Nhiên liệu sinh học: Nguồn năng lượng tương lai(tt)

Chia sẻ: Nguyen Phuong Anh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:19

Thêm vào BST

Báo xấu

142
lượt xem 41
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Dầu sinh học Bio-crude HTU - diezel chiết suất tương ứng Từ những năm 1980, cơ sở nghiên cứu của Công ty Shell ở Hà Lan đã thực hiện nghiên cứu công nghệ nâng cao hiệu quả nhiệt hydro (Hydro Thermal Upgrading HTU). Với công nghệ này, sinh khối sẽ được phân hủy trong nước để thu chất lỏng giống như dầu thô, được gọi là bio-crude - dầu thô sinh học.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nhiên liệu sinh học: Nguồn năng lượng tương lai(tt)

Nhiên liệu sinh học: Nguồn năng lượng tương lai(tt) IV. NHIÊN LIỆU SINH HỌC (BIOFUEL) - CÔNG NGHỆ VÀ ỨNG DỤNG 4. Sản xuất biofuel 4.5. Dầu sinh học Bio-crude HTU - diezel chiết suất tương ứng Từ những năm 1980, cơ sở nghiên cứu của Công ty Shell ở Hà Lan đã thực hiện nghiên cứu công nghệ nâng cao hiệu quả nhiệt hydro
(Hydro Thermal Upgrading - HTU). Với công nghệ này, sinh khối sẽ được phân hủy trong nước để thu chất lỏng giống như dầu thô, được gọi là bio-crude - dầu thô sinh học. Mục tiêu của công nghệ này là thu năng lượng từ sinh khối, biến nó thành nhiên liệu (chạy xe cộ) có nhiệt lượng cao hơn. Tuy nhiên, vì điều kiện kinh tế không đáp ứng được nên thực nghiệm phải bỏ dở. Vì nhiên liệu sinh học được quan tâm trở lại vào những năm 1990, nên công nghệ nói trên đã được Công ty Dutch Biofuel sau này do các cựu nhân viên Shell thành lập tiếp tục nghiên cứu phát triển. 4.5.1. Nguyên liệu sinh khối
Công nghệ HTU có thể được sử dụng để chuyển hóa hàng loạt nguyên liệu sinh khối khác nhau. Các nguyên liệu thích hợp, khả thi có thể là cả rác thải rắn đô thị và chất thải nông nghiệp. Thiết bị công nghệ này được thiết kế đặc biệt dành cho các sinh khối ướt như bã củ cải, bùn nhớt, quặng dầu, hoặc rác thải hữu cơ. Sinh khối không cần phải sấy khô, hỗn hợp nước chứa 10 - 30% chất liệu hữu cơ được coi là thích hợp. 4.5.2. Công nghệ chuyển hóa bio- crude Trong công nghệ HTU, sinh khối khô (hoặc ướt) tham gia phản ứng trong môi trường lỏng là nước ở áp
suất cao và nhiệt độ khá thấp. Sản phẩm chính của công nghệ chuyển hóa HTU là bio-crude giống như dầu thô nguồn gốc dầu mỏ. Quá trình chuyển hóa được mô tả trong hình 7 trang sau. Bước đầu tiên trong quá trình chuyển hóa là tiền xử lý nguyên liệu sinh khối. Vì thiết bị của công nghệ HTU được thiết kế đặc biệt cho nguyên liệu ướt, nên sinh khối khô trước tiên phải được ngâm trong môi trường nước. Quá trình này được thực hiện ở nhiệt độ 200 - 250oC và áp suất 30 bar (30,4 atm). Sự có mặt của nước ảnh hưởng rất lớn tới tính chất của nguyên liệu
sinh khối và sản phẩm cuối cùng thu được. Khi sinh khối ướt được chuyển liên tục vào vùng phản ứng nóng, quá trình chuyển hóa xảy ra ở áp suất 120 - 180 bar ( 121,6-182,4 atm) và nhiệt độ 300 - 350oC. Trong một thử nghiệm pilot tại Hà Lan, thời gian để phản ứng chuyển hóa HTU thử nghiệm xảy ra hoàn toàn chỉ từ 5 đến 10 phút. Tuy nhiên năng lượng tiêu thụ trong quá trình này rất cao. Ngoài sản phẩm chính là bio-crude (50%), công nghệ HTU còn tạo ra khí (30%); trong đó 70 - 90% lượng khí là CO2 và 20 - 30% là H2. Ngoài ra còn có metan và CO.
