Tài liệu Nghiên cứu sử dụng biomass cho động cơ đánh lửa cưỡng bức tĩnh tại cỡ nhỏ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  TRƯƠNG QUANG TRUNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG BIOMASS CHO ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC TĨNH TẠI CỠ NHỎ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Đà Nẵng, năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  TRƯƠNG QUANG TRUNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG BIOMASS CHO ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC TĨNH TẠI CỠ NHỎ Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 60.52.01.16 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN THANH HẢI TÙNG Đà Nẵng, năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Đà Nẵng, ngày 27 tháng 8 năm 2017 Tác giả Trương Quang Trung ii TÓM TẮT Tên đề tài: “Nghiên cứu sử dụng Biomass cho động cơ đánh lửa cưỡng bức tĩnh tại cỡ nhỏ” Thời gian thực hiện: 01/05/2016 đến 20/07/2017 Địa điểm nghiên cứu: Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng Mục tiêu của đề tài là nhằm hướng tới việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu khí Biomass thay thế nhiên liệu hóa thạch cho động cơ đánh lửa cưỡng bức tĩnh tại cỡ nhỏ. Thiết kế chế tạo hệ thống khí hóa Biomass, lắp đặt thử nghiệm cho động cơ xăng tĩnh tại kéo máy phát điện từ 2kW đến 5kW. Sử dụng nguồn phế phẩm nông lâm nghiệp để phát triển nguồn nhiên liệu Biomass thay thế một phần nhỏ cho nhiên liệu hóa thạch là phù hợp với điều kiện Việt Nam hiện nay. Đồng thời góp phần giảm thiểu phát thải khí nhà kính, bảo vệ môi trường, ngăn ngừa biến đổi khí hậu và tăng thu nhập cho người nông dân khi bán các loại phế phẩm này, vì vậy đề tài sẽ tỏ rõ tính thực tiễn và ý nghĩa khoa học. Như mục đích nghiên cứu đã chỉ rõ, với đề tài “Nghiên cứu sử dụng Biomass cho động cơ đánh lửa cưỡng bức tĩnh tại cỡ nhỏ” thì đối tượng nghiên cứu của luận văn là máy phát điện sử dụng xăng cỡ nhỏ và hệ thống tạo khí Biomass từ nhiên liệu gỗ vụn/viên nén mùn cưa. Phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ giới hạn trong phạm vi: Thiết kế chế tạo hệ thống cấp khí Biomass sử dụng nguồn nhiên liệu để sản xuất khí hóa là gỗ vụn khô hoặc viên nén năng lượng gỗ; Động cơ được sử dụng nghiên cứu là máy phát điện CELEMAX có công suất: 2 kW. Để đạt được mục đích nêu trên, luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu tổng hợp; Tìm kiếm tài liệu, thu thập thông tin, dựa trên các công trình đã công bố về hệ thống tạo khí Biomass và sử dụng khí Biomass cho động cơ đốt trong. Thiết kế, chế tạo hệ thống tạo khí Biomass, lắp đặt thử nghiệm trên động cơ sử dụng xăng. iii SUMMARY Project title: "Research on application of Biomass for small size static ignition engines" Time: 01/05/2016 to 20/07/2017 Study location: Da Nang University of Technology The objective of the research is to study the use of Biomass substituting for fossil fuels for small municipal ignition engines, design the manufacture of Biomass gasification system, install test for static gasoline engines at pulling generators from 2kW to 5kW. Using agro-forestry by-products to develop alternative Biomass fuels for a small amount of fossil fuels is appropriate for current conditions in Vietnam. At the same time, it contributes to reduce greenhouse gas emissions, protect the environment, prevent climate change and increase income for farmers when selling these kinds of waste. Therefore, the topic shows the practical and scientific significance. As pointed out in the reasearch, with the topic "Research on application of Biomass for small size static ignition engines", the subject of the thesis is the generator using small petrol and Biomass gasification system from sawdust / sawdust pellets. The research scope of the topic is limited to the following areas: Designing the manufacture of Biomass gasification system using fuels to produce gasification is dry shavings or wood pellets; The engine used for research is the CELEMAX generator with a capacity of 2 kW. To achieve the purpose mentioned above, the thesis uses the method of integrated research; Document searching, information gathering, based on published work on Biomass gas generation systems and Biomass applications for internal combustion engines. Designing, manufacturing Biomass gas generation system, installating a test on gasoline engine. iv MỤC LỤC MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU .....................................3 1.1. Tình hình nghiên cứu và sử dụng khí hóa Biomass .......................................3 1.1.1. Năng lượng và các dạng năng lượng ............................................................. 