Tính cấp thiết của đề tài Nhiên liệu hóa thạch có vai trò hết sức quan trọng trong nền kinh tế của các quốc gia trên toàn thế giới. Năng lƣợng, nhiên liệu đƣợc sản xuất chủ yếu từ nguồn nhiên liệu hoá thạch. Nhu cầu về năng lƣợng, nhiên liệu ngày càng tăng nhanh, bên cạnh đó sử dụng nhiên liệu hóa thạch để sản xuất năng lƣợng phát thải khí NOx, SOx, CO2 gây hiệu ứng nhà kính gây ra tác động đến môi trƣờng và biến đổi khí hậu toàn cầu. Do đó, nghiên cứu tìm ra nguồn nguyên liệu, nhiên liệu mới có khả năng tái tạo và bổ sung thêm vào nguồn nhiên liệu để sản xuất năng lƣợng là vấn đề quan trọng trên toàn thế giới.
Việt Nam là đất nƣớc có khí hậu nhiệt đới gió mùa, lƣợng mƣa hàng năm lớn nên nguồn sinh khối rất phong phú và dồi dào. Theo số liệu thống kê có khoảng hơn 100 triệu tấn sinh khối gỗ, phụ phẩm gỗ từ ngành chế biến lâm nghiệp và từ phụ phẩm nông nghiệp, chủ yếu là trấu, bã mía, ngô…. Với công nghệ hiện nay, chuyển hóa phụ phẩm nông lâm nghiệp tạo ra năng lƣợng nhiệt, điện theo phƣơng pháp truyền thống nhƣ đốt cháy để sản xuất điện. Các công nghệ mới nhƣ khí hóa sinh khối để sản xuất điện theo công nghệ IGCC, hoặc sử dụng nhiên liệu khí cho động cơ, cho tuabin khí hoặc sử dụng cho pin nhiên liệu…đang đƣợc nghiên cứu phát triển.
Khí hóa sinh khối không những là phƣơng pháp có thể nâng cao giá trị của phụ phẩm nông lâm nghiệp mà còn giảm phát thải khí nhà kính và đa dạng hóa nguồn cung cấp năng lƣợng cho quốc gia. Nghiên cứu công nghệ khí hóa sinh khối thành khí nhiên liệu sử dụng sản xuất điện, nhiệt, vận hành động cơ đốt trong hay sản xuất hóa chất bắt đầu đƣợc quan tâm nghiên cứu tại trƣờng đại học và các trung tâm nghiên cứu tại Việt Nam. Để làm chủ công nghệ khí hóa thì cần phải hiểu rõ các đối tƣợng sinh khối sẽ sử dụng làm nguyên liệu và bản chất biến đổi hóa học khi tiến hành khí hóa, các yếu tố quan trọng ảnh hƣớng đến quá trình khí hóa, thiết kế thiết bị khí hóa (TBKH), xử lý khí sản phẩm và sử dụng khí sản phẩm…. cần đƣợc quan tâm nghiên cứu.
Xuất phát từ những thực tế trên, đề tài “Nghiên cứu đặc tính nhiệt phân của gỗ keo và quá trình khí hóa tạo khí nhiên liệu” đƣợc thực hiện nghiên cứu với mục tiêu và nội dung dƣới đây. Mục tiêu của luận án Nghiên cứu nhiệt phân của gỗ keo và xác định điều kiện phù hợp để khí hóa sản xuất khí nhiên liệu (có thành phần khí cháy CO, H2 và hàm lƣợng hắc ín thấp), định hƣớng sử dụng cho động cơ đốt trong để sản xuất điện. Nội dung nghiên cứu của luận án 1- Nghiên cứu, phân tích và đánh giá thành phần kỹ thuật: hàm ẩm, hàm lƣợng chất bốc (hydrocacbon nhẹ, CO, CO2, H2O thoát ra ở nhiệt độ 950oC trong 7 phút, hàm lƣợng cacbon cố định (cacbon còn lại sau khi chất bốc thoát ra) và hàm lƣợng tro thấp; thành phần nguyên tố nhƣ cacbon, hydro, oxy, nitơ, lƣu huỳnh; phân tích hàm lƣợng chất 1 bốc, hàm lƣợng cacbon cố định. Phân tích hàm lƣợng oxit kim loại trong tro và xác định nhiệt độ chảy mềm của tro gỗ keo.
