Tổng quan nghiên cứu

Theo thống kê của ngành năng lượng, Việt Nam phát sinh khoảng 50 triệu tấn sinh khối mỗi năm từ các hoạt động nông - lâm nghiệp, nhưng chỉ có khoảng 30% đến 40% lượng sinh khối này được khai thác để cung cấp năng lượng, phần lớn bị đốt thô sơ gây lãng phí và ô nhiễm môi trường. Trong khi đó, nhu cầu than hoa chất lượng cao trên thị trường quốc tế, đặc biệt tại Nhật Bản và Hàn Quốc, liên tục ghi nhận mức tăng trưởng từ 10% đến 12% mỗi năm. Tại Việt Nam, quy trình sản xuất than hoa thương phẩm hiện nay vẫn phụ thuộc chủ yếu vào các lò hầm thủ công như lò tổ ong hoặc lò tường gạch. Các hệ thống thô sơ này đòi hỏi chu kỳ nung kéo dài từ 40 đến 45 ngày cho một mẻ, tỷ lệ than sống chưa nhiệt phân hoàn toàn vượt mức 10%, đồng thời phát thải nồng độ khí CO độc hại rất lớn ra môi trường xung quanh. Ngược lại, các công nghệ lò nhập khẩu hiện đại lại có chi phí đầu tư quá cao, dao động từ 1 đến 1,5 tỷ đồng, vượt quá khả năng tiếp cận của các hộ sản xuất địa phương.

Xuất phát từ thực tế cấp bách đó, luận văn thạc sĩ kỹ thuật nhiệt với đề tài "Nghiên cứu nhiệt phân gỗ nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm than hoa" do học viên Nguyễn Hữu Tân thực hiện dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Lê Đức Dũng tại Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt – Lạnh, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong giai đoạn 2014 - 2016 đã tập trung giải quyết cốt lõi vấn đề công nghệ. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xác định chính xác quy luật tác động của các thông số nhiệt độ, thời gian lưu và tốc độ gia nhiệt đến hiệu suất thu hồi cùng các chỉ tiêu phẩm chất của than hoa. Nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác để nâng tỷ lệ cacbon cố định lên trên 75%, đạt nhiệt trị cao trên 28 MJ/kg và tối ưu hóa thiết kế lò nung nhằm giảm thiểu hơn 70% lượng khí thải độc hại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng nhiệt động học và động học phản ứng chuyển hóa sinh khối, trọng tâm là mô hình phân hủy nhiệt nhiều giai đoạn của Broida và Shafizadeh. Mô hình này phân tích quá trình chuyển hóa các đại phân tử hữu cơ gồm cellulose (chiếm 30% - 50%), hemicellulose (chiếm 20% - 40%) và lignin (chiếm 5% - 30%) trong sinh khối thông qua 4 giai đoạn nhiệt độ đặc trưng:

  1. Giai đoạn bốc ẩm ở nhiệt độ dưới 200°C: Quá trình thu nhiệt làm bay hơi ẩm tự do và ẩm liên kết.
  2. Giai đoạn thoát chất bốc sơ cấp ở 200°C đến 280°C: Bắt đầu quá trình khử polyme tạo ra CO, CO2 và các axit hữu cơ mạch ngắn.
  3. Giai đoạn phản ứng tỏa nhiệt ở 280°C đến 500°C: Quá trình phân rã mạnh mẽ tạo khí cháy (CO, CH4, H2), hắc ín sinh học (tar) và hình thành khung than sơ cấp.
  4. Giai đoạn cracking thứ cấp ở nhiệt độ trên 500°C: Các phân tử hắc ín bị bẻ gãy hoàn toàn thành khí tổng hợp và làm giàu cacbon cấu trúc.

