Đặt vấn đề Hiện nay, sản xuất và tiêu thụ than sinh học trên thế giới và Việt Nam là rất lớn, phục vụ cho mục đích cung cấp năng lượng, y tế, xử lý môi trường, sản xuất phân bón, cây trồng vật nuôi và các mục đích khác,… Tuy nhiên, các quá trình sản xuất than hiện nay chủ yếu bằng các công nghệ thủ công với năng suất sản xuất thấp, gây ô nhiễm môi trường và lãng phí nguồn tài nguyên sinh khối. Qua khảo sát thực tế tại các hộ sản xuất than sinh học hiện nay ở một số địa phương như Phú Thọ, Quảng Ninh, Bắc Giang, An Giang, Đồng Tháp, Cần Thơ,… vấn đề ô nhiễm môi trường không khí và nguồn nước là rất lớn. Do đó, các công nghệ sản xuất than thủ công này hiện đang bị cơ quan quản lý hạn chế sử dụng để giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đồng thời bảo vệ nguồn tài nguyên sinh khối. Và có thể xem xét cấm sử dụng trong tương lai, khi đảm bảo điều kiện về công ăn việc làm và an sinh xã hội.
Việc nghiên cứu phát triển hệ thống sản xuất than hiệu suất cao, giảm thiểu ô nhiễm môi trường để dần thay thế các lò thủ công như hiện nay sẽ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường, sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên sinh khối.2 Mục tiêu của đề tài Phát triển thành công một hệ thống sản xuất than có hiệu suất cao hơn các lò thủ công hiện nay, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường và sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên sinh khối.3 Nội dung và phạm vi nghiên cứu Nội dung: + Nghiên cứu tổng quan về công nghệ nhiệt phân sinh khối để sản xuất than; + Tính toán thiết kế dây chuyền sản xuất than; + Vận hành thử nghiệm và đánh giá các yếu tố kỹ thuật của hệ thống sản xuất than; + Đánh giá chỉ tiêu kinh tế - môi trường của dây chuyền sản xuất than đã xây dựng. Phạm vi nghiên cứu: Tập trung nghiên cứu về công nghệ nhiệt phân sinh khối sản xuất Charcoal phục vụ mục đích cung cấp năng lượng và xử lý môi trường.2 Giới thiệu về than sinh học 1. Khái niệm 1 Tieu luan Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt Lạnh Than sinh học là một chất rắn màu đen xốp, bao gồm một dạng carbon vô định hình, thu được sau quá trình carbon hóa (nhiệt phân) chất hữu cơ. Than sinh học (charcoal) Than sinh học được ứng dụng rộng rãi trong đời sống và công nghiệp.
Sinh khối hay các chất hữu cơ khi carbon hóa có thể tạo ra biochar hoặc charcoal tùy thuộc vào điều kiện nhiệt phân. Biochar phục vụ mục đích chính cho việc xử lý môi trường, cải tạo đất, cây trồng vật nuôi. Còn Charcoal chủ yếu phục vụ cung cấp năng lượng và xử lý môi trường. Charcoal hay còn gọi là than củi, nửa đầu của từ này là “char-“ có thể được bắt nguồn từ tiếng Pháp cũ là “charbon” có nghĩa là than củi; hay có thể là “charren” hoặc “churn” (từ tiếng Anh cũ của người Anh) có nghĩa là “biến”.