3 1.1.2. Lịch sử phát triển Biomass .............................................................................4 1.1.3. Sử dụng Biomass ............................................................................................ 6 a) Sản xuất nhiệt truyền thống ....................................................................................6 c) Sản xuất điện từ năng lượng Biomass.....................................................................7 d) Khí hóa Biomass .....................................................................................................7 1.1.4. Sử dụng khí Biomass cho động cơ đốt trong ..................................................7 1.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ khí hóa Biomass trong sản xuất năng lượng quy mô nhỏ .......................................................................................8 1.2.1. Các công trình công bố có liên quan trực tiếp đến đề tài trong nước ..............8 1.2.2. Các nghiên cứu ứng dụng ở Việt Nam .............................................................. 9 1.2.3. Các công trình công bố có liên quan trực tiếp đến đề tài trên thế giới .........11 1.2.4. Nghiên cứu ứng dụng tại một số quốc gia trên thế giới ..................................14 a) Tại Trung Quốc .....................................................................................................14 b) Tại Ấn Độ ..............................................................................................................16 c) Tại Thái Lan ..........................................................................................................17 2.2.5. Một số sơ đồ hệ thống khí hóa Biomass sản xuất năng lượng quy mô nhỏ điển hình hiện nay .............................................................................................................19 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...............................................................................23 2.1. Công nghệ hóa khí Biomass ...............................................................................23 2.1.1. Nguyên liệu sản xuất khí Biomass .................................................................23 2.1.2. Nguyên lý cơ bản lò hóa khí Biomass ............................................................. 31 v a) Giới thiệu công nghệ khí hóa tầng cố định: .........................................................31 b) Giới thiệu công nghệ khí hóa tầng sôi: .................................................................33 2.1.3. Lựa chọn phương án sản xuất khí Biomass từ Cenlulo ..................................34 2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khí hóa Biomass ....................................35 a) Kích thước nhiên liệu ............................................................................................ 35 b) Độ ẩm nhiên liệu ...................................................................................................35 c) Chủng loại và đặc tính nhiên liệu .........................................................................35 d) Ảnh hưởng của hệ số tỷ lệ không khí (ER)............................................................ 35 e) Ảnh hưởng của giản đồ nhiệt độ trong lò ............................................................. 