Làm thế nào để tối ưu hoá quy trình biến phân bò thành khí tổng hợp?

Năng lượng sinh khối là một trong những nguồn năng lượng thay thế nhiên liệu hóa thạch và được coi là nguồn năng lượng sạch, tái tạo. Sử dụng sinh khối làm nguồn năng lượng có thể làm giảm hiệu quả lượng phát thải các khí độc hại như CO2, NOx và SOx. Sinh khối liên quan đến các vật liệu hữu cơ khác nhau được tạo ra thông qua quá trình quang hợp bao gồm cây trồng, cây cối, động vật, chất thải hữu cơ, phân gia súc và gia cầm, cùng nhiều loại khác. Trong số các loại sinh khối khác nhau, phân gia súc và gia cầm góp phần gây ô nhiễm môi trường bao gồm ô nhiễm nguồn nước, ô nhiễm không khí và ô nhiễm đất.

 

Trong những năm gần đây, đã có nhiều phương pháp khác nhau để xử lý phân gia súc, gia cầm, như công nghệ tái chế thức ăn, công nghệ sử dụng lên men vi sinh vật và công nghệ tận dụng phân bón. Tuy nhiên, các phương pháp xử lý này có chu kỳ xử lý dài hơn, dễ bị ảnh hưởng bởi môi trường và hiệu quả thấp. Với sự phát triển của ngành chăn nuôi quy mô lớn trong những năm gần đây, một lượng đáng kể phân gia súc, gia cầm được thải ra. Do đó, phương pháp xử lý nhiệt hóa học phân gia súc, gia cầm đã trở thành một lựa chọn đầy hứa hẹn.

 

Thời gian qua đã có những tiến bộ trong việc xử lý nhiệt hóa học đối với phân gia súc và gia cầm. Khí hóa là một quá trình nhiệt hóa học quan trọng giúp chuyển đổi nguyên liệu sinh khối thô thành nhiên liệu khí trong điều kiện đốt cháy không hoàn toàn ở nhiệt độ cao. Sản phẩm cuối cùng của quá trình khí hóa là khí tổng hợp, chủ yếu bao gồm CO2, CO, H2, CH4 và các loại khí khác.

 

Khí tổng hợp có thể được sử dụng trong nhiều thiết bị chuyển đổi năng lượng khác nhau, chẳng hạn như động cơ đốt trong, tua bin khí và pin nhiên liệu. Khí hóa có thể được phân loại thành các loại khác nhau dựa trên tác nhân khí hóa, bao gồm khí hóa không khí, khí hóa hơi nước và khí hóa CO2. Quá trình khí hóa thường bao gồm hai quá trình: nhiệt phân – sinh khối được đun nóng để giải phóng các hợp chất dễ bay hơi và tạo thành than và khí hóa – than phản ứng với tác nhân khí hóa để tạo ra khí tổng hợp).

 

Phân gia súc, gia cầm là phế phẩm của chăn nuôi có ưu điểm là ít bị ảnh hưởng bởi thời tiết và biến đổi theo mùa so với các nguồn sinh khối khác. Ngoài ra, phân gia súc, gia cầm có nguồn cung dồi dào và khả năng tái tạo cao. Thêm vào đó, phân gia súc, gia cầm thường có độ ẩm cao, có thể thúc đẩy quá trình khí hóa hơi nước một cách hiệu quả, dẫn đến sản lượng khí hydro cao hơn. Sử dụng phân gia súc, gia cầm làm nguyên liệu khí hóa có nhiều hứa hẹn và có thể giảm thiểu ô nhiễm môi trường do nhiên liệu hóa thạch gây ra một cách hiệu quả.

 

Việc tối ưu hóa các thông số khác nhau trong quá trình khí hóa là rất quan trọng. Tuy nhiên, sự phức tạp và biến đổi của các quá trình khí hóa làm cho cấu trúc của thiết bị khí hóa trở nên phức tạp trong các thiết lập thử nghiệm. Hơn nữa, quá trình này bị ảnh hưởng bởi các điều kiện thí nghiệm tại chỗ và những hạn chế của thiết bị khí hóa, khiến việc hiểu đầy đủ các đặc tính khí hóa trở nên khó khăn. Các phương pháp mô phỏng phân tích và dự đoán có thể bù đắp một cách hiệu quả những thiếu sót cố hữu trong các hệ thống thử nghiệm.

 

Nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Nông nghiệp Hà Nam, Trung Quốc đã sử dụng phần mềm Aspen Plus để thiết lập mô hình khí hóa sinh khối cho quá trình khí hóa phân bò bằng nhiệt, dựa trên năng lượng tự do Gibbs giảm thiểu và tiến hành nghiên cứu có liên quan.

 

Các nhà nghiên cứu đã đánh giá tỷ lệ H2/CO và nhiệt trị thấp hơn (LHV) của khí tổng hợp thu được (còn được gọi là khí tổng hợp) bằng cách thay đổi các thông số như nhiệt độ khí hóa, tỷ lệ hơi nước trên sinh khối và áp suất. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc tăng nhiệt độ khí hóa tạo điều kiện cho hàm lượng H2 và CO tăng lên, trong đó H2 đạt đỉnh ở 800°C. Tăng hơi nước làm tác nhân khí hóa dẫn đến sản lượng H2 cao hơn. Tuy nhiên, tỷ lệ hơi nước trên sinh khối có tác động tiêu cực đến CO và CH4, dẫn đến giảm LHV. Áp suất khí hóa tối ưu được tìm thấy là 0,1 MPa. Mô hình này cũng có thể được sử dụng để dự đoán thành phần khí tổng hợp từ các nguyên liệu sinh khối khác và cho phép nghiên cứu sâu hơn về cải thiện quy trình khí hóa sinh khối.

 Nguồn:                 L.A (theo EurekAlert)

                               Vụ KHCN&MT – MARD