5. Làm thế nào để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng sinh khối tại địa phương?
   Cần xây dựng hệ thống thu gom tập trung, áp dụng công nghệ chuyển đổi hiện đại, đào tạo kỹ thuật và hoàn thiện chính sách hỗ trợ để khuyến khích người dân và doanh nghiệp tham gia.

Kết luận

• Tiềm năng năng lượng sinh khối từ phụ phẩm nông nghiệp tại Hải Dương rất lớn, với khoảng 933 nghìn tấn phụ phẩm/năm, chủ yếu từ cây lúa, ngô và lạc.
• Hiện trạng sử dụng phụ phẩm còn manh mún, chủ yếu đốt trực tiếp gây ô nhiễm môi trường và lãng phí nguồn năng lượng tái tạo.
• Công nghệ khí hóa và đốt 2 giai đoạn được đề xuất là giải pháp hiệu quả, thân thiện môi trường và phù hợp với đặc điểm sinh khối địa phương.
• Cần xây dựng hệ thống thu gom, xử lý tập trung, phát triển chính sách hỗ trợ và đào tạo kỹ thuật để thúc đẩy phát triển năng lượng sinh khối bền vững.
• Nghiên cứu mở ra hướng đi mới cho phát triển năng lượng tái tạo tại các tỉnh nông nghiệp, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường.

Khuyến khích các cơ quan quản lý và doanh nghiệp đầu tư vào công nghệ năng lượng sinh khối, đồng thời triển khai các chương trình đào tạo và nâng cao nhận thức cộng đồng về lợi ích của năng lượng tái tạo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Giới thiệu chung 1. Khái quát sinh khối và năng lượng sinh khối Sinh khối (SK) là các vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ sinh vật có khả năng tái tạo như cây cối, phân gia súc, … khi được đốt cháy năng lượng sinh học này được giải phóng dưới dạng nhiệt. SK được xem là một phần của chu trình cacbon.

Cacbon từ khí quyển được biến đổi thành vật chất sinh học qua quá trình quang hợp của thực vật. Khi phân giải hoặc đốt cháy, cacbon quay trở lại khí quyển hoặc đất. Vì vậy cacbon khí quyển được giữ ở mức tương đối ổn định. Năng lượng sinh khối (NLSK) là năng lượng được sản sinh từ nguồn SK.

Bản chất của NLSK là năng lượng Mặt trời được lưu giữ trong SK thông qua quá trình quang hợp của cây cối để biến đổi CO 2 thành hiđratcacbon (đường, tinh bột, xenlulô) là những hợp chất cấu tạo nên SK. Khi sử dụng các SK này xảy ra quá trình giải phóng năng lượng tích trữ trong các hiđratcacbon và phát thải CO2 vào khí quyển. SK bao gồm nhiều dạng như thức ăn động vật, rơm rạ, vỏ trấu, gỗ vụn, chất thải từ thực phẩm. và được phân thành 3 loại như trong Bảng 1.

Phân loại và các dạng sinh khối [3] Phân loại Dạng Nguồn từ mùa màng Thức ăn nuôi đông vật và cây tinh bột Sinh khối chưa sử dụng Rơm, vỏ trấu, gỗ vụn và chất thải từ gỗ Chất thải từ giấy, phân động vật, chất thải từ Chất thải sinh khối thực phẩm, chất thải từ xây dựng, chất thải lỏng và bùn cống Trong cách dùng phổ biến hiện nay, hiểu theo nghĩa nhiên liệu thì sinh khối (biomas) là nhiên liệu rắn trên cơ sở SK, còn nhiên liệu sinh học (biofuel) Khoa học Môi trường 3 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009 Trần Thị Quỳnh là những nhiên liệu lỏng được lấy từ SK và khí sinh học (biogas) là sản phẩm của quá trình phân giải yếm khí của các chất hữu cơ. Trong luận văn này chỉ đề cập đến nhiên liệu rắn từ các phụ phẩm của một số cây trồng. Những con đường biến đổi sinh khối  Các nhiên liệu SK được sử dụng theo 2 con đường (Hình 1.1) đó là: oĐốt cháy trực tiếp để sinh nhiệt và điện; oBiến đổi thành những loại nhiên liệu khác tiện dụng hơn. SINH CÔNG §èt ch¸y trùc tiÕp Động cơ nhiệt CƠ KHỐI NHIỆT HỌC Biến đổi Đốt cháy Động điện, máy phát điện NHIÊN Pin nhiªn liÖu ĐIỆN LIỆU Hình 1.

