Nghiên cứu phát triển hệ thống sản xuất than sinh học hiệu suất cao để giảm thiểu ô nhiễm môi trường

• Tác giả: Võ Hoàng Nam
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Tiến Cương
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Năng Lượng Và Nhiệt Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Phát Triển Hệ Thống Sản Xuất Than Sinh Học Hiệu Suất Cao, Giảm Thiểu Ô Nhiễm Môi Trường
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: Nghiên cứu tổng quan
• 1.1. Tổng quan chung
• 1.2. Mục tiêu của đề tài
• 1.3. Nội dung và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Giới thiệu về than sinh học
• 1.4.1. Phân loại than hiện đang được sản xuất
• 1.4.2. Ứng dụng của than sinh học trong đời sống và sản xuất
• 1.5. Nguyên liệu để sản xuất than sinh học và đặc tính của nguyên liệu
• 1.5.1. Nguyên liệu để sản xuất than
• 1.5.2. Phân loại các nguồn sinh khối
• 1.5.3. Các dạng thành phần của sinh khối
• 1.5.4. Lý thuyết nhiệt phân
• 1.5.5. Phân loại các phương pháp nhiệt phân và sản phẩm của chúng
• 1.6. Các giai đoạn của quá trình nhiệt phân
• 1.6.1. Các kiểu lò nhiệt phân
• 1.6.2. Các công nghệ sản xuất than sinh học
• 1.6.2.1. Công nghệ sản xuất than trên Thế giới
• 1.6.2.2. Công nghệ sản xuất than tại Việt Nam
• 1.6.2.3. Đề xuất công nghệ để sản xuất than sinh học phù hợp
• 2. CHƯƠNG 2: Tính toán, thiết kế dây chuyền sản xuất than sinh học
• 2.1. Xác định cấu trúc
• 2.2. Tính toán cân bằng vật chất lò nhiệt phân
• 2.3. Tính toán cân bằng nhiệt trong lò nhiệt phân
• 2.4. Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt trong buồng lửa
• 2.4.1. Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt trong buồng lửa - giai đoạn a
• 2.4.2. Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt trong buồng lửa - giai đoạn b
• 2.5. Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt trong buồng lửa khi tận dụng nhiệt khói thải
• 2.6. Tính chọn thiết bị cho dây chuyền sản xuất than
• 2.6.1. Tính chọn buồng lửa cấp nhiệt cho lò nhiệt phân
• 2.6.2. Tính chọn buồng sấy nguyên liệu tận dụng khói thải
• 2.6.3. Tính chọn quạt hút khói thải và đường ống khói
• 2.6.4. Tính chọn hệ thống Palang cầu trục
• 3. CHƯƠNG 3: Thực nghiệm trên mô hình thí nghiệm và hệ thống sản xuất than trong thực tế
• 3.1. Thực nghiệm trên mô hình thí nghiệm
• 3.1.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu suất nhiệt phân
• 3.1.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian tới hiệu suất nhiệt phân
• 3.1.3. Đánh giá về hiệu suất nhiệt phân
• 3.1.4. Kết luận về mô hình thực nghiệm
• 3.2. Thực nghiệm trên hệ thống sản xuất than thực tế
• 3.2.1. Quy trình vận hành dây chuyền sản xuất than
• 3.2.2. Thiết bị đo lường
• 3.2.3. Thu thập và đánh giá số liệu thực nghiệm
• 4. CHƯƠNG 4: Đánh giá các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và môi trường của hệ thống sản xuất than sinh học
• 4.1. Đánh giá một số chỉ tiêu kỹ thuật và tiềm năng phát triển của hệ thống sản xuất than
• 4.2. Đánh giá một số chỉ tiêu kinh tế giữa các công nghệ sản xuất than
• 4.2.1. Tính toán các chỉ tiêu kinh tế dự án đầu tư lò than thủ công
• 4.2.2. Tính toán các chỉ tiêu kinh tế dự án đầu tư dây chuyền sản xuất than
• 4.2.3. So sánh, đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật của các dự án
• 4.3. Đánh giá một số chỉ tiêu môi trường giữa các công nghệ sản xuất than
• 5. CHƯƠNG 5: Kết luận và đề xuất
• Tài liệu tham khảo

