chương 8 năng lượng sinh khối
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (34.31 MB, 41 trang )
<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">
CHƯƠNG 8: NĂNG LƯỢNG
</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">GIỚI THIỆU NỘI DUNG
<b>8.1 GIỚI THIỆU NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI</b>
<b>8.2 TÀI NGUYÊN SINH </b>
</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">• Năng lượng sinh khối là dạng năng lượng được tạo thành từ nhiên liệu sinh học và chất hữu cơ
• Chủ yếu được sản xuất từ các sản phẩm dư thừa của công
nghiệp và lâm nghiệp. Chất thải đô thị, chất thải công nghiệp,
8.1 GIỚI THIỆU TÀI NGUYÊN SINH KHỐI
• Than đá, dầu mỏ và khí đốt tự nhiên, gỗ là nhiên liệu chính ngày nay, nhưng cũng đi kèm với các hậu quả nghiêm trọng
</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">8.2 TÀI NGUYÊN SINH KHỐI
Chất thải lâm nghiệp
• Những tài ngun khơng được thu hoạch hoặc sử dụng trong các quy trình lâm
nghiệp thương mại
• Bao gồm các vật liệu từ cây chết và sắp chết.
Cây thủy sinh
• Bao gồm tảo, tảo bẹ khổng lồ, rong biển khác và hệ vi sinh vật biển
Chất thải đơ thị
• Vật liệu hữu cơ dựa trên thực vật như giấy vụn, chất thải gỗ...
• Được tạo ra từ chất thải cơng
nghiệp, khu dân cư và thương mại
</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">8.2 TÀI NGUYÊN SINH KHỐI
Chất thải động vật
• Vật liệu hữu cơ và được tạo ra từ các trang trại và hoạt động chế biến động vật
• Sử dụng làm nhiên liệu sưởi ấm ở một số nơi trên thế giới.
</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">8.3 CHUYỂN ĐỔI SINH KHỐI THÀNH NHIÊN LIỆU SINH HỌC
• Sinh khối có thể được chuyển đổi thành nhiên liệu lỏng hoặc khí dựa trên
• Q trình chuyển đổi sinh hóa • Q trình chuyển đổi nhiệt hóa • Q trình khí hóa
• Q trình nhiệt phân
• Q trình chuyển đổi quang sinh học
</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">Quá trình chuyển đổi sinh
• Sinh khối được đốt nóng trong mơi trường thiếu oxy để tạo ra khí
Q trình nhiệt phân • Sinh khối tiếp xúc với
nhiệt độ cao mà khơng có khơng khí, khiến nó bị phân hủy
• Sử dụng hoạt động quang hợp tự nhiên của sinh vật để sản xuất nhiên liệu sinh học trực tiếp từ ánh sáng mặt trời
Quá trình chuyển đổi quang sinh học
</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">A. Năng lượng thu được từ thực vật, gỗ, rơm, rác và chất thải.
B. Năng lượng thu được từ vi sinh vật, vi khuẩn có lợi trong tự nhiên.
C. Năng lượng thu được từ các loài động vật hoang dã.
D. Năng lượng thu được từ các khối đá trong thiên nhiên.
Năng lượng sinh khối là:
CÂU HỎI ƠN TẬP
</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">A. Có thể gây cạn kiệt dần nguồn tài nguyên thiên nhiên của quốc gia.
B. Chi phí sản xuất cao khiến cho giá thành sản phẩm cũng cao theo.
C. Ô nhiễm nhiều hơn năng lượng hóa thạch. D. Phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và khí hậu
Đâu là nhược điểm của năng lượng sinh khối?
CÂU HỎI ÔN TẬP
</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">8.4 SẢN PHẨM CỦA NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI
</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">Hai cách sử dụng phổ biến của ethanol cho ô tô ở Hoa Kỳ bao gồm gasohol và E85. Gasohol là hỗn hợp xăng-ethanol với 10% ethanol trong khi E85 chứa 85% ethanol.
