Biochar: một cái nhìn hiện đại

 

    Bài viết được dịch theo nghiên cứu của các tác giả E.Yu. Razumov, F.V. Nazipova được đăng tại tạp chí "Công nghiệp Chế biến gỗ" của Liên Bang Nga. 

           Ở Liên minh Châu Âu, việc tiêu thụ nhiên liệu khoáng sản bị hạn chế về mặt pháp lý. Theo các điều khoản của Nghị định thư Kyoto và các tiêu chuẩn được áp dụng ở nhiều quốc gia, không chỉ các hợp chất có hại được phân loại là khí thải, mà còn cả carbon dioxide, nếu nó được hình thành trong quá trình đốt cháy nhiên liệu không thể tái tạo. Nhiều nhà lò hơi và nhà máy điện ở Liên minh châu Âu chạy bằng than. Khí cacbonic và một phần oxit nhất định của photpho, lưu huỳnh, nitơ bay vào không khí. Doanh nghiệp bị phạt về  lượng khí thải. Đồng thời, khuyến khích sản xuất năng lượng sử dụng tài nguyên tái tạo (đốt nhiên liệu sinh học, sử dụng năng lượng từ thủy triều, gió, mặt trời và các nguồn năng lượng tương tự). Lần đầu tiên trên thế giới, nhà phát minh người Nga A.P. Vishnyakov vào nửa đầu thế kỷ 19. Ông gọi là than bánh là cacbolein. Quá trình xử lý nhiệt đã được các nhà khoa học Nga nghiên cứu kỹ lưỡng. Quay trở lại năm 1926, trong cuốn sách "Những bài luận về hóa học của gỗ" Nikolai Ignatievich Nikitin đã mô tả các giai đoạn của quá trình phân hủy nhiệt của gỗ và chỉ ra sự thay đổi tính chất của gỗ tùy thuộc vào mức độ phân hủy. Những quá trình này được thảo luận chi tiết và cân bằng trong cuốn sách của Vasily Nikolaevich Kozlov "Nhiệt phân gỗ", xuất bản năm 1952.

    Than sinh học là một loại nguyên liệu sinh học thay thế cho nhiên liệu hóa thạch được tìm thấy trong than đá. Bản thân ý tưởng này đã được nhà hóa học người Đức Friedrich Bergius mô tả vào năm 1910, nhưng vẫn chưa được phát triển do sự cạnh tranh mạnh mẽ từ các nguồn năng lượng truyền thống. Than sinh học có thể được làm từ vật liệu hữu cơ và thu được thông qua quá trình nhiệt phân. Kết quả là khí sinh học để đốt năng lượng, và chất hữu cơ được chuyển hóa thành các cục than sinh học. Bất kỳ sản phẩm hữu cơ nào, chẳng hạn như các sản phẩm nông nghiệp, lâm nghiệp hoặc chất thải của chúng, có thể được sử dụng để sản xuất than sinh học - chất thải rừng, tàn dư cỏ, cành cây ăn quả và các loại cây trồng trong vườn khác, và thậm chí cả phân gà.

    Đốt sinh khối rắn (tiếng Anh - torrelation) và tạo hạt tiếp theo của nó thành dạng viên; một công nghệ tương tự được sử dụng khi rang hạt cà phê. Quy trình rang lần đầu tiên được áp dụng vào những năm 1930 ở Pháp (động từ tiếng Pháp torrefier, có nghĩa là “rang”, chủ yếu được sử dụng để chỉ quá trình rang hạt cà phê). Không giống như hạt cà phê, sinh khối rắn được rang mà không có oxy ở nhiệt độ 200-330 ºC. Dạng viên nén, hoặc than sinh học (màu đen), có một số ưu điểm so với dạng viên thông thường, còn được gọi là màu trắng. Những ưu điểm này đặc biệt rõ ràng trong việc đồng đốt than viên và than tại các nhà máy nhiệt điện (TPP). Các kỹ sư điện hiện đại thường đốt than dưới dạng bụi thổi vào lò cùng với không khí. Bản chất của nhiệm vụ gắn với khái niệm "than sinh học" quyết tâm tạo ra loại nhiên liệu tái tạo này có thể nghiền thành bột và đốt trong các kiểu lò cấp nhiệt - giống như than đá. Các loại than khác nhau có nhiệt trị từ 17 đến 29 kJ / kg. Điều này có nghĩa là nhiên liệu sinh học mong muốn sẽ không tệ hơn. Do luật pháp khuyến khích sử dụng nhiên liệu tái tạo, than sinh học có thể đắt hơn một chút so với than cứng. Thuật ngữ "than sinh học" là một vật liệu được làm từ bất kỳ nguyên liệu thực vật nào. Tuy nhiên, cả gỗ và các nguyên liệu thực vật khác ở dạng ban đầu đều không thích hợp để đốt trong nồi hơi đốt than mà không làm thay đổi công nghệ điều chế và đốt nhiên liệu. Những vật liệu này phải được sấy khô và xử lý nhiệt để tạo độ giòn và tăng nhiệt lượng của chúng. Viên nén được nén chặt có hiệu suất năng lượng cao (khoảng 6 mWh / t), không yêu cầu xử lý đặc biệt và có thể được bảo quản ngoài trời. Ngoài ra, chi phí vận chuyển và trung chuyển thấp hơn đáng kể so với các loại nhiên liệu sinh học khác, cho phép sản xuất than sinh học có lợi nhuận ở một khoảng cách đáng kể so với người tiêu dùng cuối cùng. Bảng dưới đây cho thấy các đặc điểm của viên nén than sinh học so với các loại nhiên liệu khác.

