Chương 1: Tổng quan - Nghiên cứu, kế thừa công nghệ khí hóa nhiên liệu biomass trên thế giới. - Thực nghiệm, đo đạc, đánh giá các thông số đo đạc trên hệ thống, từ đó từng bước hoàn thiện, nâng cao hiệu suất hệ thống. Trang 5 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tìm hiểu về năng lƣợng sinh khối Năng lượng sinh khối (biomass) là nguồn năng lượng cổ xưa nhất đã được con người sử dụng khi tìm ra lửa và bắt đầu biết nấu chín thức ăn và sưởi ấm. Đây là nguồn năng lượng vô tận và dễ kiếm (gần như có thể nói nơi nào có người sống là nơi đó có biomass).
Củi là nguồn năng lượng chính cho tới đầu thế kỷ 20 khi nhiên liệu hóa thạch được tìm thấy. 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. Ở các nước đang phát triển, sinh khối thường là nguồn năng lượng lớn nhất, trung bình đóng góp khoảng 35% trong tổng cung cấp năng lượng. Vì vậy năng lượng sinh khối giữ một vai trò quan trọng trong các đề án về năng lượng được soạn thảo bởi nhiều tổ chức quốc tế và có khả năng sẽ giữ vai trò sống còn trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng của thế giới trong tương lai.
Trong những năm gần đây sự chú ý tới các công nghệ về năng lượng sinh khối nói riêng và năng lượng tái tạo nói chung đã tăng mạnh trên toàn cầu để thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch vì hai lý do. Một là do các nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt dần và hai là các nguồn này gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Khác với các công nghệ năng lượng tái tạo khác, công nghệ năng lượng sinh khối không chỉ thay thế năng lượng hóa thạch mà nhiều khi còn góp phần xử lý chất thải vì chúng tận dụng các nguồn chất thải để sản xuất năng lượng. Thậy vậy, ngay từ khi mới bắt đầu sinh ra và phát triển, biomass đã bắt đầu hấp thụ CO2 giúp loài người thoát khỏi nạn diệt chủng của CO2 để tạo nên kho chứa cacbon (C) ngay trong cơ thể mình, nó ngày càng lớn lên theo thời gian sinh tồn và đó chính là nguồn nhiên liệu (cacbon) để con người sẽ dùng đun nấu hàng ngày.
Khi đun nấu, lượng CO2 do cacbon hóa (quá trình oxy hóa) thải ra cũng gần bằng hoặc ít hơn nhiều (nếu biết cách đun nấu khoa học) chính lượng CO2 mà thực vật đã thu hút Trang 6 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết được trong suốt thời gian sinh tồn của nó. Có nghĩa là nguồn thực vật sinh khối không hề làm tăng tổng lượng CO2 của quả đất và việc sử dụng sinh khối nhiên liệu cho quá trình gas hóa trong công nghệ này sẽ không làm tăng tổng lượng CO2 của bầu khí quyển. Điều quan trọng này giúp cho chúng ta quyết tâm phát triển năng lượng sinh khối và sử dụng thực vật biomass để làm nguồn nhiên liệu sạch.2 Lịch sử hình thành học thuyết khí hóa biomass Ta có thể liệt kê tón tắt lịch sử phát triển của công nghệ khí hóa từ nhiên liệu rắn trên thế giới qua các mốc như sau: Năm 1669: Thomas Shirley đã thành công trong việc thực hiện các thí nghiệm từ hydro carborated Năm 1699: Dean Clayton thu được khí than từ thí nghiệm nhiệt ly Năm 1788: Robert Gardner được cấp bằng sáng chế đầu tiên liên quan đến việc khí hóa Năm 1792: Xuất hiện báo cáo chứng thực đầu tiên về sản phẩm khí hóa, Murdock đã dùng gas tạo ra từ than đá để thắp sáng đèn trong nhà của ông ta. Kể từ đó gas từ than đá được dùng để nấu nướng và sưởi ấm.