36 2.2. Thiết kế hệ thống tạo khí Biomass .....................................................................36 2.2.1. Yêu cầu của hệ thống tạo khí ........................................................................36 2.2.2. Tính toán, thiết kế lò đốt khí hóa Biomass ....................................................40 a) Số liệu ban đầu......................................................................................................40 b) Sơ đồ nguyên lý cấu tạo lò khí hóa .......................................................................42 c) Tính toán cân bằng khối lượng .............................................................................42 d) Tính toán cân bằng nhiệt lượng từng vùng trong lò khí hóa Biomass .................44 e) Tính toán đường kính lò, đường kính ống cấp không khí và thoát khí sản phẩm .46 f) Tính toán chiều cao thiết bị và vị trí đặt miệng thổi gió .......................................48 2.2.3. Thiết kế hệ thống lọc khí ...............................................................................51 2.2.4. Các thiết bị phụ trợ khác ...............................................................................55 2.3. Thiết kế bộ hòa trộn cung cấp Biomass cho động cơ chuyển đổi ......................55 Chương 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ........................................................... 57 3.1. Mô tả hệ thống khí hóa kết hợp máy phát .......................................................... 57 3.1.2. Chế tạo lắp đặt lò khí hóa ...............................................................................58 3.1.3. Chế tạo lắp đặt Cyclone ..................................................................................59 3.1.4. Chế tạo lắp đặt dàn tản nhiệt ..........................................................................60 3.1.5. Chế tạo lắp đặt lọc khí ....................................................................................60 vi 3.2. Đặc điểm động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng thử nghiệm ............................ 60 3.2.1. Yêu cầu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu khí .............................................60 3.2.2. Lựa chọn phương án cung cấp Biomass cho động cơ ....................................60 3.2.3. Chọn động cơ thực nghiệm .............................................................................60 3.3. Lắp đặt hệ thống chạy thử nghiệm động cơ dùng Biomass ............................... 61 3.4. Vận hành hệ thống ............................................................................................. 62 3.4.1. Nhóm lửa .........................................................................................................62 3.4.2. Hiệu chỉnh hệ số dư lượng không khí ............................................................. 62 3.4.3. Hiệu chỉnh lưu lượng cung cấp khí Biomass ..................................................63 3.4.5. Phương pháp xử lý tro, hắc ín.........................................................................63 3.4.4. Vận hành máy phát.......................................................................................... 63 3.5. Kết quả đo đạc một số thông số cơ bản mô hình thí nghiệm ............................. 63 3.5.1. Công suất khí hóa............................................................................................ 64 3.5.2. Công suất máy phát .........................................................................................65 Chương 4. PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ..............................................66 4.1. Đánh giá tính năng kỹ thuật của hệ thống tạo khí Biomass ............................... 66 4.2. Đánh giá tính năng của động cơ thử nghiệm Biomass.......................................66 4.3. Đánh giá tính năng kinh tế và ô nhiễm môi trường ...........................................66 KẾT LUẬN-KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 68 1. Kết luận ................................................................................................................68 2. Hạn chế .................................................................................................................68 3. Hướng phát triển ...................................................................................................68 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................70 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên đại lượng Thứ nguyên Aad Phần trăm lượng tro trong nhiên liệu khô % Ash Phần trăm khối lượng tro trong nhiên liệu % Cad Lượng cacbon trong nhiên liệu khô % CPnl Nhiệt dung riêng của nhiên liệu Biomass kJ/kgK CPkhi Nhiệt dung riêng của nhiên liệu khí sản phẩm