THÔNG TIN KHCN S& HOẠT ĐỘNGs

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 12/2012 41

CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA SỬ DỤNG PHỤ PHẨM NÔNG, LÂM NGHIỆP ĐỂ PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT NHỎ

ThS. Nguyễn Minh Việt, ThS. Đỗ Anh Tuấn Viện Thủy điện và năng lượng tái tạo

Tóm tắt: Nguồn năng lượng sinh khối (biomass) từ phụ phẩm nông, lâm nghiệp ở Việt Nam rất lớn, việc tìm hiểu các công nghệ và thiết bị để khai thác nguồn năng lượng tái tạo này là rất cần thiết, nhất là trong bối cảnh thiếu hụt năng lượng ngày càng trở nên trầm trọng ở nước ta. Sử dụng Biomass vừa nhằm giảm việc sử dụng nguồn năng lượng truyền thống như thuỷ điện, dầu mỏ và than đá vừa làm giảm phát thải khí nhà kính, giảm ô nhiễm môi trường. Bài báo này nhằm giới thiệu công nghệ khí hoá (Gasification) khai thác nguồn năng lượng biomass từ phụ phẩm nông, lâm nghiệp để phát điện quy mô nhỏ cho các hộ, nhóm hộ gia đình, các cơ sở xay xát.

Summary: Biomass energy sources from agricultural by-products, forestry in Vietnam is huge, searching the technology and equipment to use renewable energy sources is essential, especially in the absence ofthe energy gap is more and more serious in Vietnam, and to reduce the use of energy sources such as hydropower, oil and coal, just as greenhouse gas emissions, reduce environmental pollution. This paper to introduce gasification technology biomass energy exploitation from agricultural products, small-scale forestry to generate electricity for households, household group, milling facilities.

I. ĐẶT VẤN ĐỀ Năng lượng đóng vai trò rất quan trọng trong sự phát triển kinh tế. Nền kinh tế càng phát triển thì nhu cầu về năng lượng càng lớn dẫn đến suy giảm nhanh chóng nguồn nhiên liệu hóa thạch, đẩy giá nhiên liệu (xăng dầu, than, khí…) lên cao và gia tăng lượng khí CO2 thải vào khí quyển, gây nên hiệu ứng nhà kính, biến đổi khí hậu toàn cầu. Do đó, ngoài những nghiên cứu giải pháp sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả thì nghiên cứu, ứng dụng những công nghệ mới nhằm phát triển, tạo ra nguồn năng lượng thay thế, bổ sung cho các nguồn năng lượng hoá thạch cần được quan tâm. Nguồn năng lượng biomass từ phụ phẩm nông, lâm nghiệp (rơm, trấu, phoi bào, gỗ, xơ dừa, vỏ cà phê, bã mía, thân và lõi ngô, lạc…) là một trong những nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạo cần được quan tâm nghiên cứu khai thác. Trên thế giới, công nghệ gasification (công nghệ khí hoá) sử dụng phụ phẩm nông, lâm nghiệp để tạo ra gas cho đun nấu, hệ thống lò sưởi, chạy máy phát điện, chiết suất thành nhiên liệu khí hoá

lỏng... đã được ứng dụng rất nhiều. Ở Việt Nam, công nghệ này cũng đã được một số cơ sở nghiên cứu và ứng dụng để chế tạo các bếp khí hoá đun nấu cho hộ gia đình hoặc tạo nhiệt cho hệ thống sấy nông sản. Tuy nhiên, chưa có nhiều nghiên cứu ứng dụng công nghệ gasification sử dụng phụ phẩm nông, lâm nghiệp để phát điện, trong khi nguồn nguyên liệu này ở nước ta rất lớn. Bài báo này giới thiệu về công nghệ gasification sử dụng phụ phẩm nông, lâm nghiệp để phát điện công suất nhỏ cho các hộ hoặc nhóm gia đình, cơ sở chế biến nông, lâm sản, cơ sở xay xát phù hợp với điều kiện kinh tế xã hội ở Việt Nam. II. NĂNG LƯỢNG BIOMASS LÀ GÌ? Biomass là một nguồn năng lượng lưu trữ năng lượng mặt trời dưới dạng các chất hoá học thông qua quá trình quang hợp. Hai quy trình lưu trữ và chuyển hóa năng lượng mặt trời vào nhiên liệu biomass được thể hiện như trong hình dưới đây:

THÔNG TIN KHCN S& HOẠT ĐỘNGs

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 12/2012 42

Hình 2: Các nguồn năng lượng biomass chính

- Quy trình 1: Dưới tác động của năng lượng mặt trời, nguồn CO2 và H2O tổng hợp nên glucozo thành phần tạo nên xenlulozo hay tinh bột của cây xanh thông qua quá trình quang hợp:

6CO2 + 6H2O C6H12O6 + O2

- Quy trình 2: Cây xanh chết đi được phân hủy hoặc đốt hình thành nên CO2, H2O và bắt đầu một chu trình mới:

C6H12O6 + O2 6CO2 + 6H2O

Như vậy, nguồn năng lượng biomass tồn tại trong tất cả các loài thực vật.

III. TIỀM NĂNG NĂNG LƯỢNG BIOMASS Ở VIỆT NAM

Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới nắng và mưa nhiều nên các loài thực vật phát triển nhanh. Ba phần tư lãnh thổ là đất rừng, sản xuất nông nghiệp chiếm tỷ trọng cao trong nền kinh tế nên Việt Nam có nguồn năng lượng biomass rất lớn.

Theo Viện Năng lượng – Bộ Công thương [1], tiềm năng năng lượng biomass ở Việt Nam như sau:

Hình 1: Chu trình chuyển hóa và lưu trữ năng lượng mặt trời trong năng lượng biomass

THÔNG TIN KHCN S& HOẠT ĐỘNGs

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 12/2012 43

Bảng 1-Tiềm năng năng lượng biomass từ gỗ

Nguồn Tiềm năng

(triệu tấn) Quy dầu tương đương(triệu toe)

Tỷ lệ

(%)

Rừng tự nhiên 6,842 2,390 27,2

Rừng trồng 3,718 1,300 14,8

Đất không rừng 3,850 1,350 15,4

Cây trồng phân tán 6,050 2,120 24,1

Cây công nghiệp và ăn quả 2,400 0,80 9,6

Phế liệu gỗ 1,649 0,580 6,6

TỔNG 25,090 8,780 100,0

Bảng 2- Tiềm năng năng lượng biomass từ phụ phẩm nông nghiệp

Nguồn Tiềm năng(triệu tấn) Quy dầu tương

Đương (triệu toe)

Tỷ lệ

(%)

Rơm rạ 32,52 7,30 60,4

Trấu 6,50 2,16 17,9

Bã mía 4,45 0,82 6,8

Các loại khác 9,00 1,80 14,9

TỔNG 53,43 12,08 100,0

IV. CÁC CÔNG NGHỆ PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG BIOMASS

- Phương pháp đốt trực tiếp - Direct Combustion: là công nghệ đốt các nguyên liệu để trực tiếp tạo ra nhiệt năng. Nguyên liệu đốt là rất đa dạng như gỗ,

rác thải, rơm rạ, và khí sinh học. Nhiệt tạo ra có thể được sử dụng để sưởi ấm không gian (ví dụ, hệ thống sưởi của các tòa nhà), để nấu ăn và cũng có thể được sử dụng để đun sôi nước, tạo ra hơi nước sử dụng cho chạy tuabin phát điện.

