Các công nghệ chuyển đổi năng lượng sinh khối - Phần 1 1. Giới thiệu Việc chuyển đổi sinh khối thành năng lượng (hay còn gọi là năng lượng sinh khối) bao gồm nhiều phương pháp khác nhau phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu, công nghệ chuyển đổi, các hình thức ứng dụng của năng lượng sinh khối và điều kiện kinh tế của mỗi địa phương, mỗi quốc gia. Nguồn nguyên liệu sinh khối có thể được sản xuất từ các loại cây trồng năng lượng chuyên dụng, cây trồng làm chất đốt ngắn ngày, các sản phẩm từ rừng và dư lượng nông nghiệp như: thân cây, củi, rơm rạ … hay từ các nguồn chất thải công nghiệp, chất thải hữu cơ hoặc phân động vật. Trong mỗi trường hợp các nguyên liệu sinh khối phải được thu thập, vận chuyển và lưu trữ trước khi được chế biến thành dạng nguyên liệu thích hợp cho quá trình xử lý. Theo đó, năng lượng sinh khối là một dạng của năng lượng tái tạo khi sử dụng sẽ giúp giảm tác động có hại của việc khai thác và sử dụng nhiên liệu hoá thạch như hiện nay. Tuy nhiên, cũng như với bất kỳ nguồn năng lượng nào khác, năng lượng sinh khối cũng có những hạn chế nhất định và nó phải cạnh tranh không chỉ với nhiên liệu hóa thạch mà còn với các nguồn năng lượng tái tạo khác từ gió, năng lượng mặt trời và thủy triều. Trong bài trước đã trình bày tổng quan về các nguồn và các loại sinh khối cũng như đặc điểm của chúng. Trong phần này tác giả sẽ trình bày đánh giá ngắn gọn về quá trình chuyển đổi năng lượng sinh khối, với việc nhấn mạnh vào việc sản xuất nhiên liệu dạng khí phù hợp cho động cơ đốt trong. Mục đích của việc sản xuất này là bổ sung nguồn cung cấp khí giàu mê-tan sản xuất bởi quá trình kỵ khí các chất thải hữu cơ trong xử lý chất thải và các dư lượng. Hiện nay tại các nước phát triển, khí sản xuất từ quá trình phân huỷ chất hữu cơ được sử dụng rộng rãi làm nhiên liệu cho các nhà máy phát điện. Điện sản xuất dưới hình thức này coi như là một nguồn năng lượng tái tạo thân thiện môi trường với giá thành cạnh tranh. Việc sử dụng khí từ quá trình phân rải chất hữu cơ còn tạo cơ hội sử dụng chất thải để sản xuất năng lượng sinh khối, qua đó giúp thúc đẩy xử lý chất thải của bãi chôn lấp như một hình thức bền vững của quản lý chất thải. 2. Các công nghệ chuyển đổi năng lượng sinh khối Sinh khối có thể được chuyển đổi thành các dạng năng lượng hữu ích bằng cách sử dụng một số quy trình khác nhau. Các yếu tố ảnh hưởng đến lựa chọn công nghệ chuyển đổi là: chủng loại và số lượng nguyên liệu sinh khối, yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm, điều kiện kinh tế cũng như các yếu tố khác để thực hiện của từng dự án. Sinh khối có thể được chuyển đổi thành ba loại sản phẩm chính, trong đó, hai loại liên quan đến năng lượng là điện / nhiệt và nhiên liệu vận tải, một loại nữa là nguyên liệu hóa học. Chuyển đổi sinh khối thành năng lượng được thực hiện bằng cách sử dụng hai công nghệ chính là: hóa nhiệt và hóa sinh học. Ngoài ra, còn một hình thức nữa để chuyển đổi sinh khối thành năng lượng đó là sản xuất xăng sinh học. Tuy nhiên, xăng sinh học hiện nay chưa được phổ biến nhưng với việc gia tăng áp lực về giảm khí phát thải, giảm thiểu ô nhiễm môi trường đặc biệt là ở các thành phố lớn sẽ làm thay đổi sang việc sử dụng xăng sinh học trong tương lai gần. Hiện nay, có 4 hình thức chuyển đổi hóa nhiệt đó là: đốt cháy, nhiệt phân, khí hoá và hóa lỏng. Chuyển đổi hóa sinh học bao gồm hai hình thức chính đó là: tiêu hóa và lên men. 3. Chuyển đổi hoá - Nhiệt Sơ đồ tổng thể của quá trình, các giai đoạn và các sản phẩm năng lượng cuối cùng từ quá trình chuyển đổi hóa - nhiệt được thể hiện trong hình 1 Hình 1. Các quá trình chính, các thiết bị sử dụng năng lượng trung gian và các sản phẩm cuối của quá trình chuyển đổi hoá - nhiệt sinh khối. 3.1. Đốt cháy Việc đốt sinh khối đang được sử dụng rộng rãi để chuyển đổi năng lượng hóa học dự trữ trong sinh khối thành nhiệt, năng lượng cơ học hoặc điện bằng cách sử dụng các thiết bị của quá trình xử lý như bếp lò, lò nung, lò hơi, tua bin hơi, máy phát điện… Việc đốt sinh khối có thể sinh ra khí nóng ở nhiệt độ khoảng 800-1000 ° C. Nó có thể để đốt bất kỳ loại nhiên liệu sinh khối nào nhưng trong thực tế quá trình cháy chỉ xảy