Sản phẩm phụ thu được là dung dịch nước, chứa 5% hợp chất hữu cơ. Nước thải có thể sử dụng làm môi trường lên men kỵ khí tạo ra biogas. Cả biogas lẫn gas thu được từ quá trình HTU có thể dùng làm nhiên liệu đốt lò. Bio-crude là chất lỏng hữu cơ nhớt, màu đen, là hỗn hợp của nhiều loại hydrocacbon. Nó không trộn lẫn với nước và vì có hàm lượng oxy thấp (10 - 15% oxy liên kết) nên chúng bền hơn so với bio-oil phân hủy nhiệt. Bio-crude có hàm lượng nitơ và lưu huỳnh rất thấp và giá trị nhiệt năng thấp (30 - 36 MJ/kg). Bio-crude có thể tách thành 2 thể nặng và nhẹ, đều có thể là nguyên -
nhiên liệu phục vụ nhiều mục đích khác nhau. Phần nặng hơn chứa tất cả chất thành phần của bio -crude và khoáng, có thể sử dụng làm chất trợ cháy trong nhà máy điện chạy than. Chúng cũng có thể được sử dụng làm xăng dung môi (nafta) để sản xuất các hóa chất. Phần nhẹ và tinh khiết hơn có thể sử dụng để tạo thành phần nhiên liệu diezel. Để chuyển hóa bio-crude thành nhiên liệu diezel đủ chất lượng cho xe vận tải truyền thống, thì cần nâng cao chất lượng của phân đoạn này nhờ kỹ thuật hydro hóa xúc tác. Trong quá trình này, oxy bị khử nhờ bổ sung hydro. Vì phải bổ sung
một lượng lớn hydro nên về mặt kinh tế vấn đề này không hấp dẫn. 4.5.3. Tình trạng công nghệ và tính kinh tế Công nghệ HTU mới chỉ được thực hiện ở quy mô pilot (nhà máy sản xuất thử được xây dựng ở Apeldoorn Hà Lan từ năm 1999). Công nghệ chuyển hóa chưa tiến hành được với tất cả mọi nguồn sinh khối. Sau khi đóng cửa 2 năm, hoạt động của nhà máy này gần đây được phục hồi và hiện đang tiếp tục vận hành. Một nhà máy (công suất 3.000 tấn/ năm) lớn hơn sẽ hoàn thiện vào năm 2006. Vấn đề sản xuất quy mô thương mại sẽ chưa thể thực hiện trước năm 2008-2009.
Các nghiên cứu về công nghệ chuyển hóa HTU đang tập trung vào xác định các tính chất hóa học của sản phẩm phức tạp thu được, đồng thời thử nghiệm với các nguồn sinh khối khác nhau. Các vấn đề kỹ thuật như tinh chế sản phẩm, xử lý nguyên liệu, các điều kiện phản ứng, xử lý nước thải, công nghệ hyđro hóa, v.vâ€¦ cần phải được nghiên cứu tiếp tục. Chính công nghệ lọc dầu là công nghệ đã biết nhưng khi áp dụng trong điều kiện công nghệ HTU vẫn là chủ đề cần nghiên cứu. Hiệu suất nhiệt trong công nghệ HTU chuyển hóa sinh khối thành bio-crude đã đạt mức dự tính 80%.
