Nghiên cứu công nghệ xử lý phụ phế phẩm nông nghiệp để tạo viên nhiên liệu (pellet) có nhiệt trị nâng cao

Chính bởi vậy mà công nghệ năng lượng tái tạo nói chung và đặc biệt là công nghệ sinh khối nói riêng cần phải quan tâm đi sâu nghiên cứu hơn nữa, trong bối cảnh như vậy đề tài “Nghiên cứ

BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC VÀ MÁY NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

VIỆN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY NÔNG NGHIỆP

-

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2012

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN

TT Họ và tên Học hàm, học vị, chuyên môn Chức vụ Cơ quan

1 Nguyễn Đình Tùng Tiến sĩ kỹ thuật Viện trưởng Viện máy Nông nghiệp

2 Nguyễn Đình Quý KS chế tạo máy Nghiên cứu viên Viện máy Nông nghiệp

3 Đỗ Thị Thanh Xuân Kỹ sư điện Phó trưởng phòng KT Viện máy Nông nghiệp

LỜI CÁM ƠN

Để hoàn thành đề tài này nhóm tác giả xin chân thành gửi lời cám ơn đến Bộ Công Thương, Vụ Khoa học Công nghệ là đơn vị quản lý Khoa học đã cung cấp kinh phí để nhóm tác giả thực hiện nghiên cứu này

LỜI MỞ ĐẦU

Việt Nam là một nước sản xuất nông nghiệp chiếm tới gần 80% dân số làm nông nghiệp Bởi vậy hàng năm sau mùa thu hoạch lượng tồn dư sinh khối từ phụ phẩm nông nghiệp chưa được sử dụng còn rất lớn Phần lớn lượng tồn dư này nông dân thường đổ đi xuống sông, ngòi, ao rạch, hoặc đốt ngay trên cánh đồng làm ô nhiễm môi trường (môi trường nước, môi trường khí)

Trong khi đó nhu cầu tiêu thụ năng lượng ngày một tăng theo sự phát triển của nền kinh tế đất nước, nhưng năng lượng từ các nguồn nhiên liệu hóa thạch (than, dầu, khí gas tự nhiên,…) ngày một cạn kiệt và còn gây ô nhiễm môi trường

Chính bởi vậy mà công nghệ năng lượng tái tạo nói chung và đặc biệt là công nghệ sinh khối nói riêng cần phải quan tâm đi sâu nghiên cứu hơn nữa, trong

bối cảnh như vậy đề tài “Nghiên cứu công nghệ xử lý nhiệt phụ phế phẩm nông nghiệp để tạo viên nhiên liệu (pellet) có nhiệt trị nâng cao” được đề ra

quan tâm nghiên cứu từ nhóm thực hiện đề tài là cần thiết, nó đáp ứng nhu cầu cấp bách hiện nay của việc ứng dụng nguồn năng lượng tái tạo thay thế cho nguồn năng lượng truyền thống từ nguồn nhiên liệu hóa thạch đang ngày một khan hiếm, thiếu hụt và ô nhiễm môi trường

Thay mặt nhóm thực hiện đề tài

TS Nguyễn Đình Tùng

Chương 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

Nội dung trong chương này chúng tôi đề cập một số vấn đề chính sau:

• Tiềm năng sinh khối từ phụ phế phẩm nông nghiệp ở Việt Nam,

• Công nghệ/thiết bị chuyển đổi năng lượng sinh khối

1.1 Tiềm năng sinh khối từ phụ phế phẩm nông nghiệp ở Việt Nam

Việt Nam là nước thuộc khu vực Đông Nam Á, có tổng diện tích khoảng 331.690 km2, trong đó khoảng gần 35% là rừng tự nhiên, 28,5% là đất canh tác, tập trung ở hai vùng chính: sông Hồng nằm ở phía Bắc Việt Nam và sông