I. Giới thiệu về than sinh học

Than sinh học, hay còn gọi là charcoal, là một sản phẩm carbon hóa từ các chất hữu cơ. Quá trình sản xuất than sinh học diễn ra trong điều kiện thiếu oxy, thường ở nhiệt độ từ 450ºC đến 510ºC. Sản phẩm này không chỉ được sử dụng làm nhiên liệu mà còn có ứng dụng trong xử lý môi trường và cải tạo đất. Việc sản xuất than sinh học hiện nay chủ yếu diễn ra qua các phương pháp thủ công, dẫn đến hiệu suất thấp và ô nhiễm môi trường. Theo nghiên cứu, việc phát triển công nghệ sản xuất than sinh học hiệu suất cao có thể giảm thiểu ô nhiễm và sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên sinh khối.

1.1. Phân loại than sinh học

Than sinh học được phân loại thành nhiều loại khác nhau dựa trên nguyên liệu đầu vào và công nghệ sản xuất. Các loại phổ biến bao gồm than thông thường, than hoạt tính, và than đường. Mỗi loại có ứng dụng riêng, từ cung cấp năng lượng đến xử lý môi trường. Việc phân loại này giúp xác định rõ hơn về tính chất và ứng dụng của từng loại than sinh học, từ đó tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm thiểu tác động đến môi trường.

II. Công nghệ sản xuất than sinh học

Công nghệ sản xuất than sinh học hiện nay đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ. Các phương pháp nhiệt phân sinh khối là một trong những công nghệ chính được áp dụng. Nghiên cứu cho thấy, việc áp dụng công nghệ hiện đại có thể nâng cao hiệu suất sản xuất than sinh học, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các lò nhiệt phân hiện đại không chỉ cải thiện năng suất mà còn giảm thiểu khí thải độc hại. Việc áp dụng công nghệ xanh trong sản xuất than sinh học là một giải pháp bền vững cho vấn đề ô nhiễm môi trường.

2.1. Các phương pháp nhiệt phân

Có nhiều phương pháp nhiệt phân khác nhau, bao gồm nhiệt phân chậm, nhiệt phân nhanh và nhiệt phân siêu nhanh. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng. Nghiên cứu cho thấy, nhiệt phân chậm thường cho ra sản phẩm than sinh học có chất lượng cao hơn, trong khi nhiệt phân nhanh có thể tăng tốc độ sản xuất. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và chất lượng của than sinh học, từ đó góp phần vào việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

III. Đánh giá tác động môi trường

Việc sản xuất than sinh học không chỉ mang lại lợi ích về năng lượng mà còn có tác động tích cực đến môi trường. Nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng than sinh học có thể giảm thiểu lượng khí thải CO2 và các chất ô nhiễm khác. Hệ thống sản xuất than sinh học hiệu suất cao giúp giảm thiểu ô nhiễm không khí và nước, đồng thời bảo vệ nguồn tài nguyên sinh khối. Đánh giá tác động môi trường là một phần quan trọng trong quá trình phát triển công nghệ sản xuất than sinh học.

3.1. Giải pháp xanh trong sản xuất

Áp dụng các giải pháp xanh trong sản xuất than sinh học là cần thiết để giảm thiểu ô nhiễm. Các công nghệ như thu hồi nhiệt thải, sử dụng nguyên liệu tái tạo và tối ưu hóa quy trình sản xuất có thể giúp giảm thiểu tác động đến môi trường. Việc phát triển các giải pháp này không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn nâng cao hiệu quả kinh tế cho các doanh nghiệp sản xuất than sinh học.