Hiệu quả nâng cấp chất lượng bio- crude nhờ kỹ thuật hydro hóa có thể đạt mức 60%. Theo các chuyên gia, chi phí đầu tư ngắn hạn dự tính cho một nhà máy sản xuất bio-crude bằng công nghệ HTU 400 MW nhiệt có thể vào khoảng 95 euro/ kW nhiệt. Với nhà máy lớn hơn (1000 MW nhiệt) chi phí đầu tư dài hạn có thể giảm 25%. Nếu nhà máy được trang bị áp dụng kỹ thuật hydro hóa, chi phí đầu tư ngắn hạn cho nhà máy 400 MW nhiệt sẽ tăng gấp hơn 5 lần, vào khoảng trên 500 euro/ kW nhiệt và cũng giảm 25% chi phí nếu dài hạn.
Giá thành sản xuất diezel theo công nghệ HTU phụ thuộc vào chi phí đầu tư nhưng hết sức nhạy cảm đối với giá nguyên liệu. Dựa vào loại sinh khối sử dụng, Công ty Dutch Biofuel đưa ra con số giá thành dự tính sản phẩm diezel HTU vào khoảng 5 - 7 euro/GJ (0,16 - 0,24 euro/ lít) đối với nhà máy quy mô lớn. 4.5.4. Sử dụng diezel HTU Phát triển công nghệ chuyển hóa HTU là để sản xuất được nhiên liệu diezel có đặc tính kỹ thuật giống với nhiên liệu diezel thông thường đang sử dụng. Các đặc tính kỹ thuật nhiên liệu này được xác định bởi tỉ lệ C/H, có thể điều chỉnh nhờ kỹ
thuật hyđro hóa. Chất lượng sản phẩm diezel HTU có triển vọng cải thiện rất tốt. Chỉ số xetan của nó sẽ cao hơn của diezel thông thường. Nhiên liệu sẽ sạch và không còn oxy. Diezel HTU được sản xuất để đáp ứng quy cách phẩm chất diezel dầu mỏ nên có thể dùng để pha trộn với diezel thông thường ở bất cứ tỉ lệ nào. Nhiên liệu này cũng có thể đem bán tại mạng lưới phân phối diezel cơ sở đã sẵn có. Diezel HTU có triển vọng sánh ngang với các chất liệu diezel truyền thống. 4.6. Sản xuất nhiên liệu qua con đường khí hóa
Sinh khối có thể chuyển hóa nhờ sử dụng công nghệ khí hóa. Bất kỳ loại sinh khối nào cũng có thể sử dụng làm nguyên liệu khí hóa, kể từ hỗn hợp xenlulo đến phụ phẩm và chất thải nông nghiệp (rơm, bã mía), cỏ, các phế phẩm của công nghiệp gỗ, các chất thải rắn đô thị, v.vâ€¦ Quá trình khí hóa sinh khối cho ra sản phẩm là một hỗn hợp các loại khí, được gọi là khí tổng hợp - syngas. Hàng loạt biofuel dạng lỏng sẽ được sản xuất nhờ quá trình tổng hợp loại khí này tùy theo từng điều kiện công nghệ.