Bên cạnh đó, nghiên cứu vận dụng lý thuyết truyền nhiệt và truyền chất trong môi trường xốp dị thể, sử dụng chuẩn số Biot (tỷ số giữa trở lực dẫn nhiệt bên trong và đối lưu bên ngoài) cùng chuẩn số nhiệt phân Pyrolysis Number để kiểm soát trường nhiệt độ bên trong thỏi gỗ. Các khái niệm kỹ thuật then chốt được chuẩn hóa bao gồm: Nhiệt phân chậm (Slow Pyrolysis), Chất bốc (Volatile Matter), Cacbon cố định (Fixed Carbon), Độ tro (Ash Content) và Nhiệt trị cao (HHV).

[Sinh khối Gỗ: Cellulose + Hemicellulose + Lignin]
                           │
                           ▼ (Gia nhiệt không oxy: 300°C - 600°C)
      ┌────────────────────┼────────────────────┐
      ▼                    ▼                    ▼
[Sản phẩm Rắn]      [Sản phẩm Lỏng]      [Sản phẩm Khí]
- Than hoa (Char)    - Dầu sinh học       - Khí cháy: CO, CH4, H2
- Fixed Carbon >80%  - Hắc ín (Tar)       - Khí không cháy: CO2, H2O
- HHV >30 MJ/kg      - Hợp chất Phenol    - Nhiệt trị: 4 - 16 MJ/kg

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp phân tích đối chuẩn trên mô hình lò nhiệt phân kiểu ghi cố định có hệ thống điều khiển gia nhiệt tự động PID. Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ 2 loại nguyên liệu gỗ điển hình tại Việt Nam: gỗ nhãn (đại diện cho nhóm gỗ có khối lượng riêng lớn, thớ mịn) và gỗ bạch đàn (đại diện cho nhóm gỗ rừng trồng phổ biến).

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 36 mẻ thực nghiệm được chế bị đồng nhất. Phương pháp chọn mẫu tuân thủ quy trình phân tầng: các mẫu gỗ được cưa thành dạng thanh trụ đồng đều có kích thước đường kính 25 mm và chiều dài 50 mm, sau đó được sấy cưỡng bức ở nhiệt độ 105°C trong 24 giờ để đưa độ ẩm ban đầu về mức chuẩn dưới 10% đến 12%. Dải thông số khảo sát gồm nhiệt độ đỉnh từ 300°C đến 600°C (bước nhảy 50°C), thời gian lưu từ 30 đến 120 phút và tốc độ gia nhiệt từ 5°C/phút đến 50°C/phút.

Phương pháp phân tích phẩm chất than được lựa chọn căn cứ theo các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế nghiêm ngặt:

  • Xác định nhiệt trị bằng bom nhiệt lượng tự động theo TCVN 200:2011.
  • Xác định hàm lượng chất bốc bằng lò nung chuyên dụng ở 900°C theo TCVN 173:2011.
  • Xác định độ tro ở 815°C theo TCVN 172:2011.
  • Hàm lượng cacbon cố định được tính toán bằng phương pháp cân bằng khối lượng trừ đi phần trăm chất bốc và tro.

Lý do lựa chọn hệ phương pháp này là nhằm đảm bảo độ lặp lại cao, sai số thực nghiệm của cân điện tử dưới 0,001 g và cho phép so sánh trực tiếp kết quả với tiêu chuẩn than cám thương phẩm vùng Hòn Gai - Cẩm Phả theo TCVN 1790:1999.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đã làm sáng tỏ mối quan hệ định lượng giữa các thông số công nghệ và chất lượng than hoa thành phẩm:

  • Ảnh hưởng của nhiệt độ đỉnh đến tỷ lệ thu hồi và hàm lượng cacbon: Khi nhiệt độ nhiệt phân tăng từ 300°C lên 600°C với tốc độ gia nhiệt cố định 5°C/phút, tỷ lệ thu hồi than hoa giảm từ 44,8% xuống còn 28,6% đối với gỗ nhãn và từ 42,1% xuống 26,4% đối với gỗ bạch đàn. Tuy nhiên, hàm lượng cacbon cố định lại tăng trưởng vượt bậc từ 61,2% lên mức 82,4%, tương đương mức tăng 34,6%.
  • Sự suy giảm hàm lượng chất bốc và biến thiên độ tro: Hàm lượng chất bốc trong than hoa giảm mạnh từ 35,4% ở 300°C xuống chỉ còn 12,1% ở 600°C (giảm 65,8%). Độ tro tăng nhẹ từ 3,4% lên 5,5% do sự tích tụ các khoáng chất vô cơ không bay hơi trong cấu trúc xốp.
  • Tăng trưởng vượt bậc của nhiệt trị sản phẩm: Nhiệt trị cao (HHV) của than hoa tăng tuyến tính theo nhiệt độ phản ứng, đạt từ 22,4 MJ/kg ở 300°C lên tới 30,12 MJ/kg ở 600°C đối với gỗ nhãn và đạt 29,65 MJ/kg đối với gỗ bạch đàn. Mức nhiệt trị này tương đương với than cám loại 1 và loại 2 theo TCVN 1790:1999.
  • Tác động của tốc độ gia nhiệt: Thực nghiệm với 3 tốc độ gia nhiệt 10°C/phút, 30°C/phút và 50°C/phút chứng minh rằng tốc độ gia nhiệt chậm (10°C/phút) giúp tăng sản lượng than thêm 6,2% so với tốc độ gia nhiệt nhanh (50°C/phút), đồng thời cấu trúc than đặc chắc hơn và hạn chế tình trạng nứt vỡ tế vi.
Thông số nhiệt phân (°C) Tỷ lệ than gỗ nhãn (%) Tỷ lệ than bạch đàn (%) Fixed Carbon (%) Chất bốc (%) Nhiệt trị HHV (MJ/kg)
300 44,8 42,1 61,2 35,4 22,40
400 36,5 34,2 70,8 24,1 26,15
500 31,2 29,5 77,5 16,8 28,85
600 28,6 26,4 82,4 12,1 30,12

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến sự suy giảm tỷ lệ than khi tăng nhiệt độ là do các liên kết ete và polyme trong hemicellulose bị bẻ gãy hoàn toàn ở 200°C đến 350°C, tiếp theo là sự phân hủy mạnh của cellulose ở 300°C đến 400°C. Khi vượt ngưỡng 400°C, khung lignin bắt đầu thơm hóa mạnh mẽ, làm thoát các khí chứa oxy và hydro, giúp các vòng benzen tái sắp xếp tạo nên mạng lưới cacbon đa vòng có độ tinh khiết cao.

Khi so sánh với các công bố quốc tế của Demirbas và Dilek Agnin trên các loại sinh khối thực vật, quy luật biến thiên nhiệt trị và hàm lượng cacbon cố định của gỗ nhãn và bạch đàn Việt Nam hoàn toàn tương thích. Điểm nổi bật là gỗ nhãn cho hàm lượng cacbon cố định cao hơn gỗ bạch đàn khoảng 2% đến 3% ở cùng một chế độ nhiệt do mật độ khối ban đầu của gỗ nhãn lớn hơn.

Các kết quả thực nghiệm trong nghiên cứu được trực quan hóa thông qua hệ thống biểu đồ tán xạ đa trục biểu diễn tương quan giữa nhiệt độ - thời gian lưu - nhiệt trị, kết hợp với các biểu đồ cột phân bố thành phần công nghệ (chất bốc, tro, cacbon cố định) và bảng đối chuẩn với tiêu chuẩn than thương phẩm TCVN 1790:1999, giúp người đọc dễ dàng nhận diện vùng vận hành tối ưu.

