Sản xuất bio oil từ nhiệt phân biomass

LOGO Sản Xuất Bio Oil Từ Nhiệt Phân Biomass GVHD : TS. Nguyễn Hữu Lương HVTH : Bùi Thanh Hải www.themegallery.com Company Logo Nội dung Ứng dụng – Hướng tương lai4 Dầu nhiệt phân (Bio Oil)1 Phương pháp nhiệt phân2 Công nghệ nhiệt phân 3 www.themegallery.com Company Logo Dầu Nhiệt Phân (Bio Oil) Khái niệm : là sản phẩm lỏng của quá trình nhiệt phân hay quá trình hóa lỏng nhiên liệu sinh khối Tính chất của Bio-Oil Bio-oil là một chất lỏng điển hình, thường có màu đen. Khối lượng riêng của dầu này khá lớn (1,2kg/lit) Năng lượng thấp, chỉ từ 16 - 19 MJ/kg, so với 42 - 44 MJ/kg đối với sản phẩm nguồn gốc dầu mỏ. Bio-oil không trộn lẫn hoàn toàn với HC nhưng lại tan trong nước, không giống dầu có nguồn gốc dầu mỏ. Bio-oil chứa ít nitơ hơn sản phẩm dầu mỏ, hầu như không có kim loại nặng và lưu huỳnh trong thành phần. www.themegallery.com Company Logo Tính chất của Bio-Oil Nước : Bio-oil có hàm lượng nước cao, khoảng 15-35 % khối lượng, bắt nguồn từ hơi ẩm trong nhập liệu và được sinh ra của sự hydrat hóa trong suốt phản ứng nhiệt phân và dự trữ. Oxy : Hàm lượng oxygen của các bio-oil thường trong khoảng 35-40% khối lượng, được đóng góp từ hơn 300 hợp chất. Độ nhớt : thay đổi trong khoảng rộng tùy vào nguyên liệu và quá trình nhiệt phân. Thay đổi theo thời gian tồn trữ. www.themegallery.com Company Logo www.themegallery.com Company Logo Tính chất của Bio-Oil Tính acid : Các bio-oil gồm có các axit carboxylic, như axit acetic và axit formic, dẫn đến giá trị pH thấp 2-4. Bio-oil của gỗ thông có pH = 2,6, trong khi của gỗ cứng là 2,8 Nhiệt trị : thấp, bio-oil của các cây dầu có nhiệt trị cao hơn so với rơm rạ, gỗ hoặc chất thải nông nghiệp. Tro : có thể gây ra sự ăn mòn trong các động cơ và các van, thậm chí làm hư hỏng khi hàm lượng tro cao hơn 0,1 % khối lượng.Natri, kali và vanadi gây ra vấn đề ăn mòn ở nhiệt độ cao, trong khi calci gây ra các lắng tụ cứng www.themegallery.com Company Logo www.themegallery.com Company Logo Bio-Oil vs Fuel  Ưu điểm của Bio-Oil dùng làm nhiên liệu : o Không phát thải SOx. o CO2 phát thải không đáng kể, thấp hơn 7%. o Giảm 50% phát thải NOx. o Giảm 75% khí nhà kính. => Nhược điểm : không ổn định, có pH thấp nên dễ gây ăn mòn trong quá trình tồn trữ vận chuyển... Nhiệt phân Biomass thu Bio-Oil Biomass :là tập hợp của các hợp chất hữu cơ có nguồn gốc từ thực vật (rễ, thân, lá) và động vật (chất thải động vật, vi sinh vật) mà chúng có thể được sử dụng làm nhiên liệu hay đưa vào sản xuất công nghiệp. Biomass hiện tại là nguồn tài nguyên rất lớn nhưng chưa được khai thác và sử dụng triệt để. Hằng năm cả thế giới sản xuất ra khoảng 2 tỉ tấn cây lương thực. Đi đôi với sản lượng đó hàng năm là lượng chất thải tương đương 3 tỉ tấn/năm www.themegallery.com Company Logo www.themegallery.com Company Logo Nhiệt phân Biomass thu