ra với loại sinh khối có độ ẩm nhỏ hơn 50%, còn các loại sinh khối chứa độ ẩm cao thì phù hợp hơn với các quá trình chuyển đổi sinh học. Quy mô của việc sử dụng sinh khối đốt từ rất nhỏ như để sưởi ấm dân dụng đến các nhà máy công nghiệp với công suất từ 100-3000 MW. Việc kết hợp đốt sinh khối với đốt than trong các nhà máy sản xuất điện là một lựa chọn đặc biệt hấp dẫn vì hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao. Trong khi đó hiệu suất chuyển đổi năng lượng sinh khối của các nhà máy điện chỉ đốt sinh khối chỉ đạt từ 20% đến 40%. Tuy nhiên việc đốt sinh khối sẽ không được xem xét kỹ trong bài, vì hình thức này sẽ không chuyển đổi sinh khối thành nhiên liệu thích hợp cho sử dụng trong động đốt trong hay tuabin khí . 3.2. Khí hoá Khí hóa là việc chuyển đổi sinh khối thành một hỗn hợp khí dễ cháy bởi quá trình oxy hóa một phần sinh khối ở nhiệt độ cao, thường trong khoảng 800-900 ° C. Loại khí này có thể được đốt cháy trực tiếp hoặc được sử dụng như một loại nhiên liệu cho các động đốt trong và tua bin khí. Hoặc các sản phẩm khí có thể được sử dụng như một nguyên liệu (khí tổng hợp) trong sản xuất hóa chất như methanol. Chu trình khí hóa tổng hợp hoặc kết hợp sinh khối (BIG / CC), nơi tua bin khí chuyển đổi nhiên liệu khí thành điện năng với hiệu suất chuyển đổi cao hơn. Một ưu điểm khác của hệ thống BIG / CC là khí được làm sạch trước khi được đốt, cho phép ít phải sử dụng các thiết bị làm sạch khí đắt tiền cũng như khối lượng khí phải làm sạch sẽ giảm. Việc tích hợp khí hóa và tận dụng lượng nhiệt đốt sẽ đảm bảo một hiệu suất chuyển đổi cao từ 40-50% cho một nhà máy có công suất 30-60 MW. Tuy nhiên, hiện nay, công nghệ BIG / CC mới chỉ dừng lại ở giai đoạn thử nghiệm. Ngoài ra, việc sản xuất khí tổng hợp từ sinh khối cho phép sản xuất methanol và hydro, trong tương lai chúng đều có thể trở thành nhiên liệu dùng cho giao thông vận tải. 3.3. Nhiệt phân Nhiệt phân là việc chuyển đổi sinh khối thành chất lỏng, chất rắn hoặc khí bằng cách nung nóng sinh khối thiếu khí ở nhiệt độ khoảng 500 ° C. Hình 2: Các s ản phẩm có thể có của quá trình nhiệt phân Quá trình Nhiệt phân được sử dụng chủ yếu để sản xuất dầu sinh học, nếu sử dụng nhiệt phân đèn flash cho phép chuyển đổi sinh khối thành nhiên liệu sinh học thô với hiệu suất lên đến 80% . Dầu sinh học có thể được sử dụng trong động cơ và tua- bin hay việc sử dụng nó làm nguyên liệu cho các nhà máy lọc dầu cũng đang được xem xét. Tuy nhiên các vấn đề của quá trình chuyển đổi và việc sử dụng các sản phẩm dầu sinh học vẫn cần được tiếp tục nghiên cứu chẳng hạn như sự ổn định nhiệt ít hay việc ăn mòn động cơ. Hiện nay, có thể cải thiện dầu sinh học bằng cách giảm lượng oxy và loại bỏ chất kiềm bằng hydro và cracking xúc tác của dầu để sử dụng cho các ứng dụng nhất định. Các phương pháp để nâng cao chất lượng của dầu sinh học được thể hiện trong hình 3. Hình 3. Các lựa chọn nâng cấp và xử lý cho dầu sinh học. 3.4. Các quá trình chuyển đổi khác Các quá trình khác sản xuất dầu sinh học còn có thể thực hiện bằng cách tăng nhiệt khí hydro (HTU) và hóa lỏng. Trong đó, HTU là chuyển đổi sinh khối trong một môi trường ẩm ướt ở áp suất cao để ôxy hoá một phần hydrocacbon. Tuy nhiên quá trình này vẫn còn đang ở trong giai đoạn thử nghiệm. Còn hóa lỏng là việc chuyển đổi sinh khối thành hydrocarbon lỏng ổn định bằng cách sử dụng nhiệt độ thấp và áp suất hydro cao. Do đó, sự quan tâm với hóa lỏng là thấp bởi vì các lò phản ứng và hệ thống cung cấp nhiên liệu, phức tạp hơn và đắt hơn nhiều so với quá trình nhiệt phân. Quá trình hoá lỏng được minh hoạ trong hình 4 Hình 4. Quá trình hoá lỏng. . Các công nghệ chuyển đổi năng lượng sinh khối - Phần 1 1. Giới thiệu Việc chuyển đổi sinh khối thành năng lượng (hay còn gọi là năng lượng sinh khối) bao gồm nhiều phương. xuất năng lượng sinh khối, qua đó giúp thúc đẩy xử lý chất thải của bãi chôn lấp như một hình thức bền vững của quản lý chất thải. 2. Các công nghệ chuyển đổi năng lượng sinh khối Sinh khối. trình chuyển đổi hóa - nhiệt được thể hiện trong hình 1 Hình 1. Các quá trình chính, các thiết bị sử dụng năng lượng trung gian và các sản phẩm cuối của quá trình chuyển đổi hoá - nhiệt sinh