Nhiệt trị HHV (MJ/kg)
  32 ┼                                                ╭── 30.12 (600°C)
  30 ┼                                    ╭───────────╯
  28 ┼                        ╭───────────╯ 28.85 (500°C)
  26 ┼            ╭───────────╯ 26.15 (400°C)
  24 ┼╭───────────╯ 22.40 (300°C)
  22 ┼╯
  20 ┼───────────────────────────────────────────────────────────
      300°C          400°C          500°C          600°C (Nhiệt độ đỉnh)

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phát hiện thực nghiệm, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao:

  1. Thiết lập chế độ công nghệ tối ưu cho các cơ sở nhiệt phân gỗ: Doanh nghiệp chế biến nên duy trì nhiệt độ đỉnh của lò trong khoảng 450°C đến 500°C, tốc độ gia nhiệt khống chế ở mức 5°C đến 10°C/phút, thời gian giữ nhiệt đẳng nhiệt từ 60 đến 90 phút. Chế độ này bảo đảm cân bằng tối ưu giữa sản lượng than (đạt 30% - 32%) và chất lượng thương phẩm (cacbon cố định đạt 75% - 78%, nhiệt trị đạt 28 - 29 MJ/kg), hoàn thành áp dụng trong quý 1 năm 2026.
  2. Cải tiến chuyển đổi lò nung thủ công sang công nghệ nhiệt phân gián tiếp thu hồi nhiệt: Các hợp tác xã và hộ kinh doanh cá thể tại địa phương cần chuyển đổi từ lò hầm đất sang lò nhiệt phân vách kim loại có đường ống hồi lưu khí syngas để tự cấp nhiệt. Giải pháp này giúp rút ngắn chu kỳ từ 45 ngày xuống dưới 10 giờ một mẻ và giảm thiểu hơn 70% khí thải độc hại, lộ trình triển khai từ 6 đến 12 tháng.
  3. Chuẩn hóa quy trình tiền xử lý nguyên liệu đầu vào: Các đơn vị sản xuất cần đầu tư hệ thống sân phơi có mái che hoặc buồng sấy tận dụng nhiệt khói thải để hạ độ ẩm phôi gỗ xuống dưới 15% trước khi nạp lò. Mục tiêu giảm tỷ lệ than sống xuống dưới 2% và tiết kiệm 20% năng lượng cấp nhiệt, thực hiện liên tục trong suốt quá trình vận hành.
  4. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cấp quốc gia cho than hoa sinh khối: Bộ Khoa học và Công nghệ phối hợp với Bộ Công Thương ban hành khung quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về than sinh học xuất khẩu, quy định ngưỡng tối thiểu cho cacbon cố định (>75%), nhiệt trị (>28 MJ/kg) và hàm lượng lưu huỳnh (<0,1%), hoàn thiện trong giai đoạn 2026 - 2027.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu chuyên khảo mang giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng:

  • Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Nhiệt, Năng lượng tái tạo: Tiếp cận phương pháp luận nghiên cứu thực nghiệm nhiệt hóa sinh khối bài bản, hệ thống mô hình động học Broida - Shafizadeh và bộ dữ liệu phân tích nhiệt trị chuẩn xác.
  • Chủ doanh nghiệp và cơ sở sản xuất than hoa, than sinh học: Vận dụng bảng chế độ nhiệt độ tối ưu nhằm nâng cao tỷ lệ thu hồi sản phẩm, kiểm soát hàm lượng cacbon cố định trên 75% và đáp ứng các tiêu chuẩn xuất khẩu sang thị trường Nhật Bản và Hàn Quốc.
  • Kỹ sư thiết kế thiết bị lò công nghiệp và xử lý chất thải: Khai thác các thông số truyền nhiệt thực nghiệm, chuẩn số Biot và số Pyrolysis để tính toán kích thước buồng phản ứng, thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt khói thải và tái đốt khí không ngưng.
  • Chuyên gia quản lý tài nguyên và hoạch định chính sách môi trường: Sử dụng các số liệu phát thải và hiệu quả chuyển đổi năng lượng để xây dựng chính sách khuyến khích chuyển giao công nghệ sạch, thay thế triệt để các lò than thủ công tại các làng nghề truyền thống.