kJ/kgK D Đường kính phần thân chính của lò (nhiệt phân) m Dra Đường kính ống thoát khí trong thân lò m Do Đường kính thót lò khí hóa m ĐHBK Đại học Bách khoa ER Tỷ lệ không khí tương đương Gg Lưu lượng khí sản phẩm LHVf Nhiệt trị thấp của nhiên liệu Biomass Q Công suất nhiệt của lò kW Vg Vận tốc khí sản phẩm trong ống thoát m/s m3/h MJ/kg viii DANH MỤC HÌNH ẢNH Số hiệu Tên hình ảnh Trang Hình 1.1 Phân phối năng lượng từ khí hóa Biomass tại Trung Quốc 15 Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống khí hóa Biomass sản xuất điện tại Bengal, Ấn Độ 19 Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống khí hóa Biomass sản xuất điện của TERI, Ấn Độ 20 Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống khí hóa Biomass kiểu thuận chiều 2 cấp 21 Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống khí hóa Biomass kiểu thuận chiều nhiều cấp 21 Hình 2.1 Mô tả hệ thống khí hóa ngược chiều – tầng cố định 32 Hình 2.2 Mô tả hệ thống khí hóa thuận chiều – tầng cố định 33 Hình 2.3 Mô tả hệ thống khí hóa hỗn hợp – tầng cố định 33 Hình 2.4 Mô tả hệ thống khí hóa tầng sôi 33 Hình 2.5 Mô tả kết cấu và quá trình khí hóa lò Biomass thuận chiều 37 Hình 2.6 Quá trình khí hóa 37 Hình 2.7 Hình ảnh về nhiên liệu gỗ vụn và viên nén gỗ 40 Hình 2.8 Sơ đồ lò khí hóa 42 Hình 2.9 Thông số chọn lựa chế tạo Cyclone 54 Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống khí hóa Biomass kiểu thuận chiều kết hợp máy phát 57 Hình 3.2 Thân chính lò khí hóa 58 Hình 3.3 Cyclone 59 Hình 3.4 Mô hình thử nghiệm khí hóa Biomass thuận chiều kết hợp máy phát 62 Hình 3.5 Đồ thị thể hiện vận tốc và lưu lượng hỗ hợp khí của lò khí hóa 64 Hình 3.5 Kết quả đo công suất, điện áp, cosphi, tần số 65 ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu Bảng 1.1 Bảng 1.2 Tên hình bảng Ứng dụng khí hóa Biomass ở quy mô vừa và nhỏ tại Trung Quốc Một số công nghệ khí hóa Biomass chính sử dụng ở Trung Quốc Trang 14 15 Bảng 1.3 Danh sách nhà máy khí hóa Biomass sản xuất điện ở Thái Lan 17 Bảng 2.1 Trữ lượng nguyên liệu Biomass 26 Bảng 2.2 Công nghệ chuyển đổi cho các loại nguyên liệu 30 Bảng 2.3 Tổng hợp các phản ứng hóa học trong các giai đoạn hóa khí 39 Bảng 2.4 Bảng 2.5 Thành phần công nghệ và nhiệt trị thấp của một số nhiên liệu Biomass ở Việt Nam Thành phần hóa học của một số nhiên liệu Biomass ở Việt Nam 41 41 Bảng 2.6 Thành phần khí sản phẩm ra với nhiên liệu là mẩu gỗ keo 42 Bảng 2.7 Thông số thiết kế lò đốt 50 Bảng 3.1 Các thông số chính của lò khí hóa Biomass 58 Bảng 3.2 Thông số chế tạo Cyclone 59 Bảng 3.3 Danh mục thiết bị đo 63 Bảng 3.4 Vận tốc trung bình hỗn hợp khí tại 03 vị trí dimmer 64 Bảng 3.5 Kết quả đo thông số điện năng máy phát 65 1 MỞ ĐẦU Năng lượng đóng vai trò rất quan trọng trong việc phát triển kinh tế, đời sống dân sinh, khi nền kinh tế càng phát triển, đời sống dân sinh càng nâng cao thì nhu cầu sử dụng năng lượng càng lớn, tuy nhiên nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt, dự báo sẽ hết trong thời gian ngắn, đồng thời phát thải khí nhà kính từ các dạng nhiên liệu này tác động rất lớn đến môi trường là một trong những nguyên nhân chính gây biến đổi khí hậu. Nhằm giảm thiểu tác động đến biến đổi khí hậu ngoài ứng dụng các biện pháp sử dụng năng lượng từ nguồn nhiên liệu hóa thạch một cách phù hợp nhất còn đẩy mạnh công tác nghiên cứu ứng dụng công nghệ sử dụng nguồn năng lượng từ các nhiên liệu thay thế, nhiên liệu tái tạo là cần thiết. Việt Nam là nước nằm trong khu vực nhiệt đới nên hệ thực vật phong phú và đa dạng, ba phần tư lãnh thổ là đất rừng, sản xuất nông – lâm nghiệp chiếm tỷ trọng rất cao nên có nguồn năng lượng Biomass từ nguồn phụ phẩm nông lâm nghiệp (gỗ phế liệu, dăm bào, lõi ngô, trấu, viên nén phụ phẩm nông lâm nghiệp,…) dồi dào, nên rất thuận lợi cho công tác nghiên cứu ứng dụng loại nhiên liệu này thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch được sử dụng phổ biến hiện nay. Việc sử dụng nguồn năng lượng này vào nhiều mục đích khác nhau trong đó có động cơ đốt trong là cần thiết, đề tài thành công sẽ góp phần nhỏ về sử dụng nguồn năng lượng thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch. Với tất cả sự kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất, tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Trần