Sơ đồ biến đổi nhiên liệu sinh khối [3]  Nguồn SK rất đa dạng và phong phú vì vậy công nghệ NLSK cũng rất đa dạng. Các công nghệ NLSK có thể được chia làm 2 loại: - Công nghệ biến đổi trực tiếp SK thành năng lượng hữu ích như việc đốt trực tiếp SK để phục vụ sinh hoạt và phục vụ sản xuất; - Công nghệ trong đó SK được biến đổi thành các nhiên liệu thứ cấp khác như: đóng bánh SK, sản xuất than gỗ, khí hoá.  Các công nghệ được thực hiện thông qua 3 quá trình là vật lý, nhiệt hoá và sinh học (Hình 1. Khoa học Môi trường 4 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009 Trần Thị Quỳnh Nén chặt, sấy Viên,bó, bánh Các quá trình Vật lý Giảm kích cỡ Gỗ vụn, mùn cưa trấu,… Ép Dầu thực vật Sử dụng Các quá trình Đốt năng Nhiệt hoá lượng Sinh khối Khí hoá Khí tổng hợp cuối cùng Nhiệt phân Khí, dầu, cốc Lên men rượu Etanol Sinh học Các quá trình Phân giải kỵ khí Khí sinh học Hình 1.

Các con đường biến đổi sinh khối thành nhiên liệu [2]  Quá trình vật lý: Thường sử dụng chất thải SK ở dạng gốc (vỏ dừa, chất hữu cơ phơi khô: mùn cưa, vỏ trấu…) đóng bánh với đường kính viên ép là 55 ÷ 65 mm, trọng lượng mỗi bánh từ 5 ÷ 50 kg. Chất lượng cháy, hiệu suất thu hồi nhiệt cao hơn khi đốt củi hoặc đốt than hầm. Về phương diện kinh tế giá thành vẫn còn cao so với đốt vật liệu trước khi ép. Tuy nhiên, quá trình này tạo thuận lợi cho việc vận chuyển vì thể tích chất phế thải được thu nhỏ.

 Quá trình nhiệt hoá - Đốt cháy: Đốt là quá trình xử lý biến đổi SK hoặc chất thải thành nhiệt và hơi nước. Năng lượng được sản xuất ra thường chỉ là một sản phẩm thứ cấp bên cạnh quá trình này. Mặt khác nhiệt và hơi nước sản xuất ra có thể biến đổi sang Khoa học Môi trường 5 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009 Trần Thị Quỳnh điện hoặc được trực tiếp sử dụng như nguồn năng lượng. Các hệ thống đốt SK chủ yếu được thiết kế cho gỗ và phụ phẩm nông nghiệp.

Trong nhiều nước công nghiệp phát triển, chất thải rắn cũng được đốt để giảm lượng chất thải và sử dụng năng lượng được tạo ra. Đây là công nghệ hiện đại vì vậy chi phí đầu tư cao; - Khí hoá: Nhiệt độ trong quá trình khí hoá tương đối cao. Lượng không khí cung cấp vào quá trình này hạn chế (oxy hoá một phần) sẽ biến SK thành nhiên liệu khí (50% là N, 20% là CO và 15% H 2). Khí tạo ra với nhiệt trị thấp, được sử dụng trong làm khô, kéo tuốcbin khí hoặc làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong; - Nhiệt phân: Là quá trình biến đổi SK thành 3 phần: nhiên liệu lỏng, hỗn hợp khí gọi là “khí phát sinh” và các chất thải rắn.

Quá trình nhiệt phân SK với nhiệt độ cao, mức độ oxy hoá thấp, không được cháy hoàn toàn do nhiệt phân nhanh và phát sáng.  Quá trình sinh học - Lên men rượu: Đường, cặn và các chất hữu cơ xenlulô được biến đổi nhờ vi khuẩn và chuyển sang các sản phẩm có gốc rượu cồn. Sản phẩm êtanol tương đối tinh khiết sau khi được chưng cất. Công nghệ này phát triển rộng vì rượu được dùng phổ biến.

Do đòi hỏi vốn đầu tư lớn và cần nhiều nguyên liệu đầu vào nên công nghệ lên men chưa có hiệu quả cao; - Phân giải yếm khí: Ủ chất thải trong hầm là một quá trình vi sinh tự nhiên làm phân huỷ chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí (thiếu oxy). Điều này xảy ra ở các hệ thống không được kiểm soát như trong các đống phế thải, các bãi rác hoặc trong điều kiện có kiểm soát (như các lò khí sinh học, các bãi rác có kiểm soát v. Mục đích chính của công nghệ yếm khí là tạo ra khí năng lượng cao (chứa đến 70% khí CH4); tạo ra phân và làm giảm ô nhiễm môi trường. Quá trình yếm khí được sử dụng rộng rãi để xử lý nước thải công nghiệp và các chất thải dạng bùn sệt, phân dùng trong nông nghiệp.

