DMCA.com Protection Status

Kinh nghiệm xử lý rơm rạ và tận dụng làm nguồn nguyên liệu sản xuất năng lượng tại Trung Quốc  quan tâm

Được viết bởi: KNV

Cập nhật lúc 11:04 ngày 26/08/2018

Các nguồn rơm rạ ở Trung Quốc

Là một nước nông nghiệp lớn, Trung Quốc có nguồn rơm rạ dồi dào. Rơm rạ chiếm phần lớn nguồn năng lượng sinh khối của Trung Quốc, tới 72,2%. Hiện tại, đốt cháy rơm trực tiếp được sử dụng chủ yếu trong sản xuất năng lượng sinh khối ở Trung Quốc, việc này dẫn tới một số vấn đề rắc rối. Một mặt, ở một số vùng thiếu rơm sẽ dẫn tới việc đốn những số lượng lớn gỗ để bù vào số lượng rơm thiếu, làm gây ra những tổn thất nặng nề cho môi trường sinh thái địa phương. Mặt khác, ở những vùng trù phú, nơi có đủ năng lượng thương mại, thì rơm bị loại bỏ, thậm chí được đốt trên đồng, làm phí hoài nguồn nhiên liệu này và gây ô nhiễm môi trường. Vì vậy, ngày càng có sự chú trọng tới việc tận dụng rơm với hiệu suất và mức độ hợp lý cao ở Trung Quốc.

Lúa là một trong những cây trồng chính ở miền Trung và Nam Trung Quốc, hằng năm có 230 triệu tấn rơm lúa được sản sinh ra. Rơm thường được coi là các sản phẩm dư thừa hoặc sản phẩm phụ của việc thu hoạch mùa vụ. Mặc dù đã có một số phương pháp để tái sử dụng rơm rạ, ví dụ như làm thức ăn cho động vật, nhiên liệu đun nấu, sưởi, làm giấy, một lượng lớn rơm rạ vẫn chưa được sử dụng và đốt trên đồng, gây ra nhiều vấn đề về môi trường và an toàn, ví dụ như ô nhiễm và cháy nổ. Mặt khác, rơm rạ là vật liệu hữu cơ và có thể được sử dụng để sản xuất biogas thông qua phân hủy kị khí, vì vậy mang lại một cách mới để tận dụng rơm rạ và giảm thiểu ô nhiễm.

Công nghệ kị khí đã được ứng dụng rộng rãi để chuyển hóa nhiều chất thải hữu cơ, nhưng rất ít thử nghiệm được thực hiện để nghiên cứu tiềm năng sử dụng rơm rạ làm nguồn nguyên liệu sản xuất biogas. Lý do chính là vì rơm rạ chứa một tỷ lệ polysaccharides và lignin lớn. Ở Trung Quốc, rơm thường được ước tính theo sản lượng của các cây trồng. Bảng 9 liệt kê các loại rơm chính ở Trung Quốc.

Số lượng rơm tính theo các loại cây trồng ở Trung Quốc năm 2002 (đơn vị 106 tấn)

Cây trồng

Sản lượng cây trồng

Hệ số

Sản lượng rơm

Tỉ lệ

Lúa gạo

174,54

0,623

108,74

17,53

Lúa mỳ

90,29

1,336

108,74

19,45

Ngô

121,31

2

242,62

39,12

Đỗ

22,412

1,5

33,62

5,42

Cây thân củ

36,559

0,5

18,33

2,96

Cây trồng chứa dầu

28,972

2

57,95

9,34

Bông

4,916

3

14,75

2,38

Cây gai dầu

0,964

2,5

2,40

0,38

Cây trồng lấy đường

102,927

0,1

10,29

1,66

Các cây trồng khác

10,941

1

10,94

1,76

Tổng

 

 