Thanh Hải Tùng đã tận tình chỉ bảo và động viên trong suốt quá trình nghiên cứu, xây dựng và hoàn thành viết luận án này. Tác giả xin trân trọng cảm ơn tập thể Quý thầy giáo, cô giáo của Khoa Cơ khí giao thông - Trường đại học Bách Khoa Đà Nẵng đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện cho tác giả trong quá trình nghiên cứu và thực hiện luận án. Cuối cùng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc các chuyên gia trong lĩnh vực khí hóa đã hỗ trợ công sức, góp ý chia sẻ để tác giả hoàn thiện mô hình và xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện luận án. 2 1. Mục tiêu của đề tài Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu sử dụng nhiên liệu Biomass thay thế nhiên liệu hóa thạch cho động cơ đánh lửa cưỡng bức tĩnh tại cỡ nhỏ. Thiết kế chế tạo hệ thống khí hóa Biomass, lắp đặt thử nghiệm cho động cơ xăng tĩnh tại kéo máy phát điện từ 2kW đến 5kW. 2. Đối tượng nghiên cứu Như mục đích nghiên cứu đã chỉ rõ, với đề tài “Nghiên cứu sử dụng Biomass cho động cơ đánh lửa cưỡng bức tĩnh tại cỡ nhỏ” thì đối tượng nghiên cứu của luận văn là công nghệ khí hóa kết hợp máy phát điện sử dụng xăng cỡ nhỏ và nhiên liệu sử dụng sản xuất khí Biomass là gỗ vụn/viên nén mùn cưa. 3. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ giới hạn trong phạm vi: - Thiết kế chế tạo hệ thống cấp khí Biomass sử dụng nguồn nhiên liệu để sản xuất khí hóa là gỗ vụn khô hoặc viên nén mùn cưa. - Động cơ đánh lửa cưỡng bức tĩnh tại cỡ nhỏ được sử dụng nghiên cứu là máy phát điện CELEMAX được trang bị đầu phát SAWAFUJI sản xuất theo công nghệ Nhật Bản đảm bảo cho ra dòng điện luôn ổn định và chất lượng có công suất: 2 kW 4. Phương pháp nghiên cứu Để đạt được mục đích nêu trên, luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu tổng hợp; Tìm kiếm tài liệu, thu thập thông tin, dựa trên các công trình đã công bố về hệ thống tạo khí Biomass và sử dụng khí Biomass cho động cơ đốt trong. Thiết kế, chế tạo hệ thống tạo khí Biomass, lắp đặt thử nghiệm trên động cơ sử dụng xăng. 5. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài Sử dụng nguồn phế phẩm nông, lâm nghiệp để phát triển nguồn nhiên liệu Biomass thay thế một phần nhỏ cho nhiên liệu hóa thạch là phù hợp với điều kiện Việt Nam hiện nay. Đồng thời góp phần giảm thiểu phát thải khí nhà kính, bảo vệ môi trường, ngăn ngừa biến đổi khí hậu và tăng thu nhập cho người nông dân khi bán các loại phế phẩm này. 3 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Tóm tắt chương 1: Chương này đề cập đến khái quát năng lượng, các nguồn năng lượng hiện nay tại Việt Nam và thế giới sử dụng, nhắc đến dạng năng lượng tái tạo và dạng năng lương không tái tạo. Giới thiệu lịch sử phát triển khí hóa Biomass và các ứng dụng về khí hóa Biomass trong đời sống thực tế hiện nay và một số đề tài nghiên cứu về sử dụng khí hóa Biomass cung cấp nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Biomass sử dụng cho động cơ đốt trong làm cơ sở phân tích tiềm năng và chọn phương án hóa khí cho đề tài này. 1.1. Tình hình nghiên cứu và sử dụng khí hóa Biomass 1.1.1. Năng lượng và các dạng năng lượng Năng lượng là một trong những phần cơ bản của địa cầu giúp cho nhân loại sống và tồn tại, ngay từ thưở xa xưa, con người đã biết tận dụng những điều diệu kỳ từ năng lượng để duy trì cuộc sống hằng ngày. Họ sử dụng nhiệt năng (lửa) từ củi để nấu ăn, sưởi ấm, và xua đuổi thú dữ trong rừng, năng lượng mặt trời tạo ánh sáng, làm khô quần áo, giúp cây cối phát triển… Thực vật lại là thức ăn hàng ngày của một số loài thú và năng lượng trong cây trở thành năng lượng của động vật. Cứ như thế, năng lượng được truyền từ mắt xích này sang mắt xích khác thông qua chuỗi thức ăn. Cơ thể con người chuyển dạng năng lượng từ thức ăn thành năng lượng của cơ thể để thực hiện những họat động hàng ngày. Tóm lại, mọi hoạt động diễn ra chung quanh chúng ta chính là sự nối kết năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Vậy năng lượng là gì? Câu trả lời đơn giản nhất cho định nghĩa chính là “năng lượng tạo ra những biến đổi”, hãy thử để ý cuộc sống xung quanh bạn xem, nhờ đâu mà xe có thể chạy được, tại sao con thuyền có thể lướt được ngòai khơi và vì đâu mà chúng ta lớn lên? Theo các nhà khoa học, năng lượng là khả năng sinh