Việc xử lý chất thải rắn (các Khoa học Môi trường 6 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009 Trần Thị Quỳnh chất hữu cơ đã được phân tách ra) là ứng dụng tương đối mới, nhưng được phổ cập nhanh vì có ưu điểm là tạo ra năng lượng. Khoa học Môi trường 7 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009 Trần Thị Quỳnh 1. Những ưu điểm và hạn chế của nhiên liệu sinh khối Ưu điểm: - Có khả năng tái tạo; - Được dự trữ trong nhiều nguồn; - Có khả năng lưu trữ: có thể được biến đổi thành dạng năng lượng khác ; - Hạn chế sự cạn kiệt của các nguồn năng lượng hoá thạch; - Hạn chế sự gia tăng ô nhiễm môi trường từ các chất thải của năng lượng hoá thạch; - Việc sử dụng NLSK giúp tận dụng được các chất thải SK góp phần làm sạch môi trường.2 đưa ra một số các chỉ tiêu so sánh NLSK với các nguồn NLTT khác. Năng lượng sinh khối so với các nguồn năng lượng tái tạo khác [3] Nguồn năng lượng Chỉ tiêu so sánh Mặt trời Gió Sinh khối Tổng đầu tư (triệu USD) 1.300 Quy mô nhà máy (kW) 1.000 Tỷ lệ hoạt động hàng năm (%) 12 20 70 Công suất điện phát hàng năm 1.300 (M kw/h) Đơn vị đầu tư (USD/kW) 1,66 0,72 0,1 Hạn chế: - Hiệu suất sinh năng lượng thấp (7 ÷ 11%) do công nghệ sản xuất cũng như bản thân khả năng sinh năng lượng của các phụ phẩm SK; - Phụ thuộc vào mùa vụ, thời tiết, khí hậu; - Việc thu gom tập trung và lưu trữ gặp khó khăn; - Quá trình chuyển đổi năng lượng phức tạp; - Chịu sức ép từ các nhu cầu sử dụng SK khác.

Khoa học Môi trường 8 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009 Trần Thị Quỳnh 1. Hàm lượng nước và năng suất nhiệt của sinh khối 1. Hàm lượng nước của sinh khối và lựa chọn quá trình chuyển đổi sinh khối Hàm lượng nước trong SK được lấy từ polime tự nhiên. Giá trị hàm lượng nước khác nhau rất lớn phụ thuộc vào loại SK (giấy: 20%, chất thải động vật, chất cặn bã lên men rượu và bùn cống: 98  99%).

Mối quan hệ giữa hàm lượng nước và năng suất nhiệt của SK được thể hiện trên Hình 1. Hàm lượng nước trong gỗ tươi khoảng 50%, khi phơi khô còn khoảng 30% và đến mức tối đa lượng nước còn khoảng 20%. Hàm lượng nước và năng suất nhiệt của sinh khối [16] Các SK có hàm lượng nước khác nhau có các quá trình chuyển đổi năng lượng khác nhau (Hình 1. Đối với những SK khô (dưới 50%) có thể đốt trực tiếp bằng lò hơi tạo hơi nước nóng để phát điện.

Những SK có chứa hàm lượng nước cao (trên 75%) như: chất thải động vật, chất cặn bã lên men rượu và bùn Khoa học Môi trường 9 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009 Trần Thị Quỳnh cống hiệu quả sinh nhiệt thấp, nên phương pháp phổ biến hiện nay là quá trình lên men êtanol và khí mêtan. Lựa chọn quá trình chuyển đổi SK theo hàm lượng nước [15] 1. Năng suất nhiệt của sinh khối Năng suất nhiệt của SK bằng khoảng một nửa năng suất nhiệt của nhiên liệu hoá thạch tuy nhiên hàm lượng lưu huỳnh trong SK và tro gỗ rất thấp (Hình 1. Do vậy, sử dụng nguyên liệu SK có lợi cho môi trường hơn.

So sánh một số thành phần trong nhiên liệu hoá thạch và SK [16] Khoa học Môi trường 10 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009 Trần Thị Quỳnh Trong Bảng 1.3 đưa ra giá trị sinh nhiệt của nhiên liệu SK và nhiên liệu hoá thạch.