Hình 3: Quy trình cơ bản hệ thống đốt cháy trực tiếp sinh điện từ năng lượng biomass

- Đồng đốt – Cofiring: Cofiring là quá trình đốt cháy của hai hay nhiều nhiên liệu khác nhau trong cùng một hệ thống đốt. Nhiên liệu sử dụng có thể

là nhiên liệu rắn, nhiên liệu lỏng hoặc khí. Đối với hệ thống năng lượng biomass, thường sử dụng nguyên liệu hỗn hợp biomass và than đá:

THÔNG TIN KHCN S& HOẠT ĐỘNGs

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 12/2012 44

Hình 4: Cộng nghệ đồng đốt – Cofiring than đá và biomass

Lợi ích của công nghệ đồng đốt cofiring than đá + Biomass:

+ Giảm ô nhiễm môi trường do giảm lượng khí thải CO2, SOx và NOx

+ Đem lại hiệu quả kinh tế do giá thành nguyên liệu biomass rẻ hơn than đá.

+ Công nghệ này cho phép sử dụng nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau nên một thiết bị có sẵn, cũng có thể sử dụng nguồn nguyên liệu biomass mới mà không cần phải thay đổi dây chuyền thiết bị, do vậy tiết kiệm chi phí thiết kế chế tạo thiết bị phát điện.

- Biofuel Ethanol: Tinh bột có trong ngô, khoai tây, củ cải đường, mía, lúa mì, lúa mạch,… có thể được chuyển thành rượu (ethanol) qua quá trình lên men. Nguyên liệu sản xuất ethanol còn có thể lấy từ nguồn xenlulozo có trong gỗ và cây trồng tổng hợp lên. Ethanol thường được sử dụng cho công nghiệp hóa chất, song nó cũng có thể sử dụng làm nguyên liệu đốt trong các động cơ đốt trong và tuabin máy phát điện. Tuy nhiên ứng dụng phát điện của nó lại nằm trong quy trình sản suất ethanol: song song với quá trình sản xuất ethanol, quá trình còn tạo ra nguyên liệu đốt chất gỗ có trong ngô, khoai tây, củ cải đường, mía, lúa mì, lúa mạch… dùng để sản xuất điện.

                                                           

 

Hình 5: Sơ ₫ồ quy trình sản xuất rượu ethanol và tận dụng phụ phẩm chất gỗ ₫ể phát ₫iện

THÔNG TIN KHCN S& HOẠT ĐỘNGs

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 12/2012 45

- Khí hóa – Gasification: là quá trình đốt cháy nguồn nguyên liệu biomass trong môi trường thiếu ôxi để sản sinh ra các chất khí dễ cháy bao gồm Carbon monoxide (CO), hydro (H2) và một phần khí metan (CH4). Hỗn hợp này được gọi là hỗn hợp khí cháy (tài liệu nước ngoài thường viết là producer gas - sinh khí). Hỗn hợp khí cháy có thể được sử dụng để chạy động cơ đốt trong (cả loại động cơ nén cao áp và loại động cơ đánh lửa), cũng có thể được sử dụng để sản xuất methanol (CH3OH) - nhiên liệu cho động cơ nhiệt cũng như là nguyên liệu cho ngành công nghiệp hóa chất và quan trọng là nguyên liệu cho hệ thống máy phát điện thông qua động cơ đốt trong để tạo công cơ học làm quay máy phát tạo ra nguồn điện.

                                                     

 

                                               

Hình 6: Chu trình hệ thống khí hóa gasification

Hình 7: Sơ ₫ồ nguyên lý công nghệ một hệ thống khí hóa phát ₫iện cỡ nhỏ

V. NGUYÊN LÝ CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA GASIFICATION

Với quy mô nhỏ, hiệu suất cao, hệ thống phát điện khí hóa gasification đang là công nghệ hiện đại và phù hợp với tiềm năng biomass ở Việt Nam. Trong phần này sẽ giới thiệu công nghệ khí hóa gasification biomass để tạo ra tổ hợp khí gas cấp

cho động cơ đốt trong chạy máy phát điện quy mô công suất nhỏ cho các hộ gia đình và các cơ sở chế biến nông lâm sản, phù hợp với điều kiện Việt Nam.