620,27

100


Tận dụng chính của rơm trong năng lượng sinh khối

Trung Quốc có nguồn rơm rạ dồi dào, sản lượng của rơm đã tăng đạt tỷ lệ 1,4% hằng năm. Các hướng chính sử dụng rơm ở Trung Quốc là: làm giấy, làm thức ăn cho súc vật, nguồn năng lượng cho nông thôn, và tái chế trên đồng và thu lượm. Vì vậy, nguồn năng lượng chiếm hơn nửa việc sử dụng rơm, thậm chí chiếm 100% ở một số khu vực nông thôn nghèo nàn. Chính phủ Trung Quốc đã đề ra tầm quan trọng của việc phát triển và sử dụng sinh khối như một nguồn năng lượng và đã tiến hành việc nghiên cứu và phát triển trên phạm vi rộng và lâu dài các công nghệ chuyển hóa năng lượng sinh khối mới nhất thông qua Chương trình Quốc gia về Các dự án Khoa học và Công nghệ cốt lõi từ những năm 1950 và đã thu được những thành công bước đầu trong các lĩnh vực công nghệ: đốt cháy trực tiếp, chuyển hóa sinh hóa và lý hóa, gồm lò cải tiến, biogas, khí hóa và than bánh.

Những công nghệ này đã được thương mại hóa và trở nên phổ biến ở Trung Quốc.

- Sản xuất nhiên liệu sinh học từ rơm rạ

Trên lý thuyết, sinh khối có thể được chuyển hóa thành nhiên liệu sinh học với sự hỗ trợ của vi khuẩn làm phân hủy chúng thành các chất hóa học hữu dụng. Một hướng ứng dụng như vậy đã được sử dụng ở hơn 30 nước trên toàn thế giới để giúp chuyển hóa ngô, rỉ đường và các loại cây trồng khác thành nhiên liệu ethanol, một dạng của nhiên liệu sinh học. Tuy nhiên, các nhà khoa học vẫn chưa tiếp cận tới nguồn rơm rạ để chế tạo nhiên liệu sinh học bởi vì vi khuẩn không thể dễ dàng phân hủy cellulose ở rơm, do các cấu trúc vật lý và hóa học phức tạp tạo nên loại sinh khối này. Hiện giờ, các nhà khoa học Trung Quốc đã phát triển một phương pháp tiền xử lý rơm rạ của cây lúa làm tăng tiềm năng sản xuất nhiên liệu sinh học của nó. Họ trộn rơm với nước kiềm trước khi cho vi khuẩn vào để lên men. Nước kiềm giúp cho rơm có khả năng phân hủy sinh học hơn. Nhà nghiên cứu Xiujin Li của trường đại học Bắc Kinh cho biết, tất cả công đoạn được thực hiện ở nhiệt độ thường mà không cần tăng năng lượng và với lượng nước tối thiểu, đã giúp cho quy trình này trở nên “đơn giản, nhanh, tiết kiệm chi phí và thân với môi trường”.

Kỹ thuật sử dụng nước kiềm này còn cho phép các nhà nghiên cứu nâng sản lượng của biogas, một hỗn hợp của nhiên liệu metan với cácbon điôxit, tới 65%. Ba cơ sở thí điểm sử dụng công nghệ này đã được xây dựng ở Trung Quốc. Kế hoạch là xây dựng các trạm biogas tập trung cho các thị trấn để cung cấp nhiên liệu sinh học cho các hộ gia đình thông qua các đường ống dẫn ngầm dưới đất. Các chất dư thừa của rơm rạ còn lại sẽ được quay trở lại làm phân hữu cơ tưới cho các cánh đồng. Theo nhóm nghiên cứu, cách thức này sẽ khiến cho rơm rạ được tái chế hoàn toàn. Mặc dù cácbon điôxit sẽ được tạo ra trong quy trình này, gây ra hiệu ứng nhà kính, nhưng nhóm nghiên cứu cho rằng cây lúa sẽ hấp thụ lại cácbon điôxit từ không khí trong quá trình sinh trưởng.

