MỞ ĐẦU 1. Sự cần thiết của vấn đề nghiên cứu Trong những năm gần đây, thế giới đặc biệt quan tâm và đang phải đối mặt với sự cạn kiệt của nhiên liệu hóa thạch và vấn đề nóng lên của trái đất [1, 2]. Nguyên nhân chính của hiện tượng này là do tăng các khí thải có hại như CO2 vì con người sử dụng quá nhiều nhiên liệu hóa thạch và diện tích rừng ngày càng giảm [3, 4]. Theo Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu (IPCC), như tình hình hiện nay thì nhiệt độ bề mặt Trái Đất sẽ có thể tăng 1,1 đến 6,4°C trong suốt thế kỷ XXI [5].
Hậu quả nghiêm trọng của việc nóng lên của trái đất là làm tan băng dẫn đến mực nước biển dâng, đe dọa nghiêm trọng các quốc gia ven biển vì ngập. Một trong những giải pháp giảm tình trạng nóng lên của trái đất là việc tăng cường khai thác và sử dụng các dạng năng lượng thay thế năng lượng hóa thạch nhằm trung hòa và không làm tăng CO2 như: Năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng sinh khối (biomass) [6, 7]. Đồng thời, năng lượng sinh khối đã và đang dần phát triển theo hướng tích cực như một sự thay thế thích đáng, giảm thiểu áp lực ô nhiễm môi trường, bảo vệ trái đất, giảm khí độc gây ra hiệu ứng nhà kính phá hủy tầng Ozon [8]. Hiện nay trên quy mô toàn cầu, sinh khối là nguồn năng lượng lớn thứ tư, chiếm tới 14 - 15% tổng năng lượng tiêu thụ của thế giới [9].
Có thể nói việc sử dụng hiệu quả năng lượng sinh khối đang là vấn đề rất được quan tâm trên thế giới nhằm giảm một phần sức ép trong quá trình sử dụng nhiên liệu, phát triển nguồn năng lượng sạch và thiết thực cho tương lai. Sinh khối là một trong những nguồn năng lượng thay thế năng lượng hóa thạch có triển vọng và nguồn cung cấp dồi dào dưới dạng thể rắn là chủ yếu [10]. Điều này hạn chế rất lớn trong khai thác và sử dụng sinh khối. Vì vậy, để tiện lợi và sử dụng sinh khối có hiệu quả đòi hỏi phải đầu tư nghiên cứu và phát triển công nghệ phù hợp chẳng hạn như hóa khí, hóa lỏng từ nguồn sinh khối thể rắn.
Sinh khối thể rắn có thể chuyển đổi sang dạng khí hoặc lỏng trong đó phổ biến là dạng khí, được gọi là khí tổng hợp (syngas) vì những ưu điểm như tiện lợi trong sử dụng, có thể lưu trữ, nhiệt trị cao và nhiều ứng dụng trong công nghiệp [11, 12]. Ở nhiều nước trên thế giới, khí tổng hợp được sử dụng rất phổ biến cho các động cơ đốt trong để chạy máy phát điện [13-16]. Việt Nam là đất nước nông nghiệp có tiềm năng sinh khối rất lớn từ phụ phẩm nông nghiệp. Tiềm năng về năng lượng sinh khối của Việt Nam được đánh giá là rất đa dạng và LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2 có trữ lượng khá lớn [17].
Theo tính toán của Viện Năng lượng Việt Nam, tổng nguồn sinh khối vào khoảng 118 triệu tấn/năm tương đương 80,7 triệu tấn dầu, gấp 2 lần tổng lượng khai thác dầu khí của Việt Nam [18]. Các nguồn sinh khối của Việt Nam bao gồm: phụ phẩm nông lâm nghiệp; chất thải chăn nuôi; chất thải thành phố và công nghiệp. Trong đó phụ phẩm nông lâm nghiệp chiếm tỉ trọng lớn nhất, đặc biệt là trấu [19]. Hóa khí sinh khối là quá trình chuyển đổi hóa nhiệt được thực hiện trong môi trường yếm khí.
Quá trình này chia làm bốn giai đoạn chính là sấy, nhiệt phân, cháy và khử [20- 22]. Quá trình hóa khí là một quá trình rất phức tạp trong đó chất lượng khí, hiệu suất hóa khí, chất lượng than sinh học (biochar) là những thông số chính đánh giá tính kinh tế kỹ thuật của hệ thống. Các thông số này bị tác động và phụ thuộc rất nhiều vào đặc điểm sinh khối (thành phần hóa học, kích thước và độ ẩm của sinh khối) và các thông số công nghệ hóa khí bao gồm đặc điểm không khí cấp vào hệ thống hóa khí (lưu lượng, nhiệt độ và áp suất); nhiệt độ vùng cháy, vùng khử và kết cấu của hệ thống hóa khí như hóa khí kiểu dòng khí đi xuống, dòng khí đi lên, dòng khí đi chéo,. Nghiên cứu về hóa khí sinh khối thường được thực hiện theo hai hướng chính là nghiên cứu về cấu tạo của thiết bị hóa khí và nghiên cứu về các thông số công nghệ của hệ thống hóa khí [11, 26].
Các nghiên cứu về cấu tạo của thiết bị hóa khí đã được thực hiện nhiều năm về trước [20, 27, 28]. Hiện nay, các công trình nghiên cứu về hóa khí sinh khối thường tập trung vào các thông số công nghệ nhằm hướng đến chất lượng khí tổng hợp [25, 29, 30]. Một vài công trình công bố hóa khí sinh khối có thể thu đồng thời khí tổng hợp và than sinh học [31, 32]. Tuy nhiên, chưa có công bố nào đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến thành phần khí tổng hợp và than sinh học trong thiết bị hóa khí trấu kiểu dòng khí đi xuống tại Việt Nam.
Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu sự ảnh hưởng một số thông số công nghệ của quá trình hóa khí kiểu dòng khí đi xuống (downdraft) đối với trấu tại vùng Đồng bằng Sông Cửu Long, Việt Nam đến sản phẩm khí tổng hợp (syngas) và than sinh học (biochar) sử dụng cho sản xuất nhỏ và nông hộ tại các vùng nông thôn. Mục tiêu cụ thể: - Xác định các thông số lý hóa của trấu vùng Đồng bằng Sông Cửu Long làm cơ sở cho nghiên cứu quá trình hóa khí trấu về lý thuyết và thực nghiệm bao gồm xây dựng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 các phương trình và phản ứng xảy ra, xây dựng phương trình cân bằng năng lượng,… - Xây dựng mô hình mô tả quá trình hóa khí theo kiểu dòng khí đi xuống qua đó bằng lý thuyết mô phỏng có thể dự đoán các thành phần của sản phẩm khí từ thành phần của nhiên liệu trấu. Đồng thời hệ phương trình mô tả có thể mở rộng cho nhiều loại sinh khối khác nhau. - Xây dựng mô hình thực nghiệm nhằm xác định sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến hiệu quả của quá trình hóa khí trấu theo kiểu dòng khí đi xuống bao gồm thành phần khí tổng hợp, chất lượng khí tổng hợp và lượng than sinh học.
- Xây dựng mô hình bài toán nghiên cứu qui hoạch thực nghiệm nhằm xác định các thông số công nghệ đáp ứng yêu cầu để quá trình hóa khí trấu theo kiểu dòng khí đi xuống đạt hiệu quả thu đồng thời khí và than. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng của nghiên cứu này là hệ thống hóa khí sinh khối kiểu dòng khí đi xuống, nhiên liệu sử dụng để hóa khí là trấu thu được từ một số nhà máy xay xát lúa ở vùng Đồng bằng Sông Cửu Long. Giới hạn của đề tài Có rất nhiều thông số công nghệ tác động đến quá trình hóa khí sinh khối như: đặc tính của nhiên liệu (loại nhiên liệu, ẩm độ, kích thước, khối lượng thể tích,…); thông số hoạt động của hệ thống hóa khí (tác nhân hóa khí là không khí, oxy, hơi nước; hệ số không khí cấp ER; nhiệt độ; tốc độ hóa khí riêng,…). Tuy nhiên, kế thừa các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước nhiều năm qua, cho thấy khi nghiên cứu cho một đối tượng nhiên liệu cụ thể thì các yếu tố tác động đến từ nhiên liệu thường được ổn định và không gây ảnh hưởng nhiều.
Các thông số ảnh hưởng lớn đến quá trình và hiệu quả hóa khí là nhóm các thông số của hệ thống hóa khí. Hầu hết các nghiên cứu đều tập trung vào nghiên cứu sâu theo hướng này. Trong nghiên cứu hóa khí với đối tượng nhiên liệu là trấu sau khi xay xát thì các thông số ẩm độ, kích thước, khối lượng thể tích,. của trấu gần như ổn định, ít ảnh hưởng và vì vậy rất phù hợp cho kiểu hóa khí dòng khí đi xuống.
Do đó, tác giả chọn kiểu hóa khí dòng khí đi xuống với hai thông số công nghệ chính là hệ số không khí cấp ER và nhiệt độ vùng khử T2 để nghiên cứu nhằm đánh giá sự ảnh hưởng của chúng đến thành phần khí tổng hợp và than sinh học. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 Ngoài ra, với mục tiêu nghiên cứu cụ thể như trên nên thực nghiệm được tiến hành nghiên cứu trên mô hình nhỏ, qui mô nông hộ. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu tổng quan, nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm. Về tổng quan, luận án đã nghiên cứu phân tích các nghiên cứu về hóa khí của các tác giả trong và ngoài nước đã công bố, qua đó kế thừa các kết quả đã có đồng thời phát hiện bổ sung một số vấn đề còn tồn tại nhằm đáp ứng cho mục tiêu nghiên cứu của luận án.
Về nghiên cứu lý thuyết, luận án tập trung nghiên cứu cơ sở lý thuyết của hóa khí sinh khối, tiến hành xây dựng mô hình toán nhằm mô phỏng và phân tích quá trình hóa khí trấu trong thiết bị hóa khí dòng khí đi xuống. Hệ phương trình dự đoán các khí thành phần và lượng than sinh học tương ứng với các thông số công nghệ của hệ thống hóa khí đã được xây dựng. Ngôn ngữ lập trình Python đã được sử dụng để giải hệ các phương trình phi tuyến của mô hình. Thành phần và khối lượng của sản phẩm khí và than sinh học tương thích với sự thay đổi của một số thông số công nghệ của hệ thống hóa khí đã được xác định.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm cũng đã được tiến hành với mục tiêu kiểm chứng lại sự phù hợp và đúng đắn của mô hình tính toán đã xây dựng. Ngoài ra luận án còn sử dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm nhằm tìm các giá trị hợp lý của các thông số công nghệ để thu được sản phẩm khí tổng hợp và than sinh học phù hợp nhất khi hóa khí trấu theo kiểu dòng khí đi xuống. Vấn đề lợi ích của việc sử dụng than sinh học trong thực tế như dùng bón cho cây trồng và ảnh hưởng của than sinh học đến sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng cũng đã được thực nghiệm.