Phân tích xác định các liên kết, nhóm chức trong gỗ keo. 2- Nghiên cứu quá trình nhiệt phân gỗ keo bằng phƣơng pháp phân tích nhiệt và tính toán năng lƣợng hoạt hóa của quá trình. Đánh giá sản phẩm của quá trình nhiệt phân và phân tích thành phần và tính chất hóa học của chúng. 3- Nghiên cứu yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình khí hóa (SVa , S/C) và đánh giá hiệu quả của quá trình khí hóa.
Phân tích các vùng phản ứng trong thiết bị khí hóa. 4- Nghiên cứu nâng cấp chất lƣợng khí nhiên liệu bằng phƣơng pháp cấp thêm oxy trong quá trình khí hóa và bƣớc đầu nghiên cứu reforming toluen (thành phần chính của hắc ín) bởi xúc tác Ni/Char. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 4. Ý nghĩa khoa học của luận án - Nghiên cứu về tính chất kỹ thuật của gỗ keo là cơ sở để đánh giá khả năng ứng dụng của gỗ keo và giải thích các quá trình xảy ra trong TBKH cũng nhƣ các thông số cho thiết kế, chế tạo TBKH.
Ngoài ra, kết quả từ nghiên cứu về tính chất kỹ thuật của gỗ keo tạo nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo để nghiên cứu mở rộng hƣớng ứng dụng của gỗ keo cũng nhƣ nghiên cứu tính chất kỹ thuật cho các loại sinh khối khác. - Đã đƣa ra đƣợc phƣơng pháp luận để đánh giá quá trình nhiệt phân sinh khối và có thể áp dụng cho các đối tƣợng nghiên cứu khác. - Phân tích, biện luận và bình chú về TBKH, công nghệ khí hóa và trình bày các kết quả nghiên cứu về các thông số ảnh hƣởng đến quá trình khí hóa giúp cung cấp thông tin cơ sở và khoa học cho các nghiên cứu sau này. Ý nghĩa thực tiễn của luận án - Những phân tích chi tiết về tính chất kỹ thuật của gỗ keo cung cấp đầy đủ thông tin để góp phần sử dụng nguyên liệu và nhiên liệu sinh khối cho quá trình cháy, quá trình nhiệt phân và quá trình khí hóa.
- Góp phần hiểu rõ hơn công nghệ khí hóa sinh khối để sản xuất điện và có khả năng áp dụng ở quy mô công nghiệp tại Việt nam khi sử dụng nguyên liệu là gỗ keo với công suất phát điện < 1MWh. Những đóng góp mới của luận án 1. Lần đầu tiên đã xác định đƣợc thành phần kỹ thuật của gỗ keo Việt Nam: hàm lƣợng chất bốc, hàm lƣợng cacbon cố định, hàm lƣợng tro và thành phần hóa học: cacbon, hydro, oxy, nitơ, lƣu huỳnh, các thành phần oxit kim loại trong tro gỗ keo và nhiệt độ chảy mềm của tro gỗ keo, nhiệt trị của gỗ keo Việt Nam. Đã phân tích và lƣợng hóa đƣợc các sản phẩm hình thành trong quá trình nhiệt phân.
Xác định đƣợc năng lƣợng hoạt hóa phản ứng nhiệt phân gỗ keo bằng phƣơng pháp 2 phân tích nhiệt. Char hình thành trong quá trình nhiệt phân chủ yếu do quá trình phân hủy nhiệt của lignin. Lần đầu tiên nghiên cứu sử dụng gỗ keo làm nguyên liệu cho quá trình khí hóa tạo ra khí nhiên liệu. Đã tìm đƣợc các thông số công nghệ (S/C, SVa và nồng độ oxy phù hợp) để khí hóa gỗ keo sản xuất khí nhiên liệu trong TBKH thuận chiều đáp ứng tiêu chuẩn nhiên liệu sử dụng cho động cơ đốt trong.
Đã đề xuất các phản ứng chính xảy ra tại các vùng của thiết bị khí hóa dựa vào nhiệt độ, tốc độ dòng khí, hàm lƣợng khí trong thiết bị và đã viết đƣợc phản ứng hóa học xảy ra từng vùng của thiết bị. Đã phát hiện ra quy luật khoa học mối liên quan giữa V, FC và vai trò của chúng đối với các phản ứng quan trọng của TBKH. Hàm lƣợng V và FC của sinh khối liên quan trực tiếp đến sự hình thành sản phẩm khí, lỏng và rắn trong quá trình nhiệt phân. Khi khí hóa sinh khối có V nhiều thì phản ứng reforming các hydrocacbon lỏng thành CO và H2 chiếm ƣu thế.