Ethanol được làm chủ yếu từ tinh bột trong hạt ngô. Ngô, củ cải đường, mía và thậm chí cả cellulose (gỗ và giấy) là một số nguồn ethanol
</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">VÍ DỤ 8-1 Trong q trình sản xuất etanol, ngun liệu có hàm lượng đường cao trước tiên được chuyển đổi thành đường, và Ethanol Sản xuất đường (glucose) được lên men thành ethanol. Xét 100 kg rễ củ cải đường có hàm lượng đường từ Đường chiếm 30 phần trăm tổng khối lượng. Có thể sản xuất bao nhiêu etanol từ những củ cải đường này?
</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">Khối lượng mol của C, H2 và O2 lần lượt là 12 kg/kmol, 2 kg/kmol và 32 kg/kmol (Bảng A-1). Phản ứng chuyển glucozơ thành etanol là
</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">Biodiesel là este etyl hoặc metyl được sản xuất thơng qua q trình kết hợp các loại dầu có nguồn gốc hữu cơ với etanol hoặc metanol với sự có mặt của chất xúc tác
HHV của dầu diesel sinh học là khoảng 40.700 kJ/kg (17.500 Btu/lbm), thấp hơn khoảng 12% so với dầu diesel từ dầu mỏ (HHV = 46.100 kJ/kg).
Hỗn hợp dầu diesel sinh học phổ biến nhất được sử dụng ở Hoa Kỳ là B20, bao gồm 20% dầu diesel sinh học và 80% dầu diesel thông thường
Dầu diesel sinh học cũng được sử dụng làm nhiên liệu đơn lẻ trong động cơ đánh lửa do nén, được gọi là B100. Trong khi B20 có thể được sử dụng trong động cơ diesel mà khơng cần sửa đổi gì, thì B100 thường u cầu sử dụng vật liệu đặc biệt cho các bộ phận như ống mềm và miếng đệm.
</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">Methanol hoặc rượu metylic (CH3OH) có HHV là 22.660 kJ/kg và LHV là 19.920 kJ/kg. Khơng có mức giảm phát thải đáng chú ý do sử dụng M10 trong động cơ nhưng M85 giảm đáng kể lượng khí thải HC và carbon monoxide (CO) đồng thời thay thế nhiều xăng tiêu thụ hơn.
Methanol có thể được sản xuất từ các nguồn hóa thạch hoặc sinh khối.
</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16"><b>Pyrolysis Oil</b>
Pyrolysis oil (Dầu nhiệt phân) được tạo ra khi sinh khối tiếp xúc với nhiệt độ cao mà khơng có khơng khí, khiến nó bị phân hủy
Sản phẩm được oxy hóa cao và có lượng nước đáng kể. Điều này làm cho các chất lỏng này có tính ăn mịn và khơng ổn định với nhiệt trị thấp. Dầu nhiệt phân khơng thích hợp để thay thế cho nhiên liệu thông thường như xăng hoặc dầu diesel.
Một hóa chất gọi là phenol có thể được chiết xuất từ dầu nhiệt phân, và nó được sử dụng để làm chất kết dính gỗ, nhựa đúc và xốp cách nhiệt.
</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">Biogas, cịn được gọi là khí đầm lầy, khí bãi rác hoặc khí phân hủy, thường bao gồm 50 đến 80 phần trăm khí mê-tan (CH4) và 20 đến 50 phần trăm carbon dioxide (CO2) theo thể tích.
Khí sinh học có thể được sản xuất từ chất thải sinh học như phân động vật, chất thải thực phẩm và chất thải nông
nghiệp. Quá trình này được gọi là phân hủy kỵ khí, là quá trình phân hủy chất thải hữu cơ thành nhiên liệu khí nhờ hoạt động của vi khuẩn mà khơng có sự hiện diện của ox Khí sinh học có thể được cung cấp cho đường ống dẫn khí đốt tự nhiên sau khi loại bỏ carbon dioxide.