Các quá trình diễn ra trong bộ khí hóa (Gasifer) gồm 4 giai đoạn: Làm khô, nhiệt phân, đốt cháy và sinh khí.

THÔNG TIN KHCN S& HOẠT ĐỘNGs

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 12/2012 46

Hình 8: Bốn quá trình khí hóa nguyên liệu biomass

Quá trình làm khô – Drying: Đây là quá trình làm khô nguyên liệu biomass thô dưới tác dụng của nhiệt. Nhiệt cung cấp ở đây được thực hiện trong một chu trình nhiệt động học khép kín của hệ thống lò khí hóa diễn ra trong quy trình đốt khí hóa. Tầng làm khô đặt trên tầng nhiệt phân (Pyrolysis). Thành phần hóa học tổng quát của nguyên liệu biomass là CxHyOz:

ot

x y Z 2 x y Z 2C H O .nH O C H O nH O→ + Quá trình nhiệt phân – Pyrolysis: Đây là quá trình oxi hóa không có ôxi không khí dưới tác dụng của nhiệt độ cao. Nhiệt được cung cấp ở tầng đốt cháy trong lò khí hóa. Tầng nhiệt phân đặt giữa tầng đốt cháy (Combustion) và tầng làm khô:

ot

x y Z 2 2 2C H O C CO H CO H O→ + + + + +

Tạp chất

Sau quá trình nhiệt phân thành phần chủ yếu là than (C) và hệ thống khí và hơi (CO + H2 + CO2 + H2O) và những tạp chất với thành phần nguyên tố hóa học khác như H2S.

Quá trình đốt cháy – Combustion: Quá trình đốt cháy được thực hiện ở tầng đốt có đường ống dẫn

không khí chứa ôxy vào và đốt cháy hỗn hợp C + CO + H2 + CO2 + H2O. Sản phẩm khí sau khi đốt sẽ chỉ còn lại là CO2 + H2O và một phần khí N2 trong không khí có thể được coi là khí tạp chất (sẽ được làm sạch trong hệ thống làm nguội và lọc sau hệ thống lò khí hóa Gasifer):

2O

2 2 2 2 2C CO H CO H O CO H O+

+ + + + → + Một phần C rắn nóng không cháy hết được chuyển sang tầng nén phía dưới.

Quá trình sinh khí – Reduction: Đây là quá trình thực hiện trong tầng sinh khí của lò khí hóa. Các khí CO2 + H2O sau quá trình đốt được dẫn qua than nóng (của quá trình nhiệt phân lắng xuống) để thực hiện quy trình phản ứng hóa học tạo ra khí đốt cháy CO và H2:

ot

2 2 2CO H O 2C 3CO H+ + → + Như vậy sau khi qua lò khí hóa, hệ thống khí thu được gồm các khí đốt CO + H2 và một phần khí tạp chất. Hỗn hợp khí này sau khi qua hệ thống lọc và làm nguội sẽ chỉ còn khí CO + H2 và được chuyển tới máy phát điện tuabin khí đốt và sinh điện. Quá trình sinh khí này là hoàn toàn tự động.

THÔNG TIN KHCN S& HOẠT ĐỘNGs

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 12/2012 47

Các phản ứng hóa học chính được tổng hợp trong bảng dưới đây:

Giai đoạn khí

hóa Phương trình phản ứng

(Số phản ứng)/

Loại phản ứng

Nhiệt phản ứng

KJ/Kmol

Làm khô ot

x y Z 2 x y Z 2C H O .nH O C H O nH O→ + (1) Đề hiđrô hóa <0

x y z a bC H O C H CO→ + (2) Nhiệt phân <0 Nhiệt phân

x y z m n pC H O C H O→ (3) Nhiệt phân <0

22C O 2CO+ → (4) Ôxy hóa 1 phần +110,700 

2 2C O CO+ → (5) Quá trình ôxy hóa CO +283,000 

2 22CO O 2CO+ → (6) Ôxy hóa hoàn toàn +393,790 

2O

x y z 2 2C H O CO H O+

→ + (7) Ôxy hóa hoàn toàn >>0 

2 2 22H O 2H O+ = (8) Ôxy hóa Hyđro +241,820 

2 2 2CO H O  CO H+ → + (9) Ôxy hóa khử H2O/CO + 41,170 

Đốt cháy (ôxy hóa)