ra công của một dạng vật chất trong tự nhiên. Có nhiều nguồn năng lượng mà nhân loại có thể sử dụng bao gồm: Năng lượng điện, năng lượng Biomass, năng lượng địa nhiệt, năng lượng nhiên liệu hóa thạch (dầu, 4 than đá, khí thiên nhiên), năng lượng thủy và đại dương, năng lượng hạt nhân, năng lượng mặt trời, năng lượng gió. Với các nguồn năng lượng, chúng ta quan tâm không phải đó là nguồn năng lượng đến từ đâu mà chính là chúng ta có được bao nhiêu năng lượng khi khai thác nguồn đó, hay chính xác được trữ lượng của nó, như: Dầu thô trong những thập kỷ gần đây càng ngày càng tăng giá do trữ lượng giảm, trong khi đó than đá và uranium thì phải đợi hàng trăm năm mới hình thành. Đó là những nguồn năng lượng có giới hạn. Năng lượng Biomass, bao gồm các vật chất chứa năng lượng hóa học dự trữ trong chất hữu cơ. Biomass là các phế phẩm từ nông nghiệp (rơm rạ, bã mía, vỏ, xơ bắp ...), phế phẩm lâm nghiệp (lá khô, vụn gỗ...). Nhiên liệu Biomass có thể ở dạng rắn, lỏng, khí... được đốt để phóng thích năng lượng như ethanol hay thành dạng khí sinh học (biogas). Nhưng không giống như một số nguồn năng lượng tái tạo khác, năng lượng Biomass không thực sự sạch vì khi chất đốt hữu cơ sẽ tạo ra một lượng lớn carbon dioxide. Hiện nay và trong tương lai sẽ có rất nhiều nguồn năng lượng thay thế để phục vụ cho sự phát triển của nhân loại, tuy nhiên trong phạm vi đề tài này tác giả chỉ đi sâu vào giới thiệu phân tích nguồn năng lượng từ khí hóa Biomass. 1.1.2. Lịch sử phát triển Biomass Biomass là gì? Biomass (sinh khối) là một thuật ngữ có ý nghĩa bao hàm rất rộng dùng để mô tả các vật chất có nguồn gốc sinh học vốn có thể được sử dụng như một nguồn năng lượng hoặc do các thành phần hóa học của nó. Với định nghĩa như vậy, Biomass bao gồm cây cối tự nhiên, cây trồng công nghiệp, tảo và các loài thực vật khác, hoặc là những bã nông nghiệp và lâm nghiệp. Biomass cũng bao gồm cả những vật chất được xem nhưng chất thải từ các xã hội con người như chất thải từ quá trình sản xuất thức ăn nước uống, bùn/nước cống, phân bón, sản phẩm phụ gia (hữu cơ) sản phẩm công nghiệp và các thành phần hữu cơ của chất thải sinh hoạt. Biomass còn có thể được phân chia nhỏ ra thành các thuật ngữ cụ thể hơn, tùy thuộc vào mục đích sử dụng: tạo nhiệt, sản xuất điện năng hoặc làm nhiên liệu cho 5 giao thông vận tải. Các nguồn Biomass được chuyển thành các dạng năng lượng khác như điện năng, nhiệt năng, hơi nước và nhiên liệu qua các phương pháp chuyển hóa như đốt trực tiếp và turbin hơi, phân hủy yếm khí, đốt kết hợp, khí hóa và nhiệt phân. Biomass còn có thể được xem như một dạng tích trữ năng lượng Mặt Trời. Năng lượng từ Mặt Trời được "giữ" lại bởi cây cối qua quá trình quang hợp trong giai đoạn phát triển của chúng. Năng lượng Biomass được xem là tái tạo vì nó được bổ sung nhanh hơn rất nhiều so với tốc độ bổ sung của năng lượng hóa thạch vốn đòi hỏi hàng triệu năm. Ngoài ra, việc sử dụng Biomass để tạo năng lượng có tác động tích cực đến môi trường. Hẳn nhiên việc đốt Biomass không thể giải quyết ngay vấn đề mất cân bằng vể tỷ lệ CO2 hiện nay. Tuy nhiên, vai trò đóng góp của Biomass trong việc sản xuất năng lượng vẫn rất đáng kể trong việc bảo vệ cân bằng môi trường, vì nó tạo ra ít CO2 hơn năng lượng hóa thạch. Một cách khái quát, CO2 tạo ra bởi việc đốt Biomass sẽ được "cô lập" tạm thời trong cây cối được trồng mới để thay thế nhiên liệu. Nói một cách khác, đó là một chu kỳ tuần hoàn kín với tác động hết sức nhỏ lên môi trường. Tóm lại, Biomass là một nguồn năng lượng hấp dẫn bởi các lý do sau đây:  Trước nhất, đây là một nguồn năng lượng tái tạo, nếu chúng ta có thể bảo đảm được tốc độ trồng cây thay thế.  Biomass được phân bố đồng đều hơn trên bề mặt Trái Đất hơn các nguồn năng lượng nhất định khác (nhiên liệu hóa thạch...), và có thể được khai thác mà không cần đòi hỏi đến các kỹ thuật hiện đại phức tạp và tốn kém.  Nó tạo ra cơ hội cho các địa phương, các khu vực và các quốc gia trên toàn thế giới tự bảo đảm cho mình nguồn cung cấp năng lượng một cách độc lập.  Đây là một giải pháp thay thế cho năng lượng hóa thạch, giúp cải thiện tình hình thay đổi khí hậu đang đe dọa Trái Đất.  