- Nhiệt khí hóa rơm rạ:

Nhiệt khí hóa đề cập tới việc chuyển hóa sinh khối lignocellulosic thành khí đốt cháy bằng cách nung nóng nó tới nhiệt độ cao tương đối. Ở một số bộ khí hóa thông thường được sử dụng ở Trung Quốc hiện nay, một số sinh khối được đốt trong không khí để cung cấp nhiệt cần thiết cho việc khí hóa. Những bộ khí hóa thổi khí như vậy sản sinh ra khí, thường được gọi là “khí than nung” (producer gas) bao gồm chủ yếu là cacbon monoxit và hydro với vai trò là các thành phần phát cháy. Trung Quốc bắt đầu nghiên cứu các công nghệ khí hóa đối với các sản phẩm dư thừa mùa vụ và gỗ thải loại từ thập niên 50 của thế kỷ trước. Đầu những năm 80, các hệ khí hóa dựa trên trấu, sử dụng một bộ khí hóa tầng cố định dòng hút xuống (downdraft fixed-bed gasifier) và một động cơ máy phát do Trung Quốc chế tạo, đã được áp dụng vào công nghiệp chế biến thực phẩm với công suất từ 60 kW tới 160kW. Những hệ thống này sau đó đã ngừng hoạt động do chi phí bảo dưỡng cao và độ tin cậy thấp. Những nỗ lực nghiên cứu lại được tái khởi động vào giữa thập niên 1980 để phát triển các hệ khí hóa đối với rơm rạ để sản xuất khí than nung ở quy mô làng xã một cách tập trung để cung cấp khí thông qua một hệ thống đường ống tới các hộ gia đình sử dụng chủ yếu để nấu nướng. Viện Nghiên cứu Năng lượng tỉnh Sơn Đông (Shandong) đã phát triển các hệ khí hóa tầng cố định dòng hút xuống có khả năng chuyển hóa rơm của cây ngô, cao lương, bông và đậu tương. Hiệu suất khí hóa theo báo cáo đạt từ 72% tới 75% ở các đơn vị sản xuất từ 200 tới 500 m3/giờ, đủ lớn để phục vụ cho 200 tới 1000 hộ gia đình. R&D hiện cũng được tiến hành ở các công nghệ khí hóa tiên tiến hơn, bao gồm các công nghệ chuyển nhiệt từ sinh khối một cách không trực tiếp, vì vậy tránh được sự làm loãng ni tơ, để sản sinh ra khí có giá trị nhiệt trung bình (vào khoảng 1/3 giá trị nhiệt của khí tự nhiên). Viện Hàn lâm Các khoa học Môi trường Dalian, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Viện Chuyển hóa Năng lượng Guangzhou (Quảng Châu) đã thực hiện nhiều nỗ lực. Một số hệ thống thí điểm dựa trên những công nghệ này đã cho thấy có tiềm năng tốt.

Việc tận dụng rơm hiện tại trong lĩnh vực năng lượng sinh khối được thực hiện theo một số khía cạnh sau:

(1) Đốt cháy trực tiếp: Đây là cách sử dụng chính và truyền thống của rơm cho năng lượng sinh khối. Với mức tiêu chuẩn sống của nông thôn được tăng lên gần đây, đã có những thay đổi diễn ra trong cơ cấu của năng lượng nông thôn nhưng rơm rạ vẫn là một trong những nguồn nhiên liệu chủ yếu của nông thôn, chiếm tới 33-45% tiêu thụ năng lượng sử dụng để sinh sống và chủ yếu là ở các lò đốt thiếu hiệu quả. Năm 1980, chính phủ Trung Quốc đã khởi động Chương trình Quốc gia về thí điểm lò đốt cải tiến địa phương (NISPCP) trên toàn quốc với mục đích cải thiện hiệu quả năng lượng. Một số cải tiến công nghệ như hình dạng của khoang đốt, kích cỡ cửa tiếp nhiên liệu, lò và hầm tro đều đã đóng góp thành tựu cho thế giới. Hiệu suất của lò cải tiến hiện nay đã đạt hơn 20-25% trong khi các loại lò cũ chỉ đạt 10-12%. Tới cuối năm 2000, hơn 189 triệu hộ nông dân đã thay thế các loại lò cũ của họ bằng lò cải tiến, chiếm tới 78,4% trong các hộ nông thôn.