2 4 2CO 3H CH H O+ → + (10) Ôxy hóa khử tạo Mêtan +206,300 

2 2C H O  CO H+ → + (11) Ôxy hóa khử sinh khí hóa ‐131,400 

2C CO   2CO+ → (12) Ôxy hóa khử sinh khí CO ‐172,580 

2 2 2CO H   CO H O+ → + (13) Ôxy hóa khử sinh khí CO ‐41,170 

Sinh khí

2 4C 2H   CH+ → (14) Ôxy hóa khử sinh khí CH4

+74,900 

Bảng 1: Bốn giai ₫oạn chính của quá trình khí hóa biomass [3].

Các sản phẩm khí hóa có thể được diễn tả tổng quát bằng phương trình sau:

( )6 10 5 2 X Y L M N 2nCarbohydrate thaønh phaàn chính C H O O C H C H O CO H Q (Nhieät löôïng)+ → + + + + Các phản ứng khí hóa diễn ra ở nhiệt độ khá

cao trong môi trường ôxy thiếu từ không khí. Hình ảnh sau thể hiện khoảng nhiệt phản ứng các giai đoạn

THÔNG TIN KHCN S& HOẠT ĐỘNGs

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 12/2012 48

Hình 9: Giải đồ nhiệt quá trình đốt cháy, nhiệt phân và khí hóa

Một số máy phát điện công suất nhỏ trên thế giới hiện đã được thương mại hoá:

Máy phát điện Xuzhou Renhe New Energy Co., Ltd. của Trung Quốc công suất 2-5kW

Máy phát ₫iện nhiệt khí hóa Victory Gasifier công suất 5-15 kw ₫iện, 3 kw nhiệt của công ty Victory Gasworks, Mỹ

THÔNG TIN KHCN S& HOẠT ĐỘNGs

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 12/2012 49

Máy phát điện GEK Power Pallet của Thổ Nhĩ Kỳ công suất 10-20kW

 

VI. KẾT LUẬN

Bài báo đã trình bày một cách tổng quát nhất về các công nghệ ứng dụng sử dụng nguyên liệu biomass để phát điện trên thế giới hiện nay, với quy mô công suất nhỏ cho hộ gia đình và các cơ sở chế biến nông lâm sản. Công nghệ khí hóa có hiệu suất cao, thiết bị gọn nhẹ, có thể nghiên cứu và chế tạo trong nước phù hợp với nhu cầu phát điện công suất nhỏ, thích ứng với nguồn năng lượng biomass ở Việt nam. Loại thiết bị hiện đang được Viện Thuỷ điện và Năng lượng tái tạo triển khai nghiên cứu chế tạo để khai thác hiệu quả các nguồn biomass sẵn có ở nước ta, góp phần bổ sung một phần năng lượng điện năng cho quốc gia, đồng thời

góp phần bảo vệ môi trường, tăng thêm thu nhập cho người dân vì có thể bán được các phụ phẩm nông lâm nghiệp. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]http://www.khihoa.com/2011_12_01_archive.html [2]  http://wiki.gekgasifier.com/w/page/6123718/FrontPage.  [3]  J.B.Jones&G.A.Hawkins:Engineering Thermodynamics,1986,p.456. [4http://www.instructables.com/id/Building‐the‐GEK‐Gasifier‐in‐seven‐parts 

Người phản biện: PGS.TS Nguyễn Vũ Việt

Bình tiếp nhiên liệu đủ trong

Bình lọc thô

Bình lọc tinh

Bình đốt, nơi xảy ra các phản ứng nhiệt hó h

Cửa ra tro

Bệ máy di động