DMCA.com Protection Status

Các công nghệ sản xuất năng lượng từ nguồn sinh khối rơm rạ  quan tâm

Được đăng bởi: KNV

Cập nhật lúc 11:06 ngày 26/08/2018

Các công nghệ sản xuất năng lượng từ nguồn sinh khối rơm rạ

Việc vận chuyển sinh khối là một trong những yếu tố chi phí chủ yếu đối với việc sử dụng như một nguồn năng lượng tái tạo. Các hệ thống năng lượng phi tập trung hóa mang lại một cơ hội để sử dụng sinh khối trong việc đáp ứng các yêu cầu năng lượng của địa phương, như để đun nấu và sản xuất điện. Ngược lại với rơm rạ, việc sử dụng vỏ trấu đế sản xuất năng lượng được hiện thực hóa nhanh hơn. Một yếu tố quan trọng đó là các nhà máy xay xát gạo có thể sử dụng vỏ trấu để đáp ứng các yêu cầu năng lượng của chính họ. Như một phương pháp thay thế, một nhà xay xát gạo có thể bán vỏ trấu cho nhà vận hành nhà máy điện. Việc tuyên truyền rộng rãi về sử dụng vỏ trấu để sản xuất năng lượng được thúc đẩy nhanh bởi các nhà cung cấp năng lượng, những người có giao dịch với một số lượng tương đối nhỏ các nhà xay xát gạo để cung ứng vỏ trấu, đây là một nhiệm vụ dễ dàng hơn so với việc giao dịch với hàng nghìn hộ nông dân để được cung ứng rơm rạ. Một xu thế mới gần đây là chính các nhà xay xát gạo lại sản xuất luôn cả điện và bán điện cho một mạng lưới điện. Đây được coi là một phương án lựa chọn tối ưu nhất về vấn đề cung ứng và vận chuyển.

Chi phí vận chuyển rơm rạ là trở ngại chủ yếu trong việc sử dụng chúng làm nguyên liệu sản xuất năng lượng. Nếu theo quy tắc "ngón tay cái", thì khoảng cách vận chuyển với bán kính xa hơn 25-50 km (phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng của địa phương) là không kinh tế. Đối với khoảng cách dài hơn, có thể đóng rơm thành kiện hoặc ép thành bánh ngay trên đồng, rồi vận chuyển đến nơi sử dụng. Tuy nhiên, khâu thu thập nguyên liệu trong dây chuyền cung ứng phức tạp hơn ở trường hợp rơm rạ.

Về nguyên lý có năm công nghệ chuyển hóa năng lượng khác nhau được ứng dụng cho rơm rạ, tuy nhiên mới chỉ có công nghệ đốt hiện nay đã được thương mại hóa và sử dụng đại trà, còn các công nghệ khác hoặc là đang ở giai đoạn bảo hộ sáng chế hoặc vẫn còn ở giai đoạn triển khai R-D.

Tuân theo quy luật chung về sử dụng năng lượng, mỗi một công đoạn trong dây chuyền sẽ tiêu thụ hết một lượng năng lượng nhất định và như vậy làm giảm khối lượng năng lượng thực của sản phẩm cuối cùng. Phần tiếp theo mô tả các nguyên lý của công nghệ chuyển hóa năng lượng, các kinh nghiệm và các khó khăn về kỹ thuật trong việc sử dụng rơm rạ.

Đốt nhiệt

R ơm rạ có thể sử dụng riêng hoặc trộn lẫn với các nguyên liệu sinh khối khác trong quá trình đốt trực tiếp. Trong công nghệ này, các nồi hơi đốt được sử dụng kết hợp với các tuabin hơi để sản xuất điện và nhiệt. Hàm lượng năng lượng của rơm rạ vào khoảng 14 MJ/kg ở độ ẩm là 10%. Trong quy trình đốt nhiệt, không khí được phun vào trong buồng đốt để đảm bảo sinh khối cháy hoàn toàn trong buồng đốt.


 

Công nghệ tầng hóa lỏng là một phương pháp đốt cháy trực tiếp, trong đó nhiên liệu rắn được đốt cháy ở thể vẩn (suspension) bằng nguồn cung cấp không khí bơm vào trong buồng đốt để đạt được sự cháy hoàn toàn. Một tỷ lệ không khí - nhiên liệu thích hợp được duy trì và nếu thiếu nguồn cung cấp không khí đầy đủ thì hoạt động nồi hơi sẽ gặp phải nhiều vấn đề.