Năm 1801: Lampodium đã chứng tỏ khả năng sử dụng khí thải thoát ra từ việc than hóa gỗ. Năm 1804: Fourcroy đã tìm ra phản ứng khí – nước bằng phản ứng của nước với than nóng. Năm 1812: Phát minh động cơ đầu tiên sử dụng nhiên liệu từ khí hóa Năm 1840: Thiết bị khí hóa thương mại đầu tiên được sử dụng tại Pháp Năm 1861: Siemens giới thiệu kỹ thuật lò hóa khí của họ và được nhiều người quan tâm. Năm 1878: Bắt đầu sử dụng các lò hóa khí kết hợp với động cơ nổ để phát điện Năm 1900: Lò hóa khí công suất 600 Hp đầu tiên được triển lãm tại Paris.
Kế tiếp các động cơ công suất đến 5.400 Hp bắt đầu được đưa vào sử dụng thử nghiệm. Trang 7 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Năm 1901: J. Parker công bố thành công trong việc chạy xe từ nhiên liệu hóa khí. Năm 1901 – 1920: Nhiều hệ thống động cơ sử dụng nhiên liệu hóa khí để phát điện đã phổ biến.
Những năm 1930: Bắt đầu phát triển các ô tô nhỏ chạy bằng gas và thiết bị khí hóa cỡ nhỏ. Chính phủ Anh và Pháp đã nhận thấy các ô tô chạy bằng gas sinh ra từ than đó có thể phù hợp cho các thuộc địa của họ, nơi mà xăng dầu khan hiếm nhưng gỗ và than củi thì lại rất dồi dào; Tại Thụy Điển có khoản 250.000 xe được đăng ký thì có tới 90% đã chuyển đổi sang dạng dùng gas. Gần như tất cả 20.000 máy kéo dùng gas làm nhiên liệu, 40% nhiên liệu được dùng là gỗ và phần còn lại hầu hết là than đá; Đức quốc xã đẩy mạnh thực hiện chuyển đổi các động cơ trên các xe sang chạy bằng nhiên liệu khí hóa như là một phần của kế hoạch an ninh quốc gia và độc lập với nguồn dầu mỏ nhập khẩu. Sau 1945: Sau khi kết thúc Chiến Tranh Thế Giới Thứ II, với việc tìm ra nhiều nguồn xăng dầu có sẵn, giá rẻ, kỹ thuật khí hóa dần mất đi vị trí và tầm quan trọng của nó.
Năm 1950 – 1970: Trong suốt những năm này, kỹ thuật khí hóa bị bỏ quên. Nhiều chính phủ ở Châu Âu đã cảm thấy rằng tốc độ tiêu thụ gỗ ngày càng nhanh sẽ dẫn đến nạn phá rừng và các vấn đề về môi trường. Sau 1970: Trong những năm 1970 đã có những kỹ thuật mới trong việc phát điện ở quy mô nhỏ. Từ đó, người ta đã dùng các nhiên liệu khác thay cho gỗ và than đá.3 Ích lợi từ năng lƣợng sinh khối 2.1 Lợi ích kinh tế Phát triển nông thôn là một trong những lợi ích chính của việc phát triển năng lượng sinh khối, tạo thêm công ăn việc làm cho người lao động (sản xuất, thu hoạch.) Trang 8 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Thúc đẩy sự phát triển công nghiệp năng lượng, công nghiệp sản xuất các thiết bị chuyển hóa năng lượng.
Giảm sự phụ thuộc vào dầu, than, đa dạng hóa nguồn cung cấp nhiên liệu.2 Lợi ích môi trường Đây là một nguồn năng lượng khá hấp dẫn với nhiều ích lợi to lớn cho môi trường: - Năng lượng sinh khối có thể tái sinh được. - Năng lượng sinh khối tận dụng chất thải làm nhiên liệu. Do đó nó vừa làm giảm lượng rác vừa biến chất thải thành sản phẩm hữu ích. - Đốt sinh khối cũng thải ra CO2 nhưng mức S và tro thấp hơn đáng kể so với việc đốt trực tiếp.