Nó có thể giúp nông dân địa phương trong lúc gặp khó khăn về vụ mùa thu hoạch và tạo việc làm tại các vùng nông thôn. 6 Năng lượng sinh học hiện đã và đang được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới, chiếm gần 11% tổng sản lượng tiêu thụ của toàn thế giới (IEA). Tuy nhiên, các nước đang phát triển hiện nay vẫn có tỷ lệ sử dụng năng lượng Biomass "cơ bản" đến 35% trong cơ cấu năng lượng nội địa [3]. Tỷ lệ này vẫn luôn khá cao đối với những quốc gia nghèo nhất thế giới vốn phụ thuộc và việc đốt Biomass để nấu nướng, sưởi ấm và làm nhiên liệu. Mặc dù Biomass sử dụng trong công nghiệp thì có tác động tích cực đối với môi trường, tình trạng thoát khí kém và việc sử dụng các lò đốt có hiệu suất kém làm tăng độ ô nhiễm không khí trong nhà ở và gây ra hiểm họa về sức khỏe rất lớn đối với người dân sống trong các khu vực nông thôn, kém phát triển. Như vậy, sử dụng Biomass một cách hiệu quả hơn cũng là một vấn đề lớn hiện nay trong quá trình cải thiện chất lượng cuộc sống và sức khỏe của con người. 1.1.3. Sử dụng Biomass Biomass có thể được xử lý ở nhiều dạng chuyển đổi khác nhau để tạo ra năng lượng, nhiệt lượng, hơi và nhiên liệu. Hầu hết các quá trình chuyển đổi Biomass có thể được chia ra làm hai loại như sau:  Chuyển đổi nhiệt hóa: bao gồm đốt nhiệt, khí hóa và nhiệt phân  Chuyển đổi sinh hóa: bao gồm phân hủy yếm khí và lên men Một quá trình khác là chiết xuất, chủ yếu là quá trình cơ học, được sử dụng để sản xuất chất tải năng lượng - tương tự như khái niệm của hydrogen từ Biomass. Cũng có các phân biệt những cách chiết suất khác nhau, phụ thuộc vào sản phẩm của quá trình này là nhiệt, điện năng hoặc nhiên liệu. a) Sản xuất nhiệt truyền thống Quá trình khai thác Biomass để tạo nhiệt có một lịch sử rất lâu dài, và vẫn tiếp tục đóng một vai trò quan trọng trong xã hội loài người trong thời kỳ hiện đại. Nhiệt lượng từ việc đốt Biomass được sử dụng để đốt sửa ấm, để nấu chín thức ăn, để đun nước tạo hơi .... b) Nhiên liệu Biomass 7 Biomass dạng rắn có thể được chuyển đổi thành nhiên liệu lỏng để cung cấp trong các xe hơi, máy cơ khí, và thậm chí trong các bộ phận sản xuất công nghiệp. Ba dạng nhiên liệu phổ biến sản xuất từ Biomass là methanol, ethanol, và biodiesel. Không giống như xăng và dầu diesel, biofuels có chứa oxy. Pha nhiên liệu sinh học vào các sản phẩm dầu khí sẽ gia tăng hiệu suất đốt của nhiên liệu và từ đó giảm ô nhiễm không khí. c) Sản xuất điện từ năng lượng Biomass Cho đến ngày nay, có khá nhiều kỹ thuật chuyển Biomass thành điện năng. Các công nghệ phổ biến nhất bao gồm: đốt trực tiếp hoặc tạo hơi nước thông thường, nhiệt phân, đốt kết hợp, khí hóa, tiêu yếm khí, sản xuất điện từ khí thải bãi chôn lấp rác. d) Khí hóa Biomass Biomass dạng rắn có thể được chuyển thành dạng khí, được gọi là khí tổng hợp (khí Biomass). Khí này có thể cung cấp cho các turbine chu kỳ liên hợp hoặc các kỹ thuật chuyển đổi khác nhưng các nhà máy nhiệt chạy than. Nhiều chuyên gia hy vọng rằng khí hóa Biomass sẽ có hiệu suất cao hơn nhà máy điện Biomass thông thường. Tuy nhiên, cho đến nay, quá trình khí hóa vẫn chưa được ứng dụng rộng trong thực tế mà chỉ vẫn đang ở giai đoạn thử nghiệm kỹ thuật. Các lò chuyển đổi Biomass rắn thành khí đốt nóng Biomass ở một môi trường mà tại đó Biomass rắn phân hủy chuyển thành khí dễ cháy. Quá trình này có thuận lợi hơn so với việc đốt trực tiếp. Khí Biomass có thể được làm sạch và lọc để phân loại và tách các hợp chất hóa học có thể có hại. Sản phẩm khí có thể được dùng ở các máy phát điện hiệu suất cao – như liên hợp turbine khí và hơi – để sản xuất điện năng. Hiệu suất của những hệ thống dạng này có thể lên đến 60%. 1.1.4. Sử dụng khí Biomass cho động cơ đốt trong Lò khí đốt loại nhỏ cũng đã được sử dụng cho các phương tiện động cơ đốt trong khi khan hiếm nhiên liệu trong Chiến tranh thế giới lần hai. Trong những năm 1920, Imbert đã phát triển lò khí đốt gỗ cho các loại xe thịnh hành nhất vào cuối chiến tranh thế giới thứ hai khi nhiên liệu hóa thạch rất hiếm. (500.000 lò khí đốt được sản xuất mỗi năm). 8 Trong những năm 2000, tình hình nhiên liệu dùng cho phương tiện lưu thông và sản xuất các dạng năng lượng thứ cấp khác nên chuyển Biomass từ nguồn tái tạo thành điện năng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch để cung cấp cho các động cơ đốt trong ngày càng được quan tâm nghiên cứu ứng dụng. 1.