Bảng 1: Đặc điểm của viên nén than sinh học so với các loại nhiên liệu khác

Đặc tính	Gỗ vụn	Viên nén gỗ truyền thống	Viên nén dạng viên ( viên nén than sinh học)
Nhiệt trị thấp hơn (tùy thuộc vào độ ẩm và loại gỗ)	7,4-11,4 MJ / kg (1767-2722 kcal / kg)	17-18 MJ / kg (4059-4298 kcal / kg)	21-22 MJ / kg (5015-5253 kcal / kg)
Độ ẩm,%	30-50	<10	<1
Trọng lượng riêng, kg / m 3	250-400	650	900
Mật độ công suất, kW / m 3	815	3150	5085

Phân tích thành phần hóa học sản phẩm sinh khối sau khi nhiệt phân cho thấy nó thu được nhiệt lượng, cường độ năng lượng cao hơn và được cải thiện so với sinh khối không qua quá trình nhiệt phân. Quá trình nhiệt phân có thể áp dụng cho tất cả các loại sinh khối.

Bảng 2:  Ảnh hưởng của quá trình nhiệt phân tới các thành phần hóa học và vật lý của gỗ

Thành phần hóa học và đặc điểm vật lý của gỗ	Gỗ liễu trước khi nung chảy	Gỗ liễu sau khi nung, chế độ 250 ° С, 30 phút	Gỗ liễu sau khi nung, chế độ 300 ° С, 10 phút
Carbon,%	47,2	53.1	55,8
Hydrogen,%	6.1	5.9	5,6
Ôxy,%	45.1	40,9	36,2
Nitơ,%	0,3	0,4	0,5
Tro,%	1,3	1,5	1,9
Nhiệt trị, MJ / kg	17,6	19.4	21
Trọng lượng, kg	1	0,872	0,668

Theo kết quả nghiên cứu nhiệt động lực học của quá trình nung chảy và khí hóa gỗ, đặc tính của gỗ nung phụ thuộc trực tiếp vào loại gỗ được sử dụng, thời gian và nhiệt độ của quá trình. Bảng số 2 cho thấy kết quả so sánh các đặc điểm của cây liễu trước khi nung và sau khi xử lý theo hai chế độ.

Các công đoạn sản xuất viên nén than sinh học:

Toàn bộ quá trình sản xuất viên nén có thể chia thành  sáu giai đoạn như sau:

1. Chuẩn bị và xử lý nguyên liệu: 

    Tất cả các nguyên liệu thô được chia thành 2 nhóm - chất thải gỗ sạch và chất thải có vỏ cây. Sự tách biệt này là cần thiết cho việc sản xuất viên nén chất lượng thấp hơn. Chất thải không đồng đều theo từng phần của cây gỗ được nghiền thành mùn cưa. Đầu tiên, nguyên liệu thô được cắt nhỏ đến trạng thái vụn, và sau đó được đưa đến máy nghiền búa để đập nhỏ theo kích thước yêu cầu. Thông thường, phần cuối cùng ở giai đoạn này là mùn cưa nhỏ hơn 4 mm.

2. Sấy khô và nhiệt phân nguyên liệu:

    Gỗ phải được làm khô trước khi nhiệt phân. Độ dày của miếng gỗ đóng vai trò thiết yếu đối với tốc độ và độ đồng đều của quá trình sấy. Không thể nhanh chóng đạt được cùng độ ẩm trong tất cả các lớp của một khúc gỗ dày. Mảnh càng mỏng thì các đặc tính của nó càng thay đổi đồng nhất trong quá trình nhiệt phân. Điều này cũng áp dụng cho các giai đoạn tiếp theo của tác động nhiệt lên gỗ. Vì vậy, nên ưu tiên sử dụng gỗ vụn. Giai đoạn nung chảy được giảm xuống để loại bỏ các chuỗi phân tử phức tạp nhất cấu tạo nên gỗ. Theo các nhà nghiên cứu (Nikitin N.I. Chemistry of wood and cellulose. M.-L., 1962), ở 240 ^o C, pentosan bị phá hủy hoàn toàn, cellulose mất tới một phần ba khối lượng và lignin hầu như không bị phá hủy, nhưng nó bị polime hóa một lượng đáng kể.