Mê Kông nằm ở phía nam của Việt Nam Như phần lớn các nước Đông Nam

Á, ở Việt Nam năng lượng sinh khối có vai trò rất lớn trong việc bình ổn năng lượng quốc gia Sinh khối cung cấp 60-65% cho nhu cầu tiêu thụ năng lượng

sơ cấp [1, 2] Phần lớn năng lượng sinh khối cần cho việc sử dụng trong sinh hoạt gia đình ở các vùng nông thôn, miền núi, nơi có hơn 75% dân số sinh sống Nguồn sinh khối bao gồm các phụ phẩm từ cây trồng, các phụ phẩm từ

gỗ, các phế liệu từ công nghiệp chế biến gỗ, rác thải đô thị,… Hàng năm nước

ta có khoảng khoảng nửa triệu tấn vỏ cà phê, hơn năm triệu tấn bã mía, đặc biệt có gần bảy triệu tấn vỏ trấu, gần sáu triệu tấn cùi ngô….(hình 1.1)

Hình 1.1 Các nguồn sinh khối chủ yếu ở Việt Nam [ 1,2 ]

Trong những năm gần đây, công nghệ sinh khối (SK) đã, đang và sẽ phát triển ngày một nhanh, mạnh trên thế giới Công nghệ này góp phần thay thế dần các nguồn nguyên liệu hóa thạch, vì nguồn nguyên liệu hóa thạch đang dần

ngày càng cạn kiệt Hơn nữa các nguồn này còn gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng [2-5]

Điều đáng lưu ý, khác với các công nghệ năng lượng (NL) tái tạo khác, công nghệ năng lượng sinh khối (NLSK) không những chỉ thay thế NL hóa thạch

mà còn góp phần đáng kể trong việc xử lý chất thải, đây là nguồn nguyên liệu còn có thể tận dụng được để sản xuất ra NL (nhiệt, điện) Hơn thế nữa, lợi thế của SK còn có thể chủ động trong việc dự trữ và sử dụng khi cần và còn có tính chất ổn định Với tiềm năng SK như vậy, nếu được sử dụng để tạo ra NL nhiệt/điện thì sẽ góp phần làm ổn định hơn tình hình cung cấp điện, nhiệt thiếu hụt ngày càng lớn như hiện nay Các tác giả [2-5] cho thấy, hiện nay trên quy mô toàn cầu, thì NLSK là nguồn lớn thứ tư, chiếm khoảng 15% tổng

NL tiêu thụ của thế giới Nhất là ở các nước đang phát triển (trong đó có Việt Nam), SK thường là nguồn NL rất lớn, trung bình đóng góp khoảng 38% trong tổng cung cấp NL [2,5]

Tuy nhiên, trên thực tế hiện nay ở Việt Nam, phụ phẩm từ nguồn sinh khối nói chung, từ sản xuất nông nghiệp, chế biến nông sản nói riêng mới chỉ được sử dụng một phần nhỏ ở các vùng nông thôn miền núi vào đun nấu sinh hoạt hàng ngày (hình 1.2) còn phần lớn trong số đó bỏ thừa lãng phí mà chưa được sử dụng, đó còn là tác nhân gây ra ô nhiễm môi trường nước, ví dụ: khi người dân đổ trấu bừa bãi xuống các dòng sông (hình 1.2), ngoài gây ô nhiễm còn gây cản trở giao thông trên các dòng sông Gây ô nhiễm môi trường khí, ví dụ vào vụ thu hoạch người dân đốt rơm, rạ bừa bãi trên cánh đồng, ven đường giao thông nông thôn (hình 1.2)

Hình 1.2 Các hình ảnh về phụ phẩm nông nghiệp sử dụng một phần nhỏ để đun nấu, còn phần lớn chưa sử dụng gây ô nhiễm môi trường ở Việt Nam [ 2,8 ]

Trong khi đó, mấy năm gần đây giá của các nhiên liệu từ nguồn hóa thạch (dầu

mỏ, khí hoá lỏng, than đá…) trên thị trường thế giới liên tục tăng và liên tục biến động,

lên xuống thất thường ảnh hưởng đến sinh hoạt của người dân, và đặc biệt là ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động sản xuất kinh của các doanh nghiệp trong cả nước Trong khi đó ở Việt Nam các nguồn nguyên liệu từ phụ phẩm nông nghiệp tuy có rất nhiều nhưng chỉ một phần nhỏ được sử dụng vào việc đun nấu (hình 1.2), làm thức ăn cho gia súc, còn phần lớn trong số đó là thải bỏ, đổ ra môi trường sông ngòi, ao hồ gây ô nhiễm (hình 1.2) như đã nêu trên

Kết luận:

Qua phân tích trên đây cho thấy, để đáp ứng được nhu cầu năng lượng ngày càng lớn này, thì việc nghiên cứu ứng dụng các nguồn năng lượng tái tạo từ sinh khối (biomass) vào sản xuất là rất cần thiết, bởi các nguồn năng lượng nhiệt được tạo ra từ các nguồn nhiên liệu truyền thống như (than, dầu, khí…) có một số nhược điểm như: gây ra ô nhiễm môi trường, ngày càng kạn kiệt dần, không có khả năng tái tạo, biến động về giá cả, chịu ảnh hưởng lớn của chính trị trên thế giới…

Điều đó khẳng định rằng, việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo sinh khối để tạo ra năng lượng nhiệt là việc làm rất cần thiết vào thời điểm hiện nay ở Việt Nam Bởi chúng có rất nhiều ưu điểm như: nguồn nguyên liệu này có thể kiểm soát được, cùng một lúc vừa cung cấp nhiệt, vừa có thể sản xuất ra điện năng, hoặc đồng phát nhiệt- điện mà lại rất ổn định Nó góp phần thể thay thế cho nguồn nhiên liệu truyền thống và các nguồn nhiên liệu khác

Ngoài ra còn góp phần đáng kể vào mục tiêu chống thay đổi khí hậu, biến chất thải (phụ phẩm) của ngành nông-, lâm nghiệp thành nguồn năng lượng nhiệt sạch

Tuy nhiên, những hạn chế mà Việt Nam sẽ gặp phải khi đẩy mạnh phát triển năng lượng tái tạo nói chung và đặc biệt là năng lượng sinh khối nói riêng đó chính là rào cản về kinh nghiệm, đặc biệt là công nghệ và thiết bị chuyển đổi/xử lý năng lượng

1.2 Công nghệ/thiết bị chuyển đổi năng lượng sinh khối

1.2.1 Công nghệ/thiết bị chuyển đổi (xử lý) sinh khối thành năng lượng trên thế giới

Công nghệ năng lượng tái tạo nói chung và công nghệ sinh khối nói riêng có vai trò ngày một quan trọng góp phần trong sự phát triển và tìm ra nguồn năng lượng mới (năng lượng tái tạo) nhằm thay thế dần các nguồn nhiên liệu hóa thạch Các nguồn năng lượng tái tạo có thể sử dụng để chuyển đổi thành các nguồn năng lượng sơ và thứ cấp (năng lượng nhiệt, điện) để ứng dụng trong các lĩnh vực công-, nông nghiệp được trình bày ở hình 1.3 dưới đây:

Hình 1.3 Phương pháp công nghệ chuyển đổi năng lượng từ nguồn năng

lượng tái tạo [ 6 ]

Trên hình 1.3 là công nghệ khí hóa để chuyển đổi năng lượng tái tạo từ sinh khối Ngoài phương pháp như trên hình 1.3 còn có các nguồn năng lượng tái

được chuyển đổi thành các nguồn năng lượng như:

- Năng lượng nhiệt,

- Năng lượng hóa,

- Năng lượng điện

Có nhiều cách khác nhau để chuyển đổi năng lượng từ nguồn nhiên liệu sinh khối (Biomass), đặc biệt là từ phụ phế phẩm nông nghiệp

Các phương thức/cách thức chuyển đổi năng lượng từ sinh khối, đặc biệt từ phụ phế phẩn nông nghiệp đã, đang và sẽ được thế giới quan tâm ngày một nhiều, các công nghệ đó được trình bày một cách sơ lược như sau đây:

- Nguồn năng lượng từ các loại cây trồng, cây cỏ;

- Phụ phẩm cây trồng (rơm rạ, gỗ rừng);

- Phụ phế liệu hữu cơ (phụ phế liệu ngành công nghiệp chế biến gỗ );

- Rác thải hữu cơ (bùn kênh rãnh, các phế liệu khác…)

Tất cả các nguồn nhiên liệu trên được phân loại, xử lý, chế biến, làm khô, ép viên, lưu kho/ vận chuyển, sau đó lưu kho hoặc các công đoạn khác vẫn như nêu trên chỉ riêng công đoạn ép viên sau cùng, sau đó lưu kho và vận chuyển