Câu hỏi thường gặp

1. Nhiệt độ nhiệt phân bao nhiêu là tối ưu nhất để sản xuất than hoa thương phẩm?

Dải nhiệt độ tối ưu được xác định từ 450°C đến 500°C. Ở khoảng nhiệt độ này, quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ diễn ra hoàn chỉnh, đạt sản lượng than thu hồi từ 30% đến 32%, hàm lượng cacbon cố định đạt trên 75% và nhiệt trị cao vượt 28 MJ/kg mà không tiêu tốn quá nhiều năng lượng gia nhiệt.

2. Tốc độ gia nhiệt ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng than hoa như thế nào?

Tốc độ gia nhiệt chậm từ 5°C đến 10°C/phút giúp tăng tỷ lệ than thu hồi thêm 5% đến 8% so với tốc độ gia nhiệt nhanh 50°C/phút. Gia nhiệt chậm giúp khí bốc thoát ra êm dịu, giữ cho cấu trúc thỏi than đặc chắc, không bị nứt vỡ tế vi và tăng độ bền cơ học của than hoa.

3. Vì sao than hoa sản xuất bằng công nghệ nhiệt phân gián tiếp lại vượt trội hơn lò hầm thủ công?

Lò nhiệt phân gián tiếp kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ và hoàn toàn cách ly với không khí, ngăn chặn hiện tượng cháy lẹm nguyên liệu. Nhờ đó, chu kỳ nung rút ngắn từ 40 ngày xuống 8 - 10 giờ, loại bỏ tỷ lệ than sống dưới 2% và nâng nhiệt trị than lên trên 29 MJ/kg.

4. Gỗ nhãn và gỗ bạch đàn loại nào cho chất lượng than hoa tốt hơn?

Gỗ nhãn cho chất lượng than hoa cao hơn với hàm lượng cacbon cố định đạt 82,4% và nhiệt trị đạt 30,12 MJ/kg ở 600°C, so với mức 79,8% và 29,65 MJ/kg của gỗ bạch đàn. Nguyên nhân do gỗ nhãn có khối lượng riêng lớn hơn và cấu trúc thớ gỗ đặc hơn.

5. Than hoa từ gỗ có thể thay thế hoàn toàn than đá truyền thống trong công nghiệp không?

Than hoa nhiệt phân ở nhiệt độ trên 500°C đạt nhiệt trị 28 đến 30 MJ/kg, hoàn toàn tương đương với than cám thương phẩm theo TCVN 1790:1999. Đặc biệt, than hoa có độ tro rất thấp (dưới 5%) và không chứa lưu huỳnh, là nhiên liệu lý tưởng thay thế than khoáng trong luyện kim và sưởi ấm.

Kết luận

  • Công trình đã xác định chính xác ảnh hưởng của nhiệt độ từ 300°C đến 600°C, thời gian lưu và tốc độ gia nhiệt đến chất lượng than hoa từ gỗ nhãn và bạch đàn.
  • Xác lập dải thông số công nghệ tối ưu tại nhiệt độ 450°C đến 500°C với tốc độ gia nhiệt 5°C đến 10°C/phút, cho sản lượng than 30% - 32% và cacbon cố định trên 75%.
  • Sản phẩm than hoa đạt mức nhiệt trị cao 28,15 đến 30,12 MJ/kg, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật thương phẩm theo TCVN 1790:1999 và tiêu chuẩn xuất khẩu quốc tế.
  • Cung cấp cơ sở khoa học vững chắc để cải tiến các lò hầm than thủ công, giúp rút ngắn hơn 95% thời gian chu kỳ sản xuất và giảm thiểu khí thải độc hại.
  • Lộ trình tiếp theo hướng tới thử nghiệm tự động hóa hệ thống cấp nhiệt trên quy mô công nghiệp từ 5 đến 10 tấn/ngày trong giai đoạn 2026 - 2027.

Các doanh nghiệp, cơ sở sản xuất và nhà nghiên cứu quan tâm đến quy trình công nghệ hãy áp dụng ngay bộ thông số nhiệt phân tối ưu này để nâng tầm chất lượng sản phẩm than hoa và gia tăng hiệu quả kinh tế bền vững.