Trong quy trình đốt rơm rạ ở nhiệt độ cao, kali được chuyển hóa và kết hợp với các vật liệu kiềm thổ khác như canxi. Đến lượt mình, hợp chất này lại phản ứng với các vật liệu silicat dẫn đến việc hình thành các cấu trúc nung kết chặt trên vỉ và tường của lò nung. Các hợp chất kiềm thổ còn đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành các xỉ và các chất cặn. Điều này có nghĩa là các nhiên liệu với hàm lượng kiềm thấp hơn thì sẽ ít khó khăn hơn khi đốt cháy trong nồi hơi. Các sản phẩm phụ gồm có tro bay và tro cặn đáy, có giá trị kinh tế và có thể sử dụng trong ngành sản xuất xi măng và/hoặc gạch, xây dựng đường xá và đê kè, ...

Dưới đây là các vấn đề kỹ thuật thường gặp và các biện pháp khắc phục:

(1) Nếu không được xử lý thì rơm rạ, giống như các nhiên liệu thảo mộc khác, là loại nhiên liệu không đáp ứng được các hệ thống nhiệt độ cao và hiệu suất cao do hàm lượng cao của dioxit silic và các kim loại kiềm trong tro của chúng. Việc kết hợp các thành phần vô cơ nhanh chóng gây ra tắc nghẽn nghiêm trọng trong hầu hết nồi hơi và lò đốt cháy. Sự gây tắc nghẽn này đã ngăn cản sử dụng rơm rạ ở quy mô lớn trong các nồi hơi đốt bằng sinh khối. Xử lý ngâm rơm để loại bỏ kali và clo sẽ cải thiện đáng kể giá trị nhiên liệu của rơm cho các hệ thống đốt. 2 nguyên tố này dễ dàng bị trôi theo nước ngâm. Quá trình này có thể thực hiện theo 2 cách chính: 1) rửa bằng nước mưa bằng cách để rơm ở ngoài đồng cho các nguyên tố này kết tủa tự nhiên, sau đó thu hoạch, và 2) thu hoạch rơm sau đó xử lý thông qua quy trình công nghiệp. Nhà máy hoạt động thử nghiệm cho thấy rằng hỗn hợp rơm rạ sau khi được xử lý ngâm chiết có chất lượng tương đương với trấu, và không cần phải thay đổi nhiều khi sử dụng rơm rạ được xử lý cùng với trấu.

(2) Hàm lượng kiềm của rơm rạ thường cao và các hợp chất này có đặc tính nóng chảy ở nhiệt độ tương đối thấp và tạo thành các chất lắng cặn kiềm. Biện pháp khắc phục là phải nâng điểm nóng chảy của tro bằng việc bổ sung thêm đá vôi. Điều này còn có thể gián tiếp làm giảm lượng phát xạ các khí lưu huỳnh (đặc biệt là SO2).

(3) Hàm lượng kiềm của rơm rạ cao ở nhiệt độ cao dẫn đến gia tăng sự ăn mòn và phát sinh các vấn đề kết vảy ở lò đun quá nhiệt. Mặc dù vấn đề này không thể tránh được hoàn toàn, nhưng ảnh hưởng bất lợi của nó có thể giảm nhẹ bằng cách kiểm soát nhiệt độ nồi hơi và tạo một lớp phủ đặc biệt trên bề mặt của lò đun quá nhiệt. Ngoài ra, có thể ngâm chiết kiềm và các hợp chất kiềm khi rơm rạ để dưới mưa trên các cánh đồng. Điều này có thể cải thiện được chất lượng của nguyên liệu do có thể nâng được nhiệt độ nóng chảy của tro.

(4) Hàm lượng dioxit silic của tro rơm rạ vào khoảng 75% và có điểm nhiệt độ nóng chảy thấp. Việc bổ sung thêm đá vôi lên trên vỉa lò, kiểm soát nhiệt độ bên trong nồi hơi là biện pháp cần thiết để tránh sự nung chảy dioxid silic (SiO2).

Chất lượng của sản phẩm phụ có thể không tốt nếu rơm rạ được đốt kết hợp trong các nhà máy điện đốt than, vì tro thu được có thể không thích hợp cho việc sản xuất xi măng.

Than hóa

Than hóa là một phương pháp chuyển đổi nhiệt trong đó than củi (char) - sản phẩm đầu ra của quy trình được sản xuất bằng cách đốt nóng các nhiên liệu có chứa cacbon dưới điều kiện luồng không khí hạn chế. Nhưng quy trình này giải phóng khí phát xạ có hại đối với môi trường. Có thể đạt được sản phẩm than với chất lượng cao trong một lò nung khi nhiệt độ của nó được duy trì ở 450-500oC. Trong trường hợp tốt nhất than củi có thể có hàm lượng cacbon cao hơn 70%, hàm lượng thành phần bay hơi là 25% hoặc thấp hơn và lượng tro có thể vào khoảng 5%.

Quy trình than hóa có thể lựa chọn để thay thế cho việc đốt ngoài trời tại những nơi có việc vận chuyển rơm rạ không kinh tế và địa điểm sử dụng ở cách xa hơn 50 km. Khi rơm rạ trải qua quá trình cacbon hóa, sản phẩm là than và thường được gọi là than sinh khối (biochar). Loại sản phẩm này có thể có tỷ lệ cacbon thấp hơn khi rơm rạ có hàm lượng tro cao (10-17%). Khi đó than sinh khối có thể sử dụng bằng cách trộn lẫn vào trong đất đóng vai trò như một chất điều hòa của đất bằng cách cải thiện cấu trúc và tình trạng màu mỡ của đất cũng như là một cách tiêu tán cacbon bởi vì cacbon ổn định trong than. Nhưng trước khi làm như vậy, cần tính toán sự cân đối về phát xạ cacbon giữa quá trình than hóa với việc đốt ngoài trời nhằm đảm bảo ổn định hóa một lượng cacbon ở một mức độ ổn định thông qua quá trình than hóa.

Kinh nghiệm từ việc sử dụng bã cây mía, một loại nguyên liệu cũng có mật độ thấp và sau khi than hóa thu được sản phẩm than dạng bột có thể trộn lẫn với một chất liên kết thích hợp và được định hình bằng khuôn để tạo thành than bánh. Sau đo than bánh được phơi khô dưới ánh nắng mặt trời trước khi được sử dụng làm nhiên liệu. Khả năng sử dụng rơm rạ theo cách tương tự không thể loại trừ bởi nó cũng là một nguồn phế thải trên đồng ruộng.

Nhiệt phân

Công nghệ này là một phương pháp chuyển đổi hóa - nhiệt trong đó nhiên liệu có chứa cacbon có thể dễ dàng chuyển hóa thành khí, chất lỏng, than hay một hỗn hợp của ba loại này. Nhiệt phân là một quy trình trong đó sinh khối được nung nóng trong môi trường không có không khí ở nhiệt độ khoảng 500oC. Tỷ lệ thay đổi nhiệt độ và thời gian của quá trình có thể điều khiển các thành phần khác nhau của khí và than trong hỗn hợp sản phẩm. Quy trình nhiệt phân chậm có thể nâng cao sản lượng than, đó là một sự chuyển hóa sang một dạng cacbon ổn định và hàm lượng linhin cao hơn sẽ làm tăng tỷ lệ thu hồi cacbon. Về khía cạnh này, rơm rạ là một nguồn nguyên liệu tiềm năng do có hàm lượng linhin cao 22,3% (hemicenllulose - 35,7%, cellulose - 32,0% và chất chiết từ nước - 10%). Quá trình nhiệt phân nhanh được tiến hành để nâng cao sản xuất nhiên liệu lỏng (ví dụ như dầu sinh học). Các sản phẩm phụ của quá trình nhiệt phân (chất lỏng và khí) được sử dụng để đáp ứng các yêu cầu về năng lượng của quy trình hoặc dùng để tạo ra thêm năng lượng. Từ triển vọng này, thậm chí than (củi) cũng có thể sử dụng như một loại nhiên liệu. Quá trình nhiệt phân cần một nguồn nhiệt bên ngoài, đó cũng có thể là các chất khí được giải phóng ra ngay trong quá trình. Việc sử dụng các loại khí giải phóng ra ngay trong quá trình nhiệt phân có thể cải thiện được cán cân năng lượng cũng như sự cân bằng cacbon, tuy nhiên sự phân tích này cần nghiên cứu sâu thêm và công nghệ này hiện nay vẫn còn ở giai đoạn tiến hành R-D.

Các kết quả thực nghiệm cho thấy nhiệt độ và áp suất của quy trình nhiệt phân có ảnh hưởng đến sản lượng và thành phần của dầu sinh học, trong đó kích thước hạt cũng có tác động nhỏ đến sản lượng sản phẩm. Các điều kiện tối ưu để tối đa hóa sản lượng dầu sinh học đó là nhiệt độ cực đại là 550oC với tốc độ nhiệt hóa là 5oC/phút và kích thước hạt trong khoảng từ 0,850 mm đến 8,425 mm. Việc sử dụng khí trơ làm không khí quét có thể làm tăng đáng kể sản lượng dầu sinh học, trong khi giảm lượng than và khí. Các nghiên cứu đã chỉ ra sự khác biệt ở sự hình thành khí trong quá trình nhiệt phân các dạng sinh khối khác nhau và điều này được quy cho thành phần hỗn hợp hemicellulose, cellulose và linhin. Một khối lượng nước lớn được tạo ra trong quá trình nhiệt phân do nguyên nhân hàm lượng hemicellulose cao.

Theo một cách tiếp cận khác, trong đó nước và sinh khối được đặt trong một thùng chứa dưới áp suất và có bổ sung thêm một chất xúc tác. Hỗn hợp này được đun nóng lên đến 180oC trong môi trường không có không khí. Sau 12 giờ hỗn hợp được làm lạnh. Sản phẩm đầu ra là một loại bột đen gồm các khối cầu nano than. Tuy nhiên công nghệ này hiện đang còn trong giai đoạn R-D, đòi hỏi cần tiến hành phân tích thêm về sự cân bằng năng lượng và cacbon đối với quá trình này.

Tuy vẫn còn thiếu nhiều dữ liệu liên quan đến quy trình tiền xử lý cần thiết trong quá trình nhiệt phân rơm rạ, nhưng do là loại nguyên liệu mật độ thấp nên rơm rạ cần được ép thành bánh nếu sản phẩm của quá trình nhiệt phân là than.

Khí hóa

Khí hóa là một phương pháp chuyển đổi hóa - nhiệt, trong đó sinh khối rắn được chuyển hóa trực tiếp thành khí. Quy trình này đòi hỏi nhiệt độ cao (khoảng 700oC) với một lượng không khí hoặc oxy có thể điều chỉnh được trong sản phẩm đầu ra hỗn hợp khí, được gọi là khí tổng hợp hay syngas. Có thể sử dụng rơm rạ theo cách trực tiếp trong một buồng khí hóa cùng với các nguyên liệu sinh khối khác để sản xuất syngas. Syngas có thể sử dụng cho các động cơ đốt trong (IC) để sản xuất điện hoặc sử dụng cho các nhà máy tổ hợp nhiệt điện (Combined heat and power plant - CHP) để sản xuất điện cũng như nhiệt. Mặc dù cho đến nay người ta mới chỉ tiến hành các thử nghiệm đối với rơm lúa mì (có hàm lượng tro thấp), đối với rơm rạ được dự kiến cũng có quy trình tương tự. Ở Thái Lan, vỏ trấu đã được sử dụng rất thành công trong các nồi khí hóa tầng hóa lỏng và sau khi khí đã được làm sạch nó có thể sử dụng cho các động cơ IC. Tuy nhiên, vẫn còn tồn tại các vấn đề do hàm lượng hắc ín có trong syngas sạch.

Để vượt qua những khó khăn này trong sử dụng rơm lúa mì, trường Đại học kỹ thuật Đan Mạch (DTU) cùng với các đối tác đã xác định một phương pháp mới khí hóa rơm rạ dùng lò khí hóa tầng hóa lỏng tuần hoàn nhiệt độ thấp (LT-CFB) và khí được sản xuất ra được nạp vào các nồi hơi đốt trực tiếp. Một phương pháp khác đã được thử nghiệm tại DTU đó là sử dụng một hệ thống 50-kW kết hợp với một bước ban đầu của phương pháp nhiệt phân rơm rạ. Than và các sản phẩm nhiệt phân dễ bay hơi được dẫn qua từ trên đỉnh của lò khí hóa để đốt cháy. Kỹ thuật này có thể làm giảm được rất nhiều hàm lượng hắc ín trong khí syngas, cho sản phẩm gần như không chứa hắc ín. Kỹ thuật khí hóa mới này có thể mở ra một cơ hội cho việc sử dụng có hiệu quả các nguyên liệu sinh khối mật độ thấp như rơm rạ.

Để tổng kết những kinh nghiệm về công nghệ với rơm lúa mì ở châu Âu, các vấn đề tương tự có thể phát sinh trong khi đốt cũng có thể quan sát thấy trong quá trình khí hóa, đặc biệt là sự hình thành các chất lắng cặn tính kiềm và tro nóng chảy. Các biện pháp khắc phục vấn đề về kỹ thuật này có thể kiểm soát việc tro bị mềm và nóng chảy hay có thể giữ cho nhiệt độ cực đại trong lò khí hóa thấp hơn điểm mềm hóa của tro.

Ngoài ra, các cách tiếp cận khác tồn tại theo hướng kết hợp khí hóa với sản xuất nhiên liệu lỏng sử dụng phương pháp tổng hợp Fisher-Tropsch. Quy trình này mang tên từ sinh khối đến nhiên liệu lỏng (Biomass to liquid - BtL).

Metan hóa sinh học

Đây là một phương pháp chuyển hóa sinh học trong đó rơm rạ có thể sử dụng riêng hoặc trộn lẫn với chất thải rắn đô thị/công nghiệp hay chất thải lỏng (có khả năng suy thoái sinh học) và được nạp vào các lò phản ứng sinh học. Khi được trộn với một loại nguyên liệu suy thoái sinh học khác, rơm rạ đóng vai trò như một chất đệm để kiểm soát pH cũng như sự phân rã của vật liệu cenlluloze, dẫn đến sản xuất khí sinh học (biogas). Biogas có thể sử dụng trực tiếp cho các động cơ IC hay các hệ thống CHP để sản xuất điện và nhiệt. Kể từ năm 2003-04, Viện Nghiên cứu năng lượng tái tạo Sardar Patel (SPRERI) đã tiến hành nghiên cứu về một hệ thống metan hóa sinh học rơm rạ trong cả hai quá trình thủy phân lên men mesophilic (ở nhiệt độ vừa phải) và thermophilic (ở nhiệt độ cao). Sản lượng biogas cao hơn trong quá trình lên men thermophilic, khoảng 340 L/kg (lít/kg) tổng trọng lượng chất rắn. Sản lượng biogas đạt được trong quá trình thủy phân mesophilic đạt 233 L/kg trọng lượng chất khô bổ sung thêm (giá trị calo của biogas là 6-6,5 kWh/m3) với tỷ lệ C-N là 30:1, tỷ lệ suy giảm chất rắn dễ bay hơi cực đại là 56%.

Việc nạp liệu sinh khối vào nồi ninh (thùng thủy phân lên men) liên tục hàng ngày là cần thiết để duy trì hoạt tính vi sinh ổn định. Ngoài ra, độ pH và nhiệt độ cần được giảm sát để đạt được hoạt tính vi sinh hiệu quả. Do rơm rạ thường là nguồn nguyên liệu thô và chứa các hợp chất có khả năng phân hủy hạn chế (tỷ lệ C-N rất cao, có thể lên đến 75%), nếu sử dụng riêng nó là một chất nền không tốt.

Do công nghệ này vẫn còn đang trong giai đoạn R-D, nên chưa có dữ liệu về công suất thương mại và giá trị kinh tế của nó.

Thủy phân kế tiếp quá trình lên men

Tại California, nhiều công ty đang nghiên cứu về chuyển đổi sinh học rơm rạ (tức là nguyên liệu lignocellulose) thành ethanol. Công ty Colusa Biomass Energy (CBEC) là một trong số các công ty này hiện đang tiến tới một khái niệm tinh luyện sinh học tích hợp, để có thể sản xuất được khoảng 143.000 L ethanol một ngày. Quy trình này đã được cấp bằng sáng chế. Rơm rạ được thủy phân trước tiên bằng enzym (đôi khi có thể áp dụng axit hoặc bazơ); sau đó cho lên men để sản xuất ethanol.

Trong quá trình này, có thể đạt đến sản lượng ethanol từ 303-379 L/t rơm rạ. Tro và silica (dioxit silic) là các sản phẩm phụ có giá trị thương mại. Theo phân tích về lượng, 1 kg rơm rạ có chứa 390 g celluloze. Khối lượng celluloze này về mặt lý thuyết đủ để sản xuất được từ 220 đến 283 mL ethanol. Tuy nhiên, sản lượng thực tế chỉ đạt 74%, nó có thể sản sinh ra 208 mL ethanol từ hàm lượng celluloze có chứa trong 1 kg rơm rạ. Hãng sản xuất xe hơi hàng đầu Honda đã tuyên bố rằng thế hệ xe hơi tương lai sẽ chạy bằng nhiên liệu sản xuất từ lá cây và rơm rạ. Nhiều tổ chức nghiên cứu trên phạm vi toàn thế giới hiện đang tập trung nghiên cứu công nghệ này.

Tuy nhiên, thách thức nằm ở chỗ quy trình tiền xử lý rơm rạ phải có khả năng sinh lời. Quy trình tiền xử lý này đối với rơm rạ cần các công đoạn băm nhỏ, nổ hơi (steam explosion) và xử lý enzym. Thông tin về các quy trình này vẫn còn ít bởi nhiều quy trình hiện đã đăng ký bảo hộ sáng chế.