để ra cho ta nguồn nhiên liệu theo tiêu chuẩn nhất định Từ nguồn nhiên liệu được tạo ra đó người ta có thể dùng các phương pháp sau đây để chuyển đổi thành năng lượng:

• Phương pháp nhiệt, trong phương pháp này người ta có thể dùng một trong ba cách sau:

- Than hóa,

- Khí hóa,

- Nhiệt phân hóa

• Phương pháp hóa-lý gồm một hoặc trong hai cách sau:

Từ 3 dạng nhiên liệu này người ta có thể đốt để cho ta hai dạng năng lượng,

đó là năng lượng nhiệt và năng lượng điện Đối với dạng năng lượng điện được tạo ra thông qua các nhà máy phát điện Còn đối với dạng năng lượng là năng lượng nhiệt thì người ta có thể dùng một trong hai phương pháp chuyển đổi, đó là phương pháp nhiệt-, cơ để chuyển đổi, để từ đó cũng sẽ cho ta năng lượng điện nhờ các trạm phát điện, và hoặc dưới dạng năng lượng nhiệt

Hoặc cách khác có thể sơ lược lại sơ đồ chuyển đổi năng lượng dưới dạng chuỗi như sau:

Từ nguồn năng lượng sơ cấp Æ chuyển thành năng lượng thứ cấp Æ chuyển đổi thành dạng năng lượng cuối cùng ta mong muốn (nhiệt, điện) Æ sau cùng

là dạng năng lượng sử dụng (nhiệt, phát điện, chiếu sáng)

Như vậy trên thế giới người ta đã, đang và sẽ dùng một trong các phương pháp trên để chuyển đổi năng lượng Tuy nhiên để dùng phương pháp nào cho hiệu quả, hoặc có nên quan tâm đến các phương pháp chuyển đổi đó không để tạo ra nguồn năng lượng mới (năng lượng tái tạo), trước tiên phải quan tâm đến nguồn tiềm năng của các nhiên liệu trên Bảng 1.1 sau đây trình bày về tiềm năng của một số phụ phẩm nông-, lâm nghiệp như (gỗ, thân cây, phân,

phụ phẩm cây trồng) của một số vùng/châu lục trên thế giới như (bảng 1.1 xét

hàng đầu xét từ trái sang phải): Bắc Mỹ, Các nước Mỹ Latinh và Ả rập, Châu

Á, châu Phi, châu Âu và đông Âu, Trung Đông

Bảng 1.1 Tiềm năng sinh khối & các phụ phẩm nông nghiệp ở một số vùng/châu lục trên thế giới [ 6 ]

Đối với dạng nguyên liệu sinh khối (biomass) thường lượng nước có trong nhiên liệu (hay độ ẩm của nhiên liệu) tương đối lớn, thường từ 15-75% tùy thuộc vào từng loại sinh khối như rơm rạ, vỏ trấu, mùn cưa, vỏ trái cây, phụ phẩm cây ngô, hay các loại cây trồng, cỏ độ ẩm có trong một số loại sinh khối được trình bày khái quát như hình 4 dưới đây:

Hình 1.4 Sơ đồ tỷ lệ phần trăm độ ẩm của một số loại sinh khối [ 6 ]

Xét từ trái sang phải theo sơ đồ hình 1.4 trên cho thấy:

- Ở hàng trên: Gỗ khô tự nhiên nhờ khí trời; Gỗ khô dưới ánh nắng mùa hè; Gỗ tươi rừng trồng,

- Ở hàng dưới: rơm hỗn hợp, rạ, cỏ hoang, sinh khối tươi

Chính vì vậy mà phải cần đến công đoạn làm khô chúng để tạo ra được nguồn năng lượng hiệu quả

Hình 1.5 Các nhu cầu sinh khối khác nhau tương thích bởi các công nghệ sử dụng sinh khối khác nhau như (1- nhiệt; 2- đồng phát nhiệt-điện; 3- phát điện bằng turbin hơi; 4- phát điện bằng turbin khí ) sử dụng các nguồn nhiên

liệu sinh khối khác nhau (khí, lỏng, rắn) [ 6 ]