3. Dưỡng ẩm: 

    Mùn cưa được ép thành dạng viên nhờ quá trình kết dính cơ học và quá trình kết hợp lignin của gỗ. Sau đó cần sự kết hợp của các yếu tố như áp suất, nhiệt độ, nước. Để hoạt động hiệu quả, hơi nước và nước phải được thêm vào nguyên liệu thô trước khi ép. Chỉ cần nước đối với mùn cưa của cây lá kim. Nếu không có quá trình làm ẩm này, các hạt sẽ có chất lượng cao hơn nhưng do lực ma sát nên dễ dẫn đến quá trình cháy.

4. Tạo viên:  

    Bản thân máy tạo viên nén là thiết bị sản xuất chính. Máy tạo viên nén bao gồm một động cơ, một khuôn nén (phân biệt giữa loại phẳng và trống), con lăn để đẩy nguyên liệu thô và dao để cắt hạt thành phẩm. Bạn có thể thay đổi đường kính của hạt bằng cách lắp khuôn có đường kính lỗ theo yêu cầu. Các con lăn đẩy mùn cưa đã chuẩn bị qua bộ phận làm nóng có lỗ và làm nóng nguyên liệu thô do ma sát cơ học. Sau khi rời khỏi khuôn nén, các viên được tạo thành sẽ nguội đi, lignin được polyme hóa và sau đó được cắt ra bằng dao tự động.

 

5. Làm nguội: Trong máy ép viên nén, nguyên liệu thô chỉ có thể được làm nóng đến 100 ° C do ma sát, do đó, trong quá trình sản xuất viên nén, chúng được chạy qua thiết bị làm mát, ở đó viên nén sẽ có được độ cứng cần thiết.

6. Đóng gói sản phẩm:  

    Viên nén  sản xuất ra được đóng trong các bao lớn - "bao lớn", có sức chứa 500-1000 kg, hoặc bao bì tiêu dùng nhiều hơn - bao từ 15-25 kg. Sử dụng trong công nghiệp ngụ ý việc phát hành viên nén với số lượng lớn trong các boongke đặc biệt. Than viên nén đã được gọi là than sinh học và chúng có những ưu điểm sau: không cần bảo quản đặc biệt, tốc độ cháy tốt hơn, gần giống than, không thối, không nở, không mốc. Viên nén đã được nén có tính kỵ nước, nghĩa là, khả năng đẩy lùi độ ẩm và chống lại các quá trình thối rữa và lên men, do đó có thể bảo quản chúng ngay cả trong không khí thoáng. Vị trí tối ưu của viên trong quá trình bảo quản - trên pallet gỗ hoặc ván. Trong quá trình nung chảy, các đặc tính của sinh khối thay đổi đáng kể: cấu trúc của xenlulo bị phá hủy, một phần đáng kể của hơi ẩm bay hơi, các phân tử carbon, hydro và oxy tự do được hình thành. Về cấu trúc, hạt nung chảy tương tự như than đá, vì trong quá trình hóa học trong gỗ và sinh khối thực vật khác trong quá trình nung chảy, tất cả cacbon được chuyển hóa thành than sinh học (hydrocacbon không bão hòa), oxy hóa và phản ứng với các phân tử oxy. Than sinh học có các đặc tính tương tự như than hóa thạch và có thể được đốt cháy với nó mà không gặp bất kỳ vấn đề gì. Do kết quả của quá trình nung, độ ẩm của viên nén nung chảy giảm đi đáng kể, chúng trở nên giòn và dễ vỡ vụn hơn so với viên nén thông thường. Vì vậy, khi đồng đốt TP với than, không cần nâng cấp dây chuyền cấp nhiên liệu công nghệ - không cần lắp thêm máy nghiền viên và hệ thống cấp liệu riêng. Ngoài ra, than sinh học là một nguyên liệu thô tự nhiên thu được bằng cách phân hủy nhiệt hóa ở nhiệt độ cao sinh khối có nguồn gốc thực vật trong điều kiện không có oxy (nhiệt phân). Không giống như than, được sử dụng để tạo ra nhiệt, đặc biệt là than sinh học, được sử dụng trong nông nghiệp như một phương tiện cải thiện chất lượng đất. Nó thúc đẩy sự tích tụ các chất dinh dưỡng trong đất, đặc biệt quan trọng trong điều kiện đất đai cạn kiệt, đồng thời có tác động tích cực đến số lượng, thành phần và hoạt động của vi sinh vật trong đất, tăng độ phì nhiêu và năng suất của đất. Than sinh học có khả năng lưu trữ carbon trong đất, dẫn đến giảm hàm lượng carbon dioxide trong khí quyển, và do đó, giúp giảm hiệu ứng nhà kính. Than sinh học cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc duy trì độ ẩm cho đất trong điều kiện khô hạn. Than sinh học không chỉ có tiềm năng mở ra thị trường  trong nông nghiệp và công nghiệp, nó còn có thể bảo vệ đất và khí hậu của hành tinh.

    Nguồn: http://dop1952.ru/statues-statue_id-9.html

    Trong bài dịch có thể có những từ sử dụng chưa được chính xác, mong nhận được sự góp ý của Quý bạn đọc. Mọi ý kiến góp ý có thể Comment ở cuối bài. Xin chân thành cảm ơn!