IV. Kết luận và đề xuất

Nghiên cứu về hệ thống sản xuất than sinh học hiệu suất cao và giảm ô nhiễm môi trường đã chỉ ra rằng việc áp dụng công nghệ hiện đại có thể mang lại nhiều lợi ích. Việc phát triển công nghệ sản xuất than sinh học không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Đề xuất các chính sách hỗ trợ nghiên cứu và phát triển công nghệ sản xuất than sinh học là cần thiết để thúc đẩy sự phát triển bền vững trong ngành công nghiệp này.

4.1. Đề xuất chính sách

Cần có các chính sách hỗ trợ nghiên cứu và phát triển công nghệ sản xuất than sinh học. Các chương trình đào tạo và nâng cao nhận thức về lợi ích của than sinh học cũng cần được triển khai. Việc khuyến khích sử dụng than sinh học trong các lĩnh vực khác nhau sẽ góp phần vào việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Tổng quan nghiên cứu

Sản xuất than sinh học (charcoal) hiện là một ngành công nghiệp quan trọng trên thế giới và tại Việt Nam, phục vụ đa dạng mục đích như cung cấp năng lượng, xử lý môi trường, sản xuất phân bón và ứng dụng trong y tế. Theo ước tính, sản lượng than sinh học toàn cầu và trong nước rất lớn, tuy nhiên phần lớn công nghệ sản xuất hiện nay vẫn dựa trên các lò thủ công với hiệu suất thấp, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, đặc biệt là ô nhiễm không khí và nguồn nước tại các địa phương như Phú Thọ, Quảng Ninh, Bắc Giang, An Giang, Đồng Tháp, Cần Thơ. Mục tiêu của nghiên cứu là phát triển hệ thống sản xuất than sinh học hiệu suất cao, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và sử dụng hiệu quả nguồn nguyên liệu sinh khối, nhằm thay thế các lò thủ công truyền thống. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào công nghệ nhiệt phân sinh khối để sản xuất than sinh học phục vụ mục đích cung cấp năng lượng và xử lý môi trường, với thời gian nghiên cứu và thử nghiệm thực tế tại Việt Nam. Việc phát triển công nghệ này không chỉ góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn giảm thiểu phát thải khí độc hại, bảo vệ sức khỏe người lao động và cộng đồng, đồng thời thúc đẩy phát triển bền vững ngành công nghiệp năng lượng tái tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết nhiệt phân sinh khối, quá trình phân hủy nhiệt hóa chất hữu cơ trong môi trường thiếu oxy để tạo ra than sinh học, khí và dầu nhiệt phân. Quá trình này được phân loại theo tốc độ gia nhiệt và nhiệt độ, trong đó nhiệt phân chậm (400-600ºC) được ưu tiên để sản xuất than sinh học với hiệu suất cao (khoảng 30-35% khối lượng nguyên liệu). Mô hình Broido-Shafizadeh được áp dụng để mô tả cơ chế phân hủy cellulose – thành phần chính của sinh khối, giúp hiểu rõ các giai đoạn nhiệt phân và tối ưu hóa điều kiện vận hành. Các khái niệm chính bao gồm: thành phần công nghệ sinh khối (độ ẩm, chất bốc, carbon cố định, tro), cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt trong lò nhiệt phân, cũng như các loại lò nhiệt phân phổ biến như lò ghi cố định, tầng sôi, tầng sôi tuần hoàn, và lò nhiệt phân nhanh.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu thực nghiệm trên mô hình thí nghiệm và hệ thống sản xuất than sinh học thực tế tại Việt Nam, sử dụng nguyên liệu gỗ bạch đàn và các loại gỗ tạp làm nhiên liệu. Phương pháp phân tích bao gồm tính toán cân bằng vật chất và nhiệt dựa trên thành phần công nghệ của nguyên liệu và sản phẩm, phân tích hiệu suất nhiệt phân, và đánh giá các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và môi trường. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 3 module lò nhiệt phân với công suất mỗi lò khoảng 1,2 tấn nguyên liệu/mẻ, vận hành liên tục trong khoảng 24 giờ/mẻ. Timeline nghiên cứu kéo dài từ thiết kế, tính toán, thử nghiệm đến đánh giá trong vòng 2 năm, đảm bảo tính khả thi và ứng dụng thực tế của hệ thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất sản xuất than sinh học tăng lên 28-30% so với lò thủ công truyền thống chỉ đạt khoảng 20%, giúp sử dụng hiệu quả nguồn nguyên liệu sinh khối. Cụ thể, từ 1,241.95 kg gỗ bạch đàn nguyên liệu, thu được khoảng 345.09 kg than thành phẩm với hàm lượng carbon cố định 69.46%.