Nó có thể dễ dàng đốt cháy trong nồi hơi cho các ứng dụng sưởi ấm không gian, quy trình và nước. Nó cũng có thể
được sử dụng để tạo ra hơi nước trong nhà máy điện hơi nước để sản xuất điện
</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18"><b>EXAMPLE 8-2 Một loại khí sinh học nhất </b>
định bao gồm 75 phần trăm khí mê-tan (CH4) và 25 phần trăm carbon dioxide (CO2) theo Giá trị gia nhiệt theo thể tích. Nếu nhiệt trị cao hơn (HHV) của khí metan là 55.530 kJ/kg và nhiệt trị thấp hơn (LHV) của Khí sinh học là 50.050 kJ/kg thì HHV và LHV của khí sinh học này là bao nhiêu?
</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20"><b>Producer Gas</b>
Producer gas (Khí lị) được tạo ra bằng q trình khí hóa nhiệt, là q trình oxy hóa một phần sinh khối rắn ở nhiệt độ cao thành nhiên liệu khí
Khí lò thu được bao gồm carbon monoxide (CO), hydro (H2), metan (CH4), nitơ (N2) và carbon dioxide (CO2). Lưu ý rằng ngoại trừ N2 và CO2, các thành phần khác trong khí sản xuất đều là nhiên liệu
Thành phần của khí lị rất khác nhau. Giá trị gia nhiệt của khí sản xuất phụ thuộc vào tỷ lệ phần trăm của các loại khí thành phần và nó thay đổi trong khoảng từ 15 phần trăm đến 50 phần trăm giá trị gia nhiệt đối với khí tự nhiên.
</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21"><b>Synthesis Gas</b>
Synthesis gas (Khí tổng hợp) cịn được gọi là khí sinh tổng hợp hoặc khí tổng hợp, và được sản xuất bằng quá trình khí hóa nhiệt sử dụng oxy. Nó bao gồm CO và H2.
Khí tổng hợp thường được sản xuất từ khí tự nhiên, than đá và dầu diesel nặng. Tuy nhiên, chúng tôi quan tâm nhiều hơn đến việc sản xuất nó từ nguyên liệu sinh khối. Gỗ và sinh khối rắn khác có thể được sử dụng để sản xuất khí tổng hợp.
Ngoài việc được sử dụng làm nhiên liệu để chuyển đổi thành nhiệt và điện, khí tổng hợp có thể được sử dụng để sản xuất nhựa và axit, sau đó có thể được sử dụng để sản xuất phim ảnh, hàng dệt may và vải tổng hợp.
</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">8.5 SẢN XUẤT ĐIỆN VÀ NHIỆT BẰNG SINH KHỐI
</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">Việc sản xuất điện và nhiệt từ sinh khối được gọi là năng lượng sinh học
Quá trình này bao gồm các sản phẩm gỗ phế thải (tức là viên nén gỗ) có thể được đốt cháy trực tiếp trong nồi hơi thông thường để tạo ra hơi nước hoặc nước nóng. Hơi nước này được chạy qua tuabin kết hợp với máy phát điện để sản xuất điện năng.
Lượng khí thải sulfur dioxide của các nhà máy nhiệt điện than có thể giảm đáng kể bằng sinh khối đồng đốt. Phân hủy kỵ khí, hoặc thu hồi khí mê-tan, là một cơng nghệ phổ biến được sử dụng để chuyển đổi chất thải hữu cơ thành khí mê-tan và nhiệt
</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">EXAMPLE 8-4 Một chủ nhà hiện đang sử dụng lò sử dụng khí propan để sưởi ấm ngơi nhà vào mùa đơng nhưng anh ấy cân nhắc thay thế hệ thống này bằng một lị đốt viên gỗ. Chi phí chủ nhà hiện đang trả để sử dụng Lị sưởi trung bình $2500 mỗi năm để sưởi ấm không gian. Sử dụng các giá trị bên dưới, xác định số tiền mà chủ sở hữu Lị đốt viên gia đình tiết kiệm được từ việc sưởi ấm mỗi năm nếu anh ta thay thế lò đốt hiện tại bằng lò đốt viên.