Từ hình 1.5 trên cho thấy, ở các vị trí lưu ý có đánh số tương ứng với nhu cầu

tiêu thụ/nhu cầu sử dụng sinh khối để tạo ra: 1- nhiệt, 2- điện/đồng phát nhiệt

điện, 3- phát điện bằng turbin hơi, 4- Khí hóa để phát điện bằng turbin khí

Sự so sánh chi tiết về giá năng lượng của 3 nguồn nhiên liệu: Viên nhiên liệu sinh khối, dầu, và khí gas được so sánh theo các tháng trong năm thể hiện ở hình 1.6 Qua hình 1.6 cho thấy giá năng lượng từ dầu mỏ là cao nhất, tiếp theo là đến giá năng lượng từ khí gas, cuối cùng là giá năng lượng từ viên nhiên liệu sinh khối rẻ nhất

Hình 1.6 So sánh giá năng lượng từ 3 nguồn nhiên liệu: v i ên nhiên liệu sinh khối, dầu mỏ, khí gas [ 7 ]

Hình 1.7 So sánh giá viên nhiên liệu sinh khối (viên gỗ) biến động theo tháng

trong năm và giữa các năm [ 7 ]

Qua hình 1.7 cho thấy giá viên gỗ đắt nhất là vào thời điểm từ tháng 10 đến tháng 12 Khi xét năm 2007 mới chỉ có 130 USD/tấn, nhưng tại thời điểm đó vào năm sau (năm 2008) thì giá viên nhiên liệu (gỗ) đã tăng lên đến 140 USD/tấn, đặc biệt vào thời điểm tháng 2 năm 2009 thì giá đã tăng nhanh và lên đến hơn 140 USD/tấn

Để làm sáng tỏ thêm về sự tăng lên nhanh chóng và không ngừng của tỷ lệ và sản lượng viên nhiên liệu từ sinh khối trong vòng 15 năm gần đây,từ năm

1996 đến năm 2009, ta có thể xem chi tiết trên hình 1.8

Hình 1.8 T ỷ lệ và sản lượng viên nhiên liệu sinh khối (viên gỗ) tăng lên

nhanh chóng trong giai đoạn từ 1996 đến 2009 [ 7 ]

Qua phân tích về nhu cầu, công nghệ và sự phát triển nhanh chóng của công nghệ năng lượng sinh khối như trên hình 1.5 đến hình 1.8 cho thấy nhu cầu

tiêu thụ và giá cả viên nhiên liệu sinh khối ngày một tăng cao, và có tác tác động nhiều đến giá trị xuất khẩu viên ra thị trường thế giới

Tuy nhiên qua nghiên cứu về công nghệ ép viên nhiên liệu từ vỏ trấu của Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông nghiệp-RIAM đã thực hiện đề tài độc lập cấp nhà nước, kết thúc vào tháng 11 năm 2012 cho thấy, chỉ việc ép viên nhiên liệu từ vỏ trấu chi phí năng lượng để tạo ra một tấn sản phẩm nguyên liệu là cũng không nhỏ

Nguyên nhân chi phí năng lượng lớn như vậy bởi vì quy trình ép viên thực hiện trên công nghệ cũ, đó là ép trực tiếp, chỉ thay đổi độ ẩm của nguyên liệu và/hoặc thay đổi độ nhỏ (kích thước hạt) của nguyên liêu, trong đó kết quả tạo

ra được viên nhiên liệu có nhiệt trị không thay đổi so với nguyên liệu “thô” ban đầu, mà chỉ nâng cao được khối lượng riêng/tỷ trọng của nhiên liệu, và mật độ năng lượng lên được 1-2 lần

Xuất phát từ các hạn chế nêu trên như: chi phí năng lượng cho ép viên lớn, tỷ trọng viên và mật độ năng lượng tăng lên không được nhiều, đặc biệt là KHÔNG NÂNG CAO ĐƯỢC NHIỆT TRỊ nên chúng tôi đề xuất đề tài

nghiên cứu “Nghiên cứu công nghệ xử lý nhiệt phụ phế phẩm nông nghiệp

để tạo viên nhiên liệu (pellet) có nhiệt trị nâng cao“

Đây là một hướng nghiên cứu có thể nói vẫn còn “rất mới” so với thế giới,

điều này được minh chứng rằng: theo sự tìm hiểu chủ quan của tác giả trên các công cụ tìm kiếm cho thấy ngay cả „kho thông tin về bản quyền và sở hữu trí tuệ thế giới của Mỹ về các „patents“ và các các thư viện, mã nguồn mở cũng như các tạp chí khoa học trên thế giới thì cũng mới chỉ thấy có vài tác giả (ba đến bốn tác giả), và nhóm tác giả kết hợp cùng nhau nghiên cứu vấn