Bio Oil Nhiệt phân là phương pháp phân hủy hóa học vật liệu hữu cơ trong điều kiện không có oxy. Đây là phương pháp chính để thu được nhiên liệu lỏng trực tiếp từ sinh khối(biomass). Nguyên liệu : • Chất thải nông nghiệp: rơm, trấu, bã mía, lá mía, phân gia súc, gia cầm. • Vật liệu từ gỗ: gỗ thải trong xây dựng, mùn cưa, dăm bào… • Các nguồn chất thải công nghiệp: công nghiệp giấy, công nghiệp chế biến lương thực thực phẩm. • Nguồn tinh bột từ cây trồng: lúa, bắp, khoai mì… www.themegallery.com Company Logo Thành phần biomass Thành phần biomass www.themegallery.com Company Logo Sản phẩm của quá trình nhiệt phân bao gồm: khí (gas) bao gồm methane, hydrogen, CO và CO2; lỏng (dầu nhiệt phân); và rắn (than charcoal) Có thể chia nhiệt phân thành hai quá trình: Nhiệt phân sơ cấp Nhiệt phân thứ cấp. www.themegallery.com Company Logo Nhiệt phân sơ cấp Quá trình nhiệt phân sơ cấp là quá trình xảy ra trong pha rắn, bản chất là phản ứng depolymer hóa. Cơ chế của quá trình này là cơ chế gốc tự do. Ở nhiệt độ lớn hơn 300oC, một số chất chứa các liên kết carboxyl yếu bị phân hủy (gọi là phản ứng decarboxyl hóa): RCOOH → RH + CO2 www.themegallery.com Company Logo Sự hình thành các gốc tự do như sau: www.themegallery.com Company Logo           OHROHR RArRAr RRRR HArHAr HRHR 2121 Và sau đó có thể: www.themegallery.com Company Logo RRRR    Nước được sinh ra do phản ứng: OHOHH 2   Bằng cách như thế, hydrocarbon sinh ra sẽ có số carbon khác nhau, nằm trong khoảng các nhiên liệu lỏng và khí. Nhiệt phân thứ cấp Quá trình nhiệt phân thứ cấp là quá trình xảy ra trong pha khí. Các hợp chất dễ bay hơi sẽ bị phân hủy nhiệt và hình thành nên các metaplast nhỏ hơn nữa, và dẫn đến tạo ra nhiều khí CO, H2. Điều này làm cho sản phẩm lỏng, tức dầu nhiệt phân giảm. Điều kiện nhiệt độ cao, thời gian phản ứng dài... sẽ thúc đẩy quá trình này www.themegallery.com Company Logo Công nghệ nhiệt phân Nhiệt phân chậm : thời gian khoảng 5-30 phút, nhiệt độ khoảng 450-600 www.themegallery.com Company Logo Nhiệt phân nhanh : thời gian 1-5s, nhiệt độ khoảng 500-650 www.themegallery.com Company Logo RTP www.envergent.com Fast Hydro Pyrolysis Kỹ thuật nhiệt phân Tốc độ gia nhiệt Thời gian lưu Nhiệt độ, oC Sản phẩm chính Carbonation Rất chậm Vài ngày 400 Than Slow pyrolysis Chậm 5-30 phút 600 Dầu nhiệt phân, khí, than Fast pyrolysis Rất nhanh 1-5 giây 650 Dầu nhiệt phân www.themegallery.com Company Logo Cơ cấu sản phẩm nhiệt phân : Estimated Operational Cost of Bio-Oil Facility www.themegallery.com Company Logo 61%16% 4% 6% 6% 5% 2% Purchasing Wood Payroll Supplies & Services Maintenance Utilities, production Property Taxes Utilities, other www.themegallery.com Company Logo Cole-Hill Fuel Type Oil Kerosene Propane Natural Electric Wood Bio-Oil Gas Cost per Unit $1.116 $1.468 $1.414 $0.700 $0.104 $185 $0.40 per gal per gal per