(2) Phân hủy kị khí (hay công nghệ biogas) là công nghệ chuyển hóa sinh học được áp dụng rộng rãi ở Trung Quốc, đặc biệt là ở các vùng nông thôn. Tới cuối năm 2000 đã có 7,64 triệu bể biogas ở hộ gia đình. Sản lượng biogas đã tăng từ 31,46 lên 37,49 m3 trong giai đoạn 2000 tới 2002. Từ giữa thập niên 80 của thế kỷ trước, nông dân bắt đầu xây dựng các bể biogas bằng nguồn tiền của chính mình cộng với một tỷ lệ tài trợ nhỏ của chính phủ. Sau giai đoạn này, hướng dẫn kỹ thuật chuẩn đã được tăng cường. Công nghệ mới và các sản phẩm mới như đèn biogas và đồng hồ đo áp xuất bếp lò đã được áp dụng vào hàng trăm nghìn gia đình. Bể phân hủy biogas được sử dụng rộng rãi ở các vùng nông thôn là bể phân hủy biogas thủy lực, chiếm tới 90% và được đánh giá trên toàn thế giới là “Mô hình bể phân hủy biogas của Trung Quốc”. Hiện tại, ở Trung Quốc có các mô hình “4 trong 1”: kết hợp bể chứa biogas, chuồng lợn, nhà kính và nhà vệ sinh (ở miền Bắc), mô hình “3 trong 1” gồm: “Lợn-biogas-trái cây”, hoặc “Lợn-sinh khối-rau”, hoặc “Lợn-sinh khối-hạt” (ở miền Nam).

(3) Khí hóa rơm rạ: Công nghệ này sử dụng để chiết xuất nhiên liệu khí từ rơm trong bộ khí hóa. Từ kế hoạch 5 năm lần thứ 7 tới lần thứ 9, hàng trăm dự án thí điểm khí hóa rơm rạ đã được thiết lập và vận hành thành công. Hiện nay, có hơn 40 nhà máy và xí nghiệp cung cấp các phương tiện và dụng cụ khí hóa sinh khối ở Trung Quốc. Tới cuối năm 2000, 388 bộ hệ thống khí hóa rơm rạ để cung cấp khí tập trung đã được xây dựng, cung cấp biogas tới 150 triệu mét khối, tiêu thụ 8,7x107 tấn.

(4) Than bánh rơm: công nghệ than bánh rơm đề cập tới việc nén rơm thành bánh trong đó dung lượng độ ẩm đạt 10% ở mọi loại nhiên liệu được thành hình ví dụ như dạng thanh, dạng khối và dạng viên dưới áp lực nhất định (nhiệt hoặc phi nhiệt). Hiện tại, các dạng máy chế tạo than bánh rơm chính được phát triển ở Trung Quốc là máy ép pittong và máy ép kiểu vít. Ngoài ra, còn có một dạng máy đóng than bánh nữa là máy ép pittong thủy lực và máy ép cuộn. Nghiên cứu về công nghệ than bánh rơm ở Trung Quốc đã được phát triển từ 20 năm trước đây khi Viện Các sản phẩm Lâm nghiệp Công nghiệp hóa tiến hành nghiên cứu về công nghệ than bánh rơm sinh khối trong suốt Kế hoạch 5 năm lần thứ 7 của Trung Quốc. Quá trình R&D công nghệ than bánh rơm sinh khối có thể được chia làm 3 giai đoạn. Trước năm 1995, tập trung vào phát triển công nghệ cơ bản, từ 1995-2005, công nghệ thế hệ đầu tiên được thực hiện để thúc đẩy ngành công nghiệp quy mô nhỏ. Sau năm 2005, công nghệ này sẽ được cải tiến và nâng cấp để áp dụng vào công nghiệp quy mô lớn.