đề này Tuy nhiên kết quả ban đầu cũng mới chỉ ở dạng quy mô phòng thí nghiệm, theo thông tin của các tác giả này cho thấy, bắt đầu từ năm 2012 mới triển khai dưới dạng lớn hơn quy mô phòng thí nghiệm

Ở Việt Nam Nam, theo nhận định chủ quan của tác giả thì vẫn chưa thấy có công trình nghiên cứu nào đề cập đến vấn đề này

Do vậy có thể khẳng định rằng, đây là một hướng nghiên cứu “rất mới” cần

được quan tâm nghiên cứu ở Việt Nam nhằm từng bước theo kịp sự phát triển

về công nghệ và thiết bị về lĩnh vực này so với thế giới

Có thể tóm lược công nghệ này như sau:

Công nghệ xử lý nhiệt phụ phế phẩm nông nghiệp để tạo viên nhiên liệu có nhiệt trị và mật độ năng lượng tăng cao là một phương pháp xử lý (điều trị) dùng nhiệt của nhiên liệu sinh khối ở nhiệt độ (tại nhiệt độ) 200-300° C Nó

được thực hiện theo điều kiện khí quyển tự nhiên và hoặc trong sự thiếu oxy (yếm khí) Ngoài ra, quá trình này thực hiện trong đó bởi mức độ/ tốc độ với giá trị nhiệt độ <50° C / phút Trong quá trình sinh khối bị phân hủy một phần

sẽ thoát ra/đưa ra các loại chất dễ bay hơi Các sản phẩm cuối cùng còn lại là chất rắn của sinh khối

Hình 1.9 Mô hình tóm lược cân bằng năng lượng khi dùng công nghệ xử lý

nhiệt nguyên liệu thô để trước khi ép viên

Trên hình 1.9 cung cấp một mô hình cân bằng khối lượng-năng lượng tiêu biểu của việc dùng phương pháp xử lý nhiệt Qua mô hình cho thấy, thông thường cứ 100% khối lượng, và năng lượng ở đầu vào thì ta sẽ thu được 70% khối lượng vật chất khô, và có chứa 90% “hàm lượng” năng lượng ban đầu

[7], còn lại 30% khối lượng được chuyển thành khí, nhưng chỉ chứa 10%

năng lượng của sinh khối Do đó mật độ năng lượng được tăng lên đáng kể,

nhiệt trị có thể tăng lên đến 15% (xét cho viên phụ phế liệu từ gỗ) Ví dụ

này chỉ ra một trong những lợi thế (ưu điểm) của quá trình công nghệ này là

sự chuyển đổi cao của năng lượng hóa học từ nguyên liệu cho sản phẩm, chất lượng nhiên liệu được cải thiện Điều này trái ngược với quá trình nhiệt phân

cổ điển là trong đó bởi một lượng năng lượng chỉ đạt được tối đa ở tỷ lệ 65%, thậm trí xuống đến 20% trong những phương pháp truyền thống

55-Theo nghiên cứu của nhóm tác giả trên thế giới cho thấy, đối với công nghệ mới này đã có những nghiên cứu bước đầu, người ta tiến hành trên thiết bị dạng Pilot trong phòng thí nghiệm đối cho sinh khối sinh khối là cỏ voi, bạch dương, cũng như với các viên gỗ và rơm Lò phản ứng này được đốt nóng đến nhiệt độ lựa chọn vào khoảng (230°C, 250°C hay 280°C), và giữ ở nhiệt độ cuối cùng trong một thời gian 1, 2 hoặc 3 giờ Ảnh hưởng của nhiệt độ nguyên liệu, vật liệu, và thời gian “lưu trú” (thời gian “ủ”) trên những đặc tính của sản phẩm xử lý nhiệt được nghiên cứu Các sản phẩm sinh khối thu được

trong đó với thành phần nguyên tố, năng lượng, độ ẩm, độ tro và phần dễ bay

hơi Các khí sản phẩm này sau đó được phân tích Các loại nhiên liệu sinh học ảnh hưởng đến sản phẩm Trong sinh khối xử lý nhiệt theo đó có những thay đổi trong tính chất vật lý và hóa học Các hàm lượng carbon cố định và tăng mật độ năng lượng cả thời gian và nhiệt xử lý Sinh khối có xử lý nhiệt có tính