gal per therm per kWh per cord per gal BTU per Unit 138,000 134,000 91,000 100,000 3412 24,000,000 70,503 per gal per gal per gal per therm per kWh per cord per gal Heating System 80% 80% 80% 80% 100% 60% 80% Efficiency Cost per 100,000 BTU $1.01 $1.37 $1.94 $0.87 $3.06 $1.28 $0.71 www.themegallery.com Company Logo Fuel Type Bio-Oil Moisture Content of Wood 25% 35% 55% 25% 35% 55% Plant Size 50 tpd 50 tpd 50 tpd 400 tpd 400 tpd 400 tpd Base Cost per Unit 0.55$ 0.67$ 1.06$ 0.50$ 0.61$ 0.98$ per gal per gal per gal per gal per gal per gal BTU per Unit 70,503 per gal Heating System Efficiency 80% Cost per 100,000 BTU $0.98 $1.19 $1.88 $0.89 $1.08 $1.74 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình nhiệt phân Nhiệt độ : oỞ nhiệt độ cao, xu hướng tạo ra các sản phẩm khí nhiều hơn do xảy ra quá trình cracking mạnh hơn tạo sản phẩm có phân tử lượng nhỏ. oỞ nhiệt độ thấp tạo thành sản phẩm lỏng và than nhiều hơn. www.themegallery.com Company Logo Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình nhiệt phân Nguyên liệu :Khi nguyên liệu đầu vào của quá trình nhiệt phân thay đổi thì cơ cấu phần trăm của các loại sản phẩm sẽ thay đổi. www.themegallery.com Company Logo TT Nguyên liệu Sản phẩm, % Khí Lỏng Than 1 2 3 Vỏ bào Giấy Chất thải rắn đô thị 33 25 28 30 56 17 37 19 55 www.themegallery.com Company Logo www.envergent.com Size of Plant vs. Production cost per gal Bio-Oil www.themegallery.com Company Logo  Kích thước nguyên liệu: Tốc độ gia nhiệt : Khi gia nhiệt nhanh sẽ thu được thành phần khí nhiều hơn so với gia nhiệt chậm. www.themegallery.com Company Logo Quá trình Thời gian phản ứng Nhiệt độ, oC Tốc độ tăng nhiệt độ nhiệt phân Sản phẩm chính Carbon hóa Giờ-ngày 300-500 Rất chậm Than Nhiệt phân chậm Giờ 400-600 Chậm Than, lỏng, khí Nhiệt phân chậm 5-30 phút 700-900 Trung bình Than, khí Nhiệt phân nhanh 0.1-2 giây 400-650 Nhanh Lỏng Nhiệt phân nhanh < 1 giây 650-900 Nhanh Lỏng, khí Nhiệt phân nhanh < 1 giây 1000-3000 Rất nhanh Khí Tốc độ sục khí Nitơ : • Mục đích của khí mang N2 là đuổi hết khí O2 ra khỏi bình phản ứng và mang khí sinh ra do nhiệt phân biomass không O2 lên thiết bị ngưng tụ. • Tốc độ sục khí Nitơ quá nhanh hay quá chậm đều làm giảm hiệu suất thu sản phẩm lỏng. => Lựa chọn tốc độ sục khí phù hợp ??? www.themegallery.com Company Logo Ứng dụng Bio-Oil www.themegallery.com Company Logo Ứng dụng Bio-Oil  Dùng làm nhiên liệu sản xuất điện : • ở Mỹ với 350 nhà máy điện sinh học, sản xuất trên 7.500 MW điện mỗi năm. • Việt Nam : dự án xử lý 1.500-3.000 tấn rác mỗi ngày, sản xuất 15 MW điện và 480.000 tấn phân NPK/năm.  Tạo nhũ tương với nước làm nhiên liệu đốt lò : nhiệt lượng cháy cao hơn, giảm phát thải SOx... www.themegallery.com Company Logo Tạo nhũ với Diesel : =>sự ăn mòn đến động cơ và các cụm lắp ráp. www.themegallery.com Company Logo In Future : LOGO