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ khí hóa Biomass trong sản xuất năng lượng quy mô nhỏ Những năm gần đây công nghệ khí hóa Biomass được các quốc gia quan tâm và phát triển mạnh do 3 yếu tố: i) Nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt và trở lên đắt đỏ. ii) Ô nhiễm môi trường ngày càng trở lên nghiêm trọng tác động xấu đến đời sống cũng như gây thiệt hại rất lớn về kinh tế, ví dụ: Tình hình ô nhiễm khói bụi ở thủ đô Bắc Kinh (Trung Quốc) năm 2013; hay tình hình thiên tai lụt lội tại nhiều quốc gia gây hậu quả nghiêm trọng gần đây [73]; iii) công nghệ khí hóa chưa hoàn thiện và đắt đỏ. Các nghiên cứu gần đây thường tập trung vào những vấn đề sau: i) nâng cao công suất khí hóa, ii) nâng cao chất lượng khí sản phẩm (giảm hàm lượng hắc ín, bụi và tăng nhiệt trị khi sản phẩm) để sử dụng cho mục đích sản xuất năng lượng chất lương cao, iii) vận hành ổn định và sử dụng đa dạng các nguồn Biomass. Để đáp ứng nhu cầu điện năng quy mô nhỏ cho những khu vực không nối lưới thì công nghệ được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất là khí hóa lớp cố định. Mục tiêu nghiên cứu hướng đến đó là nâng cao hiệu suất và chất lượng khí sản phẩm, giảm thiểu hắc ín để đáp ứng yêu cầu của động cơ đốt trong hoặc tua bin khí, có đặc tính vận hành ổn định. 1.2.1. Các công trình công bố có liên quan trực tiếp đến đề tài trong nước Hiện nay, các công trình công bố trong nước chủ yếu dừng lại ở nghiên cứu lý thuyết và đánh giá tiềm năng [9, 10, 12, 63]. Các nghiên cứu thực nghiệm và phát triển công nghệ này để sản xuất năng lượng một cách chi tiết và tin cậy hầu như chưa có, hoặc dừng lại ở dạng các bếp đun khí hóa Biomass hộ gia đình. Gần đây đã có một vài đề tài nghiên cứu được phê duyệt theo đơn đặt hàng của Bộ Công thương, Bộ Khoa học và Công nghệ, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn về sản xuất năng lượng từ khí hóa Biomass, tuy nhiên hiện nay vẫn đang trong giai đoạn triển khai thực hiện, vì vậy cũng chưa có công bố nào liên quan trực tiếp đến đề tài. 9 1.2.2. Các nghiên cứu ứng dụng ở Việt Nam Ở Việt Nam, khí hóa Biomass đã được chú ý từ những năm đầu thập niên 1980 do thiếu hụt cung cấp sản phẩm dầu mỏ và điện. Khí sản phẩm được sản xuất từ khí hóa củi gỗ đã được sử dụng cho xe buýt [8]. Cụ thể khí hóa trấu kết hợp sản xuất điện đã được phát triển ở miền Nam của Việt Nam thời gian này, có khoảng 15 hệ thống với công suất điện 75 kW đã được lắp đặt tại các tĩnh đồng bằng sông Cửu Long và ở thành phố Hồ Chí Minh (chủ yếu nhập khẩu và sao chép công nghệ). Tuy nhiên, công nghệ này đã bị bỏ qua do tình hình cung cấp dầu mỏ và điện được cải thiện sau đó, và do việc sử dụng trấu cho các mục đích khác (sản xuất gạch, lò gốm, v.v...) đem lại hiệu quả kinh tế và lợi ích thực tế cao hơn. Nhìn chung, công nghệ khí hóa Biomass vẫn còn rất mới mẻ ở Việt Nam, kinh nghiệm về công nghệ này vẫn còn rất ít ngay cả trong số những chuyên gia về Biomass. Gần đây, khí hóa Biomass đã được một số tổ chức, nhóm nghiên cứu quan tâm nghiên cứu và ứng dụng, cụ thể như sau: - Viện Công nghệ sau thu hoạch (hiện nay là Viện Cơ khí nông nghiệp và công nghệ sau thu hoạch, Bộ Nông nghiệp và phát triển Nông thôn) đã nhập 1 thiết bị khí hóa trấu vào năm 1989 - 1990. Khí sản phẩm dùng để đốt cấp nhiệt quy mô nhỏ [64]. - Trong những năm 1993 - 1996, Trung tâm Nghiên cứu Cơ điện thuộc Bộ Nông nghiệp đã nghiên cứu và công bố kết quả chuyển giao 10 buồng đốt trấu hoá khí với năng suất nhiệt là 160.000 - 200.000 kcal/giờ, cung cấp nhiệt trực tiếp cho các máy sấy nông sản dạng máy sấy tháp, năng suất sấy 5 tấn/mẻ cho trung tâm Nghiên cứu Nông nghiệp Đồng Tháp Mười, nông trường Cờ Đỏ, nông trường Sông Hậu tỉnh Cần Thơ. Do lò khí hoá được thiết kế theo nguyên lý hóa khí dạng mẻ nên gặp hạn chế trong khâu nạp trấu vào lò và thải tro. - Trên cơ sở các kết quả thuộc Dự án cấp vùng về nghiên cứu, phát triển và phổ biến các công nghệ năng lượng tái tạo từ 1997 - 2001, một nhóm nghiên cứu công nghệ Biomass của trường Đại học Bách khoa Hà Nội (ĐHBKHN) đã kết hợp với Viện Năng lượng (Bộ Công Thương) nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm 3 loại bếp đun Biomass có hiệu suất nhiệt khá cao so với bếp thông thường (17 - 25% so với 10%) và chỉ số phát thải CO thấp (6,7 – 12,7 gCO/MJ) [11, 50].