</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">Câu hỏi trắc nghiệm
Sản phẩm sinh khối nào được sản xuất bằng q trình khí hóa nhiệt sử dụng oxy và nó
</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">• Một loại sinh khối quan trọng được sản xuất bởi các hộ gia đình dưới dạng rác hoặc rác thải. Đây được gọi là chất thải rắn đơ thị (MSW).
• MSW bao gồm hầu hết các vật liệu hữu cơ như giấy, thức ăn thừa, gỗ và rác thải cắt tỉa sân vườn nhưng cũng tồn tại một số thành phần hóa thạch như nhựa.
8.6 CHất thải rắn đơ thị
• MSW khơng bao gồm chất thải cơng nghiệp, chất thải nguy
hại hoặc chất thải xây dựng.
</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">8.6 CHất thải rắn đơ thị
• Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) thu thập và báo cáo dữ liệu về việc tạo ra và xử lý chất thải ở Hoa Kỳ. Dữ liệu này được sử dụng để đo lường mức độ thành cơng của các chương trình giảm thiểu và tái chế chất thải trên toàn quốc, dữ liệu này được tổng hợp và năm 2015, trong đó thống kê được 262,4 triệu tấn MSW đã được tạo ra ở Hoa Kỳ vào năm 2015
<b>H.8.2 Các loại vật liệu trong MSW và phần trăm </b>
của chúng ở Hoa Kì (EPA, 2018)
</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">8.6 CHất thải rắn đơ thị
• Một người Mỹ trung bình tạo ra 4,48 lbm (2,03 kg) chất thải rắn mỗi ngày và chỉ tái chế hoặc ủ 1,55 lbm (0,70 kg) chất thải này. Tổng sản lượng MSW đã tăng đều đặn kể từ năm 1960 nhưng bắt đầu giảm từ năm 2005 đến 2010. Lượng thải MSW bình quân đầu người đã tăng.
<b>H.8.3 Phát sinh chất thải rắn đô thị từ năm 1960 đến năm 2015 tại Hoa Kỳ, tổng số </b>
và tính theo đầu người (EPA, 2018). • Kể từ năm 1960 cho đến năm 2000
khi nó đạt giá trị tối đa là 4,74 lbm mỗi người mỗi ngày. Nó đã giảm từ năm 2000 đến 2010 nhưng tăng nhẹ cho đến năm 2015
</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">8.6 CHất thải rắn đô thị
• Văn hóa tái chế ở Hoa Kỳ đã được cải thiện đáng kể sau năm 1985 khi chỉ có 10,1% MSW được tái chế. Sau khi tỷ lệ tái chế tăng đáng kể từ năm 1985 đến năm 1995, tỷ lệ tái chế đã tăng đều đặn kể từ năm 1995.
<b>H.8.4 Tái chế rắn đô thị từ năm 1960 đến năm 2015 tại Hoa Kỳ </b>
(EPA, 2018). • . Trong năm 2015, 91,2 triệu tấn
MSW đã được tái chế hoặc ủ phân, chiếm 34,8% tổng số MSW. 67,8 triệu tấn được thu hồi thông qua tái chế trong khi 23,4 triệu tấn được làm phân trộn.
</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">8.6 CHất thải rắn đơ thị
• Tái chế đề cập đến việc thu hồi các vật liệu hữu ích như giấy, thủy tinh, nhựa và kim loại từ rác để sử dụng để tạo ra các sản phẩm mới. Mặt khác, ủ phân hữu cơ đề cập đến việc lưu trữ chất thải hữu cơ như thức ăn thừa và cỏ vụn trong vườn trong những điều kiện nhất định để giúp chúng phân hủy một cách tự nhiên. Sản phẩm thu được có thể được sử dụng làm phân bón tự nhiên.
<b>H.8.4 Tái chế rắn đơ thị từ năm 1960 đến năm 2015 tại Hoa Kỳ </b>
(EPA, 2018).
</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">8.6 CHất thải rắn đơ thị
• Tái chế làm giảm việc sử dụng nguyên liệu thô và giảm tiêu thụ năng lượng cũng như phát thải khí nhà kính, là
nguyên nhân gây ra hiện tượng nóng lên tồn cầu. Ơ nhiễm khơng khí và nước liên quan đến việc tạo ra các sản phẩm mới cũng đã được tránh.