“kỵ nước” và thu được nguyên liệu có nhiệt trị và mật độ năng lượng cao

hơn so với nguyên liệu thô

Như vậy, theo các phân tích trên đây cho thấy rằng, công nghệ mới này là một giải pháp thay thế khả thi để cải thiện tính năng lượng (mật độ năng lượng, đặc biệt là nhiệt trị) của các phụ phẩm nông nghiệp

1.2.2 Công nghệ/thiết bị chuyển đổi (xử lý) sinh khối thành năng lượng ở Việt Nam

Dư lượng phụ phẩm sinh khối có một tiềm năng lớn trong hầu hết các nước đang phát triển, chúng có thể được sử dụng để thay thế các nguồn năng lượng truyền thống Tuy nhiên, chỉ có một tỷ lệ dư lượng nhỏ sinh khối đang được

sử dụng như nhiên liệu (dùng để đun nấu trong sinh hoạt gia đình, hay đốt trực tiếp…) do độ ẩm cao, hình dạng đa dạng, phức tạp và có mật độ năng lượng thấp Vì chúng có một số đặc điểm, hạn chế sau: vận chuyển phức tạp, cồng kềnh, tăng chi phí cho vận chuyển, xử lý và lưu trữ, làm cho việc sử dụng sinh khối làm nhiên liệu không thực tế, khó triển khai thực trong thực tiễn Một số các hạn chế có thể được khắc phục nếu có dư lượng phụ phẩm sinh khối (phụ phẩm nông nghiệp) được thực hiện theo công nghệ xử lý nhiệt

năng lượng nhiều hơn trên một đơn vị khối lượng và tính đồng nhất trong hình dạng và kích thước

Theo sự phát triển chung trên thế giới, trong những năm gần đây, công nghệ sinh khối đã, đang và sẽ phát triển ngày một nhanh, mạnh Công nghệ này góp phần thay thế dần các nguồn nguyên liệu hóa thạch, vì nguồn nguyên liệu hóa thạch đang dần ngày càng cạn kiệt Hơn nữa các nguồn này còn gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Điều đáng lưu ý, khác với các công nghệ năng lượng tái tạo khác, công nghệ năng lượng sinh khối không những chỉ thay thế năng lượng hóa thạch mà còn góp phần đáng kể trong việc xử lý chất thải, đây là nguồn nguyên liệu còn có thể tận dụng được để sản xuất ra năng lương sơ cấp (năng lượng nhiệt) và năng lượng thứ cấp (điện) Hơn thế nữa, lợi thế của sinh khối còn có thể chủ động trong việc dự trữ và sử dụng khi cần

và còn có tính chất ổn định Với tiềm năng sinh khối của Việt Nam như nêu trên đây cho thấy, nếu được sử dụng để tạo ra năng lượng thì sẽ góp phần làm

ổn định hơn tình hình cung cấp năng lượng điện thiếu hụt ngày càng lớn như

năng lượng sinh khối là nguồn lớn thứ tư, chiếm khoảng 15% tổng năng lượng tiêu thụ của thế giới Nhất là ở các nước đang phát triển (trong đó có Việt Nam), sinh khối thường là nguồn năng lượng rất lớn, trung bình đóng góp khoảng 38-40% trong tổng cung cấp năng lượng

gỗ, phụ phẩm gỗ từ ngành chế biến lâm nghiệp và đặc biệt sinh khối từ các phụ phẩm nông nghiệp Qua đó cho thấy tiềm năng sinh khối của Việt Nam khá lớn, chủ yếu là trấu, bã mía, sắn, ngô, gỗ, quả có dầu, và phụ phẩm nông nghiệp Theo nghiên cứu của một số tác giả đã cho thấy các phụ phẩm này có thể tạo thành viên nhiên liệu có nhiệt trị cao, mật độ năng lượng cao và đồng nhất về “hình thái” và chất lượng

Từ nguồn tiềm năng sinh khối phong phú nêu trên, đồng thời với giá thành rất

rẻ, mà lại không có tính chất phức hợp, cho nên có thể nói, sử dụng