MỞ ĐẦU 1.1 Tinh hình dầu nhiệt phân trên thé giới. Quá trình nhiệt phân xuất hiện trong thời Ai Cập cổ đại, khi người ta dùng than củi dé tram khe hở cho tàu thuyén gỗ và dùng dé ướp xác. Sau đó, than củi là sản phẩm duy nhất của quá trình nhiệt phân được sử dung phổ biến đến ngay nay. Trong những năm 1980, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng, năng suất chất lỏng nhiệt phân có thể được tăng lên bằng cách sử dụng quá trình nhiệt phân nhanh, nguyên tac là làm nóng nhanh sinh khối và ngưng tụ nhanh chóng hơi tạo ra [1].
Dầu nhiệt phân là một chất lỏng màu nau sam, ty trọng 1,2 kg/I được tạo ra từ nhiệt phân nhanh nguyên liệu từ thực vật, trong đó các hạt sinh khối được làm nóng trong điều kiện thiếu oxy, hoá hơi và ngưng tụ thành lỏng. Quá trình này thường thu được 65 + 70 % lỏng, 15 + 20 % than và các loại khí không ngưng. Được ứng dụng làm nhiên liệu cho lò sấy gỗ, động co diesel có định và nỗi hơi công nghiệp. Dau nhiệt phần có ưu điểm về môi trường hơn so với nhiên liệu hoá thạch do có chỉ số phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính (CO+z/GHG) ở mức trung hoà, không thải ra khí SO, vì sinh khối thực vật chứa lượng lưu huỳnh không đáng kế.
Dau nhiệt phân phát thải NO, thấp hon 50% so với dau diesel dùng trong tua bin khí, có thé thay thé cho dâu đốt nặng (HFO), dầu đốt nhẹ (LFO) hoặc khí thiên nhiên dùng cho lò nung bột giấy với vôi trong nha máy giấy, nhà máy điện và sưởi 4m [2]. Việc chuyên đổi sinh khối băng phương pháp nhiệt hóa là một hình thức sản xuất năng lượng phi hạt nhân day hứa hẹn trong tương lai. Những nghiên cứu và công nghệ liên quan đến bio-oil có tiên bộ đáng kê và một sô lượng lớn các ân phâm được xuât bản môi năm. Luận văn Thạc sĩ: “Nghiên cứu quá trình nhiệt phân nhanh biomass bang thiết bị tang sôi”.2 Sản xuất và tiêu thụ dầu nhiệt phân trên trên thé giới và Việt Nam.
Việc sản xuất dầu nhiệt phân chỉ mới được thương mại hoá khi một nhà máy 100 tan/ngay ở Canada được hoàn thành vào năm 2005. Ba nha máy khác có công suất 200 tan/ngay cũng đã được xây dựng, một nhà máy ở Malaysia và hai nhà máy ở Canada. Một số khu vực được dự đoán sẽ trở thành trung tâm sản xuất dầu nhiệt phân như: Canada, Brazil, South Africa, khu vực biển Baltic, Ukraine. Canada có trữ lượng 28 triệu tấn sinh khối, gân như 100% các nguồn biomass Canada là từ rừng.
Ở Brazil và Nam Phi, bã mía là nguồn biomass chính có giá rẻ. Ở vùng Baltic, nguôn biomass là chất thải rừng, trong khi Ukraine là cây năng lượng, chăng hạn như co Miscanthus [2]. Nhu cầu tiêu thụ dầu nhiệt phân ở châu Âu (EU-25) tăng nhanh trong giai đoạn 2007 + 2012 được thé hiện trong hình bên dưới.C 2 2000 1000 0 — lz | 2007 2008 2009 2010 2011 2012 | m San lượng 99 240 940 2222 3644 5000 Hình 1.1 Nhu cầu tiêu thụ dầu nhiệt phân & châu Au [2] Luận văn Thạc sĩ: “Nghiên cứu quá trình nhiệt phân nhanh biomass bang thiết bị tang sôi”. Năm 2012, nhu cầu lên đến 5 triệu tan, trong đó 4,5 triệu tấn nhập khâu 0,5 triệu tan tự sản xuất.