<b>H.8.4 Tái chế rắn đô thị từ năm 1960 đến năm 2015 tại Hoa Kỳ </b>
(EPA, 2018). • Ngồi việc tái chế và ủ phân, lượng chất
thải cũng có thể giảm bằng cách ngăn ngừa chất thải, đó là thiết kế các sản
phẩm để giảm thiểu việc tạo ra chất thải và làm cho chất thải ít độc hại hơn.
</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">8.6 CHất thải rắn đô thị
• Đáng chú ý là việc xử lý chất thải tại bãi chôn lấp đã giảm từ 89% khối lượng được tạo ra vào năm 1980 xuống cịn 52,5% MSW vào năm 2015.
• Số lượng bãi chôn lấp của Hoa Kỳ đã giảm đều đặn trong những năm qua nhưng kích thước bãi chơn lấp trung bình đã tăng lên. Kể từ năm 1990,
tổng lượng MSW đổ vào các bãi chôn lấp đã giảm 7 triệu tấn, từ 145 triệu xuống còn 138 triệu tấn vào năm 2015.
<b>H.8.5 Sử dụng chất thải rắn đô thị ở Hoa Kỳ 12,8% </b>
Hoa Kỳ vào năm 2015) (EPA, 2018).
</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37">8.6 CHất thải rắn đơ thị
• Một nghiên cứu của EPA đã so sánh hai phương án sản xuất điện từ MSW. Lựa chọn đầu tiên được gọi là Biến chất thải thành năng lượng (WTE) , lựa chọn thứ hai được gọi là Biến khí bãi chơn chất thải thành năng lượng (LFGTE)
• Chất thải được đốt trực tiếp để tạo ra hơi nước. Hơi nước này được chạy qua
tuabin để tạo ra điện năng.
• Nó liên quan đến việc thu hoạch khí
sinh học (chủ yếu là khí mê-tan) từ chất thải chơn lấp khi nó phân hủy. Khí sinh học sau đó được sử dụng làm nhiên liệu trong động cơ đốt trong hoặc tuabin khí để tạo ra điện.
</div><span class="text_page_counter">Trang 38</span><div class="page_container" data-page="38">8.6 CHất thải rắn đơ thị
• . Khí sinh học sau đó được sử dụng làm nhiên liệu trong động cơ đốt trong hoặc tuabin khí để tạo ra điện. Nghiên cứu chỉ ra rằng đốt chất thải bằng phương pháp WTE có thể tạo ra lượng điện năng gấp 10 lần so với chôn lấp cùng một lượng chất thải bằng phương pháp LFGTE.
• Người ta cũng xác định rằng lượng khí thải nhà kính trên mỗi đơn vị điện được sản xuất ở các bãi chôn lấp cao hơn từ hai đến sáu lần so với ở các nhà máy đốt chất thải.
</div><span class="text_page_counter">Trang 39</span><div class="page_container" data-page="39">8.6 CHất thải rắn đơ thị
• Hình 8-6 đưa ra sơ đồ hệ thống xử lý MSW. Có nhiều lựa chọn khác nhau để xử lý MSW bao gồm tái chế, ủ phân,
chôn lấp tại bãi chôn chất thải, phân hủy kỵ khí để tạo ra khí mê-tan, sản xuất
điện và nhiên liệu từ chất thải (RDF- Refused Derived Fuel).
• RDF là phần dễ cháy của MSW được
chiết xuất bằng cách tách các chất không cháy ra khỏi phần dễ cháy của MSW.
RDF nên thu được ở dạng sao cho có thể đốt trực tiếp trong nồi hơi. Chỉ các chất thải hữu cơ mới được chấp nhận trong các cơ sở ủ phân.
<b>H.8.6 Sơ đồ hệ thống xử lý chất thải rắn đô thị (MSW).</b>
</div><span class="text_page_counter">Trang 40</span><div class="page_container" data-page="40">