Công nghệ khí hóa là quá trình oxy hóa từng phần sinh khối nhờ cách thức bổ sung dần ôxy từ không khí theo từng lượng vừa đủ. Ôxy sẽ tác dụng với sinh khối ở nhiệt độ cao, khoảng 900oC. Trong trường hợp khí hóa trực tiếp, nhiệt cần thiết cho quá trình được tạo ra nhờ đốt một phần sinh khối được nạp vào lò khí hóa. Cả không khí (có thể lẫn oxy) được thổi vào lò khí hóa trực tiếp khi đó người ta đã dùng chính năng lượng nhiệt của một phần vật liệu khí hóa cho quá trình khí hóa. Nếu chỉ sử dụng ôxy thì syngas sinh ra sẽ không chứa nitơ. Tuy nhiên, việc tạo ra oxy cho quá trình này làm tăng năng lượng
cần sử dụng, do đó tăng chi phí đầu tư. Quá trình khí hóa gián tiếp sử dụng một phần nhiệt từ sinh khối cháy hoặc nhiệt do từ bên ngoài lò cung cấp. Một ưu điểm của quá trình khí hóa gián tiếp này là nó cũng sinh ra syngas không chứa nitơ mà không cần sử dụng oxy như quá trình khí hóa trực tiếp. Tuy nhiên, quá trình khí hóa gián tiếp phải trải qua nhiều bước và phức tạp hơn. Ngoài ra, nó tạo ra hai dòng khí cần phải khử, làm sạch. Các kiểu lò thích hợp với quá trình khí hóa sinh khối hiện nay gồm có: lò khí hóa cố định; lò khí hóa tầng sôi và lò khí hóa dòng cuốn. Lò khí hóa cố định hoạt động ở nhiệt độ
giữa 700 và 1200oC. Chúng được phân loại dựa theo hướng đi của luồng khí qua lò (ví dụ từ dưới lên, trên xuống, hoặc ngang qua) hoặc theo hướng dòng chất rắn và dòng khí (cùng chiều, ngược chiều hoặc chéo chiều). Lò phản ứng cùng chiều có ưu điểm là có thể cho sản phẩm syngas sạch (ngược lại với lò phản ứng khác chiều). Tuy nhiên lò phản ứng ngược chiều lại ít khắt khe đối với nguyên liệu sinh khối và có sức chứa rộng hơn. Lò phản ứng tầng sôi cho phép chứa hỗn hợp sinh khối với chất liệu nóng, ví dụ như cát nóng chẳng hạn, và phản ứng sẽ xảy ra trong toàn bộ dung tích lò. Nhiệt độ đồng nhất
trong lò có thể được điều khiển thông qua việc thay đổi tỉ lệ không khí/ sinh khối. Lò tầng sôi "dễ tính" đối với sinh khối hơn là lò cố định, nhưng syngas sản phẩm luôn có hắc ín đi kèm (nhiều hơn so với lò khí hóa cố định cùng chiều) và cần phải khử bỏ. Lò khí hóa dòng cuốn hoạt động ở nhiệt độ rất cao (1500oC) và tạo ra syngas sạch không có tạp hắc ín. Tuy quá trình khí hóa khó điều khiển nhưng hiện tai lại đang được sử dụng rộng rãi nhất. Đây là kiểu lò thể tích lớn, nhiên liệu cung cấp cho hoạt động dễ điều chỉnh, có thể áp dụng tùy từng mức từ 1 đến vài trăm megawat. Các lò khí hóa nói chung
đều hoạt động ở điều kiện áp suất gần áp suất thường và sử dụng không khí làm tác nhân khí hóa. Syngas sản phẩm của quá trình khí hóa chủ yếu là hỗn hợp CO, CO2, H2, metan, nước và nitơ. Thành phần khí tổng hợp thay đổi thùy thuộc vào thành phần nguyên liệu sinh khối và điều kiện hoạt động. Các tạp chất trong syngas thu được có thể là các bụi than nhỏ, xỉ lò chứa clorua, lưu huỳnh, kim loại kiềm, hợp chất nitơ và hắc ín. Các tạp chất này có thể sẽ làm giảm tác dụng của chất xúc tác trong lò reforming khí, lò trung chuyển, lò tổng hợp và gây ra ăn mòn các bộ phận trao đổi nhiệt trong turbin khí.
Hắc ín có thể gây tác hại cho hệ thống khí hóa. Các tạp chất có thể được khử bỏ nhờ sử dụng xyclon hoặc màng lọc gốm. Sau khi được làm sạch, syngas trải qua các bước khử CO2 và reforming. Tùy theo mục đích sử dụng tiếp theo mà khí tổng hợp được điều chỉnh cho phù hợp.