Lignin trong sinh khối đóng vai trò chính hình thành char khi nhiệt phân. Hàm lƣợng lignin lớn sẽ hình thành nhiều char khi nhiệt phân và quá trình khí hóa char tạo CO và H2 cũng sẽ có vai trò quan trọng. Cấu trúc nội dung của luận án Chƣơng 1: Tổng quan về công nghệ mới chuyển hóa sinh khối thành nhiên liệu, công nghệ khí hóa để sản xuất nhiên liệu, tiềm năng gỗ keo, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc liên quan đến đề tài. Chƣơng 2: Thực nghiệm trình bày về phƣơng pháp phân tích đặc tính kỹ thuật của gỗ keo, phƣơng pháp phân tích đặc tính nhiệt phân của gỗ keo, phƣơng pháp nghiên cứu khí hóa sinh khối, phƣơng pháp nâng cấp chất lƣợng khí.
Chƣơng 3: Thảo luận các kết quả đạt đƣợc về đặc tính kỹ thuật của gỗ keo, thảo luận về đặc tính nhiệt phân của gỗ keo, thảo luận về các thông số ảnh hƣởng đến quá trình khí hóa và nâng cao chất lƣợng khí sản phẩm. Kết luận về kết quả đạt đƣợc từ nghiên cứu đề tài luận án. Các kết quả chính của luận án đƣợc công bố trong 07 công trình khoa học, trong đó có 01 bài báo đăng trên tạp chí quốc tế, 04 bài báo đăng trên các tạp chí quốc gia và 02 báo cáo tại các hội nghị quốc tế. Các công nghệ nhiệt hóa học mới để chuyển hóa sinh khối thành nhiên liệu Phƣơng pháp chuyển hóa sinh khối bằng quá trình nhiệt hóa học là xu hƣớng nghiên cứu, ứng dụng mới trên thế giới góp phần sản xuất nhiên liệu có khả năng tái tạo, thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch và giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng.
Quá trình nhiệt hóa học là quá trình chuyển hóa nguyên liệu sinh khối có khả năng tái tạo dƣới tác dụng của nhiệt thành nhiên liệu, năng lƣợng hoặc hóa chất. Với mỗi quy trình chuyển hóa sinh khối thành hóa chất (Biomass to Chemicals (B2C)) hoặc chuyển hóa sinh khối thành nhiên liệu (Biomass to Fuel (B2F)) là các hƣớng nghiên cứu riêng đƣợc nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm. Với định hƣớng nghiên cứu khoa học phục vụ ứng dụng cho Việt Nam thì B2F có nhu cầu thực tiễn cao. Đối với công nghệ B2F thì nhiên liệu có thể sản xuất từ sinh khối đó là quá trình thủy nhiệt (Hydrothermal process) để sản xuất nhiên liệu rắn có chất lƣợng cao, quá trình nhiệt phân nhanh (flash pyrolysis) để sản xuất nhiên liệu lỏng hoặc quá trình khí hóa (gasification) để sản xuất nhiên liệu khí (bio-syngas).
Đây là các quá trình chuyển hóa sinh khối theo công nghệ mới có tiềm năng ứng dụng tại Việt Nam. Mỗi công nghệ sẽ tạo ra sản phẩm khác nhau và định hƣớng ứng dụng đƣợc thể hiện ở Bảng 1.1 Các công nghệ nhiệt hóa học chuyển hóa sinh khối Công nghệ Sản phẩm sơ cấp Ứng dụng Sử dụng trực tiếp nhiên liệu lỏng hoặc nâng cấp Nhiệt phân nhanh Dầu sinh học thành diesel xanh hoặc sản xuất hóa chất Sử dụng trực tiếp cho chu trình IGCC, IC, MCFC Khí hóa Nhiên liệu khí Nâng cấp thành nhiên liệu H2 sử dụng cho PEMFC Nhiên liệu rắn mới đốt kèm với than trong nhà Thủy nhiệt Nhiên liệu rắn máy công nghiệp IGCC (Intergrated gasification combinated cycle), IC–Gen (Internal combustion engine), MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell), PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell- pin nhiên liệu màng điện phân polymer).