Dé đáp ứng các mục tiêu của nghị định thu Kyoto, thi trường lò vôi dự kiến cần 1,4 triệu tan dầu nhiệt phân ở các nước Thụy Điền, Phần Lan, Bồ Đào Nha và Tây Ban Nha. Thị trường sưởi 4m dự kiến 1 triệu tan ở các nước Phan Lan, Thụy Điển và Dan Mach [2]. Thị trường chất đốt phụ sử dụng cho các nhà máy điện lớn chạy nhiên liệu truyền thống ở Anh va Hà Lan, có thé dùng cả dau nhiệt phân và than. Trong đó, thị trường dầu nhiệt phân được ước tính ở mức 2,9 triệu tan dé đốt cùng với than da, 3,1 triệu tan đốt cùng với dau và 4.5 triệu tan với khí đốt tự nhiên trong các nhà máy sử dụng nhiên liệu linh hoạt.
Ngoài ra, dầu nhiệt phân còn dùng trong nhà máy điện chạy 100% nhiên liệu sinh khối tại Bỉ và Anh. Một cơ hội khác là thay thế cho nhiên liệu diesel trong nhà máy điện nhỏ (< 20 MW) ở Đức, đây là một phân khúc phát triển mới dành cho dầu nhiệt phân [2. Thị trường nguyên liệu dùng sản xuất dau nhiệt phân ở châu Phi phần lớn được sinh ra bởi ngành mía đường, lâm nghiệp, sản xuất giấy. Sản xuất mía đường năm 2002 là 25 triệu tấn, thải ra 6,1 triệu tấn bã mía có tiềm năng sản xuất 3.
Đối với lâm nghiệp, phan lớn biomass là từ phế phẩm khai thác gỗ thải ra 2,95 triệu tan biomas hang năm có tiềm năng sản xuất khoảng 8,5 TWh [2]. Việc sản xuất dầu nhiệt phân phụ thuộc vào cạnh tranh giữa giá năng lượng và giá dầu nhiệt phân. Tuy nhiên, ở châu Phi năng lượng truyền thống có giá thấp hơn.1 Tiềm năng sản xuất dầu nhiệt phân [2] Loại nguyên liệu Số nhà máy Lượng dầu tiêm năng (nghìn tán) Bã mía 28 1.236 Luận văn Thạc sĩ: “Nghiên cứu quá trình nhiệt phân nhanh biomass bang thiết bị tang sôi”. Mat cưa, vỏ cây 4 175 Vỏ cây từ nhà máy giây 1 59 Phê thai rừng 5 225 Phé thai cây mia 20 907 Tong cong 58 2.602 Dựa trên nguồn bã mia thi có thể xây dựng tối da là 28 nhà máy.
Giống như ở Brazil, khi tính đến chi phí thu gom và vận chuyển thì ước lượng có thé xây dựng 20 nhà máy có công suất 20 tan/ngay sẽ tao ra 0,9 triệu tan dầu/năm, trong đó 0,5 triệu tan xuất khâu. Canada là nước sản xuất dầu nhiệt phân điển hình ở bắc Mỹ, sản phẩm này được đưa vào thương mại hoá đầu tiên vào năm 2005. Ngành công nghiệp lâm sản cung cấp 193 triệu mỶ gỗ hàng năm tạo ra sản phẩm phụ từ gỗ như vỏ cây, mun cưa và vỏ bào. Hơn 90% lượng chất thải này được đốt để ngăn chặn cháy rừng không kiểm soát và để giải phóng thêm đất dé tái sinh rừng [2].
Trong nông nghiệp, rom ra hoặc thân cây là 56,1 triệu tan, một số trong đó phải được trả lại cho đất để duy trì độ phì của đất và bổ sung ham lượng carbon. Sinh khối nông nghiệp khoảng 17,3 triệu tan hang năm. Với nỗ lực đâu tư tối đa, nguồn biomass có thể cung cấp cho hơn 200 nhà máy đến năm 2012. Tuy nhiên, chỉ có 53 nhà máy được xây dựng số vốn đầu tư là 900 triệu USD, công suất sản xuất hàng năm là 2,3 triệu tan dau [2].2 Kế hoạch xây dựng nhà máy và sản lượng bio-oil ở Canada [2] Tình Năm| ;0pø| 2007| 2008! 2009| 2010| 2011| 2012 British Columbia 2 5 10 13 16 18 Saskatchewan 1 2 3 3 3 Luận văn Thạc sĩ: “Nghiên cứu quá trình nhiệt phân nhanh biomass bang thiết bi tang soi”.