Ta cũng có thể cân bằng lượng CO2 thải vào khí quyển nhờ trồng cây xanh hấp thụ chúng. Vì vậy, sinh khối lại được tái tạo thay thế cho sinh khối đã sử dụng nên cuối cùng không làm tăng CO2 trong khí quyển. Như vậy, phát triển năng lượng sinh khối làm giảm sự thay đổi khí hậu, giảm hiện tượng mưa axit, giảm sức ép về bãi chôn lấp v.v… Kỹ thuật đốt rác phát điện từng có lịch sử nghiên cứu phát triển hơn 30 năm trở lại đây, nhiều nhà máy ở Đức (32% lượng rác được xử lý bằng đốt rác phát điện), Đan Mạch (70%), Bỉ (29%), Pháp (38%)… đã trở thành hình mẫu cho ngành công nghệ "năng lượng và bảo vệ môi trường" này. Ở châu Á, Singapore (100% lượng rác được xử lý bằng đốt rác phát điện) và Nhật Bản (72,8%) là hai nước đi đầu trong kỹ thuật đốt rác phát điện.
Quy trình công nghệ của nhà máy điện rác tương tự như nhà máy nhiệt điện, chỉ khác ở chỗ nhiên liệu không giống nhau và phải trang bị thêm hệ thống xử lý làm sạch khói, khí khá phức tạp. Ưu điểm nổi bật của nhà máy điện rác so với các lò đốt rác thông thường chính là ở chỗ trong khi giảm trọng lượng và thể tích rác nhờ quá trình đốt, nó còn có tác dụng "tài nguyên hóa", biến rác trở thành nhiên liệu sản xuất năng lượng, "vô hại hóa" rác. Tro bụi từ lò thiêu được phân tuyển bằng từ tính, sau đó trở thành vật liệu phủ mặt đường hoặc lấp lấn biển. Trang 9 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết 2.4 Quá trình khí hóa biomass Thiết bị khí hóa là thiết bị chuyển đổi nhiên liệu biomass thành nhiên liệu gas có thể đốt được [12] Hình 2.1: Quá trình khí hóa biomass Quá trình khí hóa là sự đốt không hoàn toàn nhiên liệu rắn.
Nhiên liệu sinh khối khi đốt cháy hoàn toàn cho ra các sản phẩm nói chung đều chứa N 2, hơi nước, CO2 và O2 thừa. Tuy nhiên trong khí hóa, quá trình cháy là một sự cấp dư nguyên liệu, hay nói cách khác là việc cấp thiếu O2 (hệ số không khí thừa trong khoảng từ 0,2- 0,3). Đó là sự cháy không hoàn toàn, sản phẩm khí đốt thu được là hỗn hợp của những loại khí như CO, H2, một ít khí mêtan CH4 là các khí dễ cháy, và một số thành phần không có ích như hắc ín và bụi bẩn.5 Các phƣơng trình phản ứng chủ yếu trong quá trình khí hóa Khí hóa là một quá trình phức tạp, tuy nhiên nó được đặc trưng bởi một số phản ứng sau đây [22] C + O2 CO2 +393 MJ/kg mole (1) 2H2 + O2 2H2O - 242 MJ/kg mole (2) C + 1/2O2 CO (3) C + 2H2 CH4 +75 MJ/kg mole (4) CO + 3H2 CH4 + H2O –205,9 kJ/mol (5) CO2 + H2 CO + H2O –42,3 MJ/kg mole (6) C + CO2 2CO –164,9 MJ/kg mole (7) C + H2 O CO + H2 –122,6 MJ/kg mole (8) 2.6 Những vùng công nghệ và những phản ứng hóa học Trang 10 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Khí hóa là một quá trình chuyển đổi nhiệt hóa tương đối phức tạp. Việc tách riêng biệt các khu vực trong lò khí hóa là không dễ dàng do quá trình khí hóa xảy ra đồng thời ở mọi vùng trong lò.
Nhưng việc này lại thật sự cần thiết để có thể phân tích và hiểu rõ quá trình khí hóa. Thông thường nhiên liệu ban đầu được trải qua bốn vùng sau: - Vùng sấy nhiên liệu. - Vùng nhiệt phân.