2. Thời gian nhiệt phân kéo dài khoảng 24,33 giờ cho một mẻ sản xuất, trong đó giai đoạn nhiệt phân chính chiếm khoảng 10-12 giờ, đảm bảo quá trình chuyển hóa hoàn chỉnh và chất lượng than cao.

3. Nhiệt lượng cần cấp cho lò nhiệt phân là khoảng 4,15 triệu kJ, tương đương công suất nhiệt tối thiểu 65,43 kW, trong đó nhiệt lượng do chất bốc thoát ra chiếm khoảng 616,534 kJ, được tận dụng làm nhiên liệu cho buồng đốt, giúp tiết kiệm năng lượng.

4. Giảm thiểu ô nhiễm môi trường rõ rệt nhờ thiết kế buồng đốt cấp nhiệt riêng biệt, tận dụng khí không ngưng sinh ra trong quá trình nhiệt phân làm nhiên liệu, giảm phát thải khí độc hại và khói bụi so với lò thủ công.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất than sinh học tăng lên nhờ áp dụng công nghệ nhiệt phân chậm với kiểm soát nhiệt độ và thời gian lưu trú hợp lý, phù hợp với đặc tính sinh khối gỗ bạch đàn. Việc tận dụng khí không ngưng làm nhiên liệu trong buồng đốt không chỉ giảm chi phí nhiên liệu mà còn giảm phát thải, góp phần bảo vệ môi trường. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả này tương đương hoặc vượt trội so với các công nghệ lò nhiệt phân gián tiếp như Carbo Twin hay Waggon, đồng thời phù hợp với điều kiện nguyên liệu và quy mô sản xuất tại Việt Nam. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất sản xuất than theo thời gian nhiệt phân và bảng cân bằng nhiệt chi tiết từng giai đoạn, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng công nghệ nhiệt phân chậm trong sản xuất than sinh học quy mô công nghiệp nhằm nâng cao hiệu suất sản xuất than lên 28-30%, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Thời gian thực hiện: 1-2 năm. Chủ thể thực hiện: các doanh nghiệp sản xuất than sinh học và cơ quan quản lý ngành năng lượng.

2. Tối ưu hóa thiết kế buồng đốt cấp nhiệt và hệ thống thu hồi khí không ngưng để tận dụng tối đa năng lượng sinh ra, giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải khí độc. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và nhà sản xuất thiết bị.

3. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho người lao động về vận hành hệ thống sản xuất than sinh học hiện đại, giảm sức lao động thủ công, cải thiện điều kiện làm việc và bảo vệ sức khỏe. Thời gian thực hiện: liên tục. Chủ thể thực hiện: các tổ chức đào tạo nghề và doanh nghiệp.

4. Xây dựng chính sách hỗ trợ đầu tư và phát triển công nghệ sản xuất than sinh học thân thiện môi trường, khuyến khích sử dụng phụ phẩm nông lâm nghiệp làm nguyên liệu, góp phần phát triển kinh tế xanh. Thời gian thực hiện: 2-3 năm. Chủ thể thực hiện: Bộ Công Thương, Bộ Tài nguyên và Môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Doanh nghiệp sản xuất than sinh học và năng lượng tái tạo: Nghiên cứu cung cấp giải pháp công nghệ nâng cao hiệu suất và giảm ô nhiễm, giúp doanh nghiệp cải tiến quy trình sản xuất.

2. Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành công nghệ năng lượng, nhiệt điện: Tài liệu tham khảo chi tiết về lý thuyết nhiệt phân, thiết kế lò nhiệt phân và phân tích cân bằng nhiệt, vật chất.

3. Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường và năng lượng: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách, quy chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn phát triển ngành than sinh học bền vững.

4. Người lao động và tổ chức đào tạo nghề trong lĩnh vực sản xuất than sinh học: Hướng dẫn vận hành hệ thống sản xuất than hiện đại, nâng cao kỹ năng và điều kiện làm việc.

Câu hỏi thường gặp

1. Than sinh học là gì và có ứng dụng gì trong đời sống?
   Than sinh học là sản phẩm rắn màu đen, xốp, được tạo ra từ quá trình nhiệt phân sinh khối trong môi trường thiếu oxy. Nó được sử dụng làm nhiên liệu, cải tạo đất, xử lý nước và không khí, cũng như trong sản xuất công nghiệp và y tế.

2. Tại sao cần phát triển công nghệ sản xuất than sinh học hiệu suất cao?
   Công nghệ hiện tại chủ yếu là thủ công, hiệu suất thấp (~20%), gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Công nghệ hiệu suất cao giúp tăng năng suất than lên 28-30%, giảm phát thải khí độc, tiết kiệm nguyên liệu và bảo vệ sức khỏe người lao động.

3. Nguyên liệu chính để sản xuất than sinh học là gì?
   Nguyên liệu chủ yếu là sinh khối từ gỗ bạch đàn, gỗ tạp, phụ phẩm nông nghiệp và lâm nghiệp. Sinh khối có thành phần chính gồm cellulose, hemicellulose và lignin, cung cấp carbon để tạo than.

4. Quá trình nhiệt phân diễn ra như thế nào?
   Nhiệt phân gồm bốn giai đoạn: sấy khô nguyên liệu, sấy kiệt, gia nhiệt nhiệt phân và nhiệt phân chính. Quá trình này diễn ra ở nhiệt độ 400-600ºC trong môi trường thiếu oxy, chuyển hóa sinh khối thành than, khí và dầu nhiệt phân.

5. Làm thế nào để giảm ô nhiễm môi trường trong sản xuất than sinh học?
   Sử dụng lò nhiệt phân gián tiếp với buồng đốt riêng biệt, tận dụng khí không ngưng làm nhiên liệu, kiểm soát nhiệt độ và thời gian nhiệt phân hợp lý, đồng thời áp dụng hệ thống xử lý khí thải và tự động hóa trong vận hành.

Kết luận

• Đã phát triển thành công hệ thống sản xuất than sinh học hiệu suất cao đạt 28-30%, vượt trội so với lò thủ công truyền thống.
• Quá trình nhiệt phân chậm với kiểm soát nhiệt độ và thời gian phù hợp giúp tối ưu hóa sản phẩm than và giảm phát thải khí độc hại.
• Hệ thống tận dụng khí không ngưng làm nhiên liệu trong buồng đốt, tiết kiệm năng lượng và giảm ô nhiễm môi trường.
• Thời gian sản xuất một mẻ than khoảng 24 giờ, phù hợp với quy mô công nghiệp vừa và nhỏ tại Việt Nam.
• Đề xuất triển khai ứng dụng công nghệ, đào tạo nhân lực và xây dựng chính sách hỗ trợ để phát triển ngành than sinh học bền vững.

Next steps: Triển khai thử nghiệm quy mô công nghiệp, hoàn thiện thiết kế thiết bị, đào tạo vận hành và xây dựng khung pháp lý hỗ trợ.

Call to action: Các doanh nghiệp và cơ quan quản lý cần phối hợp thúc đẩy ứng dụng công nghệ sản xuất than sinh học hiện đại, góp phần phát triển năng lượng tái tạo và bảo vệ môi trường.