Alberta 1 2 3 3 3 Ontario | 3 6 8 10 12 15 Quecbec ] 2 3 6 9 New Brunswick ] ] 2 2 2 Nova Scotia | 2 3 3 3 3 Plants l 6 17 18 37 45 53 Max Plants 6 20 50 100 150 224 San lượng bio-oll (nghìn tán) 23| 139| 531) 1.264 Năm 2006 + 2007 hầu như lượng bio-oi được tiêu thụ trong nước. Một trong số thị trường lớn của dầu nhiệt phân là các nhà máy sản xuất giấy, dùng cho lò nung bột giấy với vôi. Sản xuất giấy ở Canada năm 2012 xấp xi 12,2 triệu tan. Cu thé, một nha máy giấy công suất 900 tan/ngay sử dụng 28,3 mỶ khí tự nhiên/giờ.
Với nhiệt trị dầu là 17,8 GJ/tan thì cần 1,1 triệu tấn dầu/năm, tương đương 24 nhà máy nhiệt phân công suất 200 tan [3]. Brazil là nhà sản xuất chính lâm sản và cây mía. Năm 2008, Brazil sản xuất 219 triệu tan mía và 19,5 triệu lít ethanol. Nguồn bã mía ở Brazil phần lớn dùng sản xuất ethanol cho nên việc lựa chọn dùng bã mía để tạo ra bio-oil hay ethanol phụ thuộc vào giá cả của chúng trên thị trường.
Ngành công nghiệp lâm sản có khoảng 70 triệu tan sinh khối trong năm 2010, tuy nhiên nhiều sinh khối này cách xa cảng biển hàng trăm km và dịch vụ vận chuyển cho xuất khâu có thé là một thử thách [2]. Ngành công nghiệp cưa ở Argentina sản xuất khoảng 2.8 triệu tấn chất thải mỗi năm (chiếm 60% nguyên liệu thô). Khoảng 50% sử dung làm bột giấy, ván ép,. 50% còn lại bị thải bỏ.
Argentina sản xuất khoảng 50 nghìn tấn hạt gỗ hàng năm, hầu hết trong số đó được xuất khẩu [3]. Luận văn Thạc sĩ: “Nghiên cứu quá trình nhiệt phân nhanh biomass bang thiết bị tang sôi”.3 Tiềm năng sản xuất dầu nhiệt phân ở Brazil [2| Năm | 2006| 2007| 2008; 2009; 2010, 2011| 2012 Nguện liệu Ba mía (triéu tan) 6,9 14,7 24,9 25,3 26,0 26,7 27,4 Nha may 104 222 377 384 395 405 416 San lượng bio-oil 4.110 (nghin tan) Thân cây (triéu tan) 26 27 31 32 32 33 33 Nha may 391 415 471 478 487 496 505 San lượng bio-oil 17. Mặc dù các nguyên liệu tiềm năng có thé cung cấp cho hon 921 nhà máy nhiệt phân dầu 200 tan/ngay năm 2012, nhưng do hạn chế về vốn và khả năng sử dụng khác, chăng hạn như sản xuất điện và sản xuất ethanol, năm 2012 chỉ có 20 nhà máy, sản xuất 870 nghìn tan dau nhiệt phân.5 Châu A Thái Bình Dương. Đông Nam A là khu vực có nguồn sinh khối chính từ rừng, trồng trọt và các cơ sở chế bién.
Nguyên liệu giá rẻ là phế phâm từ dầu co va các nhà máy chế biến khác, nổi bật nhất ở Indonesia va Thái Lan. Ước tính trong năm 2012 có 50 triệu tấn buồng cọ thải ra từ hoạt động sản xuất kinh doanh dầu cọ. Nguyên liệu khác có số lượng nhiều hon là phế phẩm nông nghiệp tiềm năng lớn nhất ở Indonesia và Thái Lan, tuy nhiên nguồn nguyên liệu này lại có giá cao hơn [3]. Ở Úc, có 163 triệu ha rừng, trong đó 45,6 triệu ha cho phép khai thác, tạo ra 24 triệu tấn phế phẩm nông nghiệp từ ngũ côc và 9 triệu tần mía bã mía và gô tạp.
Luận văn Thạc sĩ: “Nghiên cứu quá trình nhiệt phân nhanh biomass bang thiết bị tang sôi”.4 Tiềm năng phế phẩm nông nghiệp ở Đông Nam A năm 2010 [3]. Nguồn nguyên liệu Indonesia Malaysia | Philipines Thailand Gỗ từ rừng 2.359 320 119 137 Gỗ từ nông nghiệp 1.272 336 588 467 Gỗ từ dat lâm nghiệp 61 --- --- 284 Gỗ từ nan pha rừng 2.068 888 50% phê phâm nông nghiệp 457 49 198 317 Tổng lượng tiềm năng 6.