Nửa sau của từ là ”-coal” có nghĩa là than. Do đó, có thể hiểu nghĩa của từ charcoal là “biến (một số loại vật liệu hữu cơ) thành than”. Charcoal thường được sản xuất bằng phương pháp nhiệt phân chậm các loại nguyên liệu sinh khối như gỗ, phế phẩm nông nghiệp, hay chất thải hữu cơ,… trong điều kiện môi trường thiếu oxy ở nhiệt độ 450ºC - 510ºC. Việc đốt các loại charcoal đem lại lượng nhiệt cao hơn so với việc trực tiếp đốt các loại nhiên liệu như gỗ, phế phẩm nông nghiệp,… Charcoal được sử dụng lần đầu tiên vào khoảng 30.000 năm trước Công nguyên lại không phải vì mục đích cung cấp nhiệt, khi những người thượng cổ sử dụng nó như một “cây bút” để vẽ các bức tranh lên tường hang động.000 trước Công nguyên, con người đã vô tình phát hiện khi một mảnh quặng rơi vào lửa than có thể tạo ra các kim loại nguyên chất (loại bỏ oxi trong các oxit kim loại).
Từ đây, thời đại đồ đồng được tiếp nối bởi thời đại đồ sắt nhờ sự hỗ trợ của than củi trong công cuộc luyện kim. 2 Tieu luan Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt Lạnh Ngoài ra, cũng trong khoảng thời gian này, Trung Quốc và một số quốc gia thuộc Tây Á, Bắc & Nam Mỹ, châu Âu và châu Phi cũng đã bắt đầu sản xuất và sử dụng than củi.500 năm trước Công nguyên, trong các ghi chép của người Ấn Độ về việc sử dụng than củi để loại bỏ mùi hôi của vết thương, cũng là lần đầu tiên đề cập đến việc ứng dụng của than sinh học trong lĩnh vực y tế.400 năm trước Công nguyên, người Phoenicia đã tích trữ nước trong các thùng chứa than trên các tàu than để cải thiện chất lượng nước. Đây cũng là một tính chất quan trọng của than, hấp thụ. Tuy nhiên, ứng dụng đó ít được để ý tới cho tới thế kỷ thứ XVII, khi người châu Âu tiến hành tinh luyện đường thô nhờ tính chất hấp thụ của than sinh học (biochar).
Sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp luyện đường đã gia tăng nhu cầu tìm kiếm than có tính chất hấp phụ cao và dẫn đến sự phát triển của than hoạt tính (activated carbon). Than hoạt tính được sử dụng trong các bộ lọc nước, hệ thống lọc không khí và mặt nạ phòng độc. Phân loại than hiện đang được sản xuất Tùy thuộc vào công nghệ sản xuất, nguyên vật liệu đầu vào cũng như nhu cầu sử dụng mà than sinh học được phân loại thành nhiều dạng khác nhau. Sau đây là một số loại than sinh học hiện đang được sản xuất trên thế giới cũng như tại Việt Nam: - Than thông thường (common charcoal): được sản xuất từ than bùn, than đá, sinh khối: gỗ, vỏ dừa, các phụ phẩm hữu cơ,… - Than đường (sugar charcoal): là sản phẩm đặc biệt tinh khiết thu được khi carbon hóa đường.
Nó được tinh chế bằng cách đun sôi với acid để loại bỏ toàn bộ khoáng chất và sau đó được đốt cháy trong khoảng thời gian dài trong xúc tác Clo để loại bỏ hoàn toàn Hydro. Than đường được sử dụng để điều chế kim cương nhân tạo, làm chất khử trong quá trình chiết kim loại hay được sử dụng như một tác nhân khử màu. - Than hoạt tính (activated charcoal): là một dạng carbon đã được xử lý với oxy ở nhiệt độ cao trong môi trường yếm khí trước khi được hoạt hóa theo những công nghệ riêng biệt để được loại than như mong muốn với một cấu trúc mới xốp hơn. Với cấu tạo này, than hoạt tính có diện tích tiếp xúc rất lớn khiến chúng bám hút và hấp phụ các chất khác giống như nam châm.
Cấu trúc rỗng, xốp của than hoạt tính 3 Tieu luan Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt Lạnh - Than cục (Lump charcoal): là một loại than truyền thống được làm trực tiếp từ nguyên liệu gỗ. Nó thường tạo ra tro ít hơn nhiều so với than bánh. Than cục (lump charcoal) - Than truyền thống Nhật Bản (Japanese charcoal): đã loại bỏ acid pyroligneous trong quá trình sản xuất than; do đó nó tạo ra hầu như không có mùi hoặc hút thuốc khi bị đốt cháy. Than truyền thống của Nhật Bản gồm hai loại chính: + Than đen (Black charcoal): gỗ được carbon hóa ở nhiệt độ từ 400 đến 700°C, sau đó lò nung được niêm phong cho đến khi quá trình cháy dừng lại và nhiệt từ từ biến mất.
Bề mặt của than là màu đen, than đen mềm và giữ lại lớp ngoài của gỗ. Than được sản xuất trên khắp thế giới chủ yếu là loại than đen mềm này. + Than trắng (White charcoal): được tạo ra bằng cách carbon hóa gỗ ở nhiệt độ thấp vừa phải, sau đó, gần cuối quá trình, nhiệt độ lò được tăng lên khoảng 1000°C để làm cho gỗ nóng đỏ sau đó nhanh chóng làm mịn nó bằng một lớp bột để làm nguội nó. Loại bột được sử dụng là hỗn hợp của cát, đất và tro.
Điều này sau đó sẽ cho một màu trắng trên bề mặt của than. Nhiệt độ tăng nhanh, sau đó làm lạnh nhanh, đốt cháy lớp ngoài của gỗ để lại bề mặt cứng mịn. Nó cũng được gọi là "than cứng". Than đen Than trắng Hình 1.
Than đen và than trắng - Than bánh hình gối (Pillow shaped briquettes): được làm bằng cách nén than, thường được làm từ mùn cưa và các sản phẩm phụ từ gỗ khác, với chất kết dính và các chất phụ gia khác. Chất kết dính thường là tinh bột. Than bánh cũng có thể bao gồm than nâu (nguồn nhiệt), carbon khoáng sản (nguồn nhiệt), borax, natri nitrat (hỗ trợ đánh lửa), đá vôi (chất làm trắng tro), mùn cưa thô (hỗ trợ đánh lửa) và các chất phụ gia khác. 4 Tieu luan Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt Lạnh Hình 1.
Than bánh hình gối - Than bánh mùn cưa (Saw briquette charcoal): được làm bằng cách nén mùn cưa mà không có chất kết dính hoặc phụ gia. Đây là loại than được ưa thích ở Đài Loan, Hàn Quốc, Hy Lạp và Trung Đông. Nó có một lỗ tròn xuyên qua trung tâm, với một giao điểm hình lục giác. Nó được sử dụng chủ yếu cho các quán ăn nướng vì nó không tạo ra mùi, không khói, ít tro, nhiệt lượng cao và thời gian cháy lâu (hơn 4 giờ).
Than bánh mùn cưa - Than ép đùn (Extruded charcoal): được tạo ra bằng cách ép đùn nguyên liệu gỗ thô hoặc gỗ đã được carbon hóa thành các khúc mà không sử dụng chất kết dính. Nhiệt độ và áp suất của quá trình ép đùn giữ than cùng nhau. Đối với nguyên liệu gỗ thô, thì các khúc gỗ sau khi được ép đùn được carbon hóa. Ứng dụng của than sinh học trong đời sống và sản xuất Than sinh học được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực sau đây: 5 Tieu luan Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt Lạnh Hình 1.
Ứng dụng của than sinh học trong đời sống và sản xuất -Trong đời sống: + Nhiên liệu nấu ăn: Than sinh học được sử dụng rộng rãi để làm nhiên liệu chính trong các bữa tiệc nướng BBQ. Ngoài ra, ở một số nước có nền công nghiệp chưa phát triển mạnh, việc sử dụng than charcoal để nấu ăn hàng ngày hiện đang khá phổ biến. + Nghệ thuật: Các họa sĩ sử dụng than sinh học như một dụng cụ để tạo ra các bản phác thảo thô trong hội họa.