Than bánh rơm rạ có thể góp phần phát triển việc sử dụng rơm trong sản xuất năng lượng, cải thiện giá trị phát nhiệt thể tích của một nhiên liệu, làm giảm chi phí vận chuyển và tạo ra điều kiện về nhiên liệu tốt hơn ở các vùng nông thôn. Loại công nghệ này hiện đang được thương mại hóa ở Trung Quốc.

(5). Các loại khác

a. Hóa lỏng: Hóa lỏng sinh khối gồm chuyển hóa sinh hóa để sản xuất ethanol và chuyển hóa hóa nhiệt để sản xuất dầu sinh học. Vào khoảng năm 1990, Trung Quốc bắt đầu tiến hành nghiên cứu và phát triển công nghệ thủy phân để sản xuất ethanol và đã đạt được một số tiến bộ. Công nghệ hóa lỏng rơm rạ hiện đang ở giai đoạn thử nghiệm ở Trung Quốc.

b. Cacbonat hóa rơm rạ: Cácbonát hóa rơm rạ là công nghệ đưa sản xuất than bánh rơm vào lò luyện thông qua sự nhiệt phân trong điều kiện cách ly oxi, sau đó thu được than củi dạng khuôn.

c. Than sinh học: Được tán nhỏ và sấy khô ở một nhiệt độ nhất định, rơm và than, được trộn với chất sunphua hấp thụ trong máy đổ khuôn, có thể sản sinh ra than sinh học ở áp suất cao. Khi đốt cháy than sinh học, rơm bị đốt cháy trước tạo ra các lỗ rỗ, sau đó quá trình này sẽ làm cho than sinh học cháy hết hoàn toàn. Tuy nhiên, cho tới nay, các trang thiết bị chủ chốt vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu thương mại hóa và sản xuất đại trà ở Trung Quốc do trang thiết bị công nghệ này tiêu tốn năng lượng rất cao, có độ tin cậy và ứng dụng thấp, chi phí cho tiền xử lý cao.

Dự án năng lượng sinh học quy mô nhỏ ở Trung Quốc

Mặc dù gần đây, Trung Quốc bắt đầu quan tâm hơn tới việc sản xuất nhiên liệu sinh học quy mô lớn (bioethanol và biodiesel), nhưng nước này vẫn có một lịch sử lâu dài về sản xuất năng lượng sinh học quy mô nhỏ, đặc biệt là ở các vùng nông thôn. Đặc biệt là kể từ cuối thập niên 80 của thế kỷ trước, năng lượng sinh học được xác định là thành phần đóng góp quan trọng và hứa hẹn đối với việc sản xuất năng lượng tái tạo và phát triển nông thôn. Các công nghệ năng lượng sinh học tái tạo được áp dụng rộng rãi từ đầu thập niên 90 trở lại đây gồm phân hủy kị khí, khí hóa nhiệt phân, rắn hóa nhiên liệu sinh học, sản xuất ethanol sinh học và đồng phát diesel sinh học. Do trình độ phát triển kinh tế ở các vùng nông thôn của Trung Quốc, công nghệ khí hóa nhiệt phân là một trong những công nghệ phổ biến hơn cả do tính đơn giản và rẻ của nó. Năm 1997, Trung Quốc đã khởi động một số dự án thí điểm khí hóa ở nông thôn theo một hiệp định kí với Liên minh châu Âu. Năm 1998, khoảng 200 trạm biogas cấp độ làng xã đã được thiết lập ở Trung Quốc và 7 năm sau hơn 1000 trạm đã được xây dựng nhờ sự đầu tư của đất nước, chủ yếu là ở các vùng nông thôn thuộc các tỉnh ven biển đông và đông nam (như Liaoning, Shandong và Zhejiang). Tất cả các trạm được xây dựng bằng nguồn tài trợ của chính quyền tỉnh, làng xã và các tổ chức khác. Mỗi hộ gia đình muốn sử dụng biogas sẽ nộp khoảng 300 NDT để lắp đặt đường ống, lò biogas và đồng hồ đo mức tiêu thụ biogas. Chi phí xây dựng trung bình một trạm với công suất cho 200 hộ gia đình là từ 0,5 tới 2 triệu NDT.

Tuy nhiên, cho tới nay, những dự án nhỏ này chưa phát huy được hết tác dụng và chưa đạt mục tiêu cung cấp năng lượng cho khu vực nông thôn tới năm 2010 từ sinh khí hóa do những nguyên nhân như:

+ Các thiếu sót về mặt hành chính: thiếu sự phối hợp đồng bộ giữa các ban ngành, nhiều ban ngành còn miễn cưỡng giám sát, quản lý các trạm biogas ngoài ra còn thiếu tinh thần trách nhiệm đảm bảo tính hiệu quả của dự án.

+ Các thiếu sót về mặt chính sách: Năm 1986, Ủy ban Kinh tế Nhà nước ban hành Thông tư về việc Cải thiện việc Phát triển Năng lượng ở Nông thôn. Đây là chính sách đầu tiên về phát triển năng lượng tái tạo nhắc tới tầm quan trọng của năng lượng sinh học. Tuy nhiên, sau hơn 20 năm vẫn chưa có một kế hoạch chi tiết nào được thành lập, chưa có các tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn về năng lượng sinh học được đề ra để điều tiết thị trường trang thiết bị cũng như chưa có một mục tiêu định lượng nào được đề xuất.

+ Các thiếu sót về mặt kỹ thuật: Quá chú trọng tới việc giảm chi phí, với trang thiết bị có cơ cấu đơn giản và vận hành cần sức lao động đã để lại nhiều hậu quả: thiết kế các thiết bị tinh lọc không hiệu quả làm gây ra tình trạng tắc nhựa. Trang thiết bị này không thể xử lý được các nhiên liệu ẩm. Dung lượng caloric do biogas sản sinh ra quá thấp. Trong quá trình xây dựng, thép kém chất lượng được sử dụng nên các cơ sở tích trữ, đường ống bắt đầu hỏng hóc và rò rỉ khí.

+ Thiếu sót về ngân sách.

+ Thiếu sự ủng hộ của cộng đồng.

Xác định được những thiếu sót trên, ngoài những định hướng sửa đổi và tạo thuận lợi về mặt chính sách, ngân sách, một số những định hướng sau đã được Trung Quốc đề ra:

Nghiên cứu và phổ biến công nghệ cải tiến biogas và lò để đáp ứng những nhu cầu năng lượng của khu vực nông thôn, nhằm nâng cao hiệu suất đốt cháy của lò cải tiến và hiệu suất kị khí của phân hủy kị khí rơm rạ, phát triển công nghệ nông nghiệp sinh thái biogas đồng bộ, giảm việc sử dụng củi đốt và nhiên liệu hóa thạch.

Phổ biến các hệ khí hóa rơm rạ đối với việc cung cấp khí tập trung ở những khu vực trù phú.

Nghiên cứu công nghệ đốt cháy trực tiếp rơm rạ bằng cách phát triển các nồi hơi buồng đốt trực tiếp rơm rạ và các phương tiện khác để sử dụng với quy mô lớn rơm rạ trong việc sản xuất điện và cung cấp nhiệt.

Nghiên cứu và phát triển các máy đổ khuôn than sinh học và máy sản xuất than bánh rơm theo các đặc tính của rơm rạ với tiêu chí giảm năng lượng tiêu thụ của máy móc, nâng cao độ tin cậy và khả năng ứng dụng và mức độ thương mại hóa của máy móc.

Tăng cường hợp tác quốc tế, ứng dụng các công nghệ tiên tiến của nước ngoài vào việc tận dụng rơm rạ để thúc đẩy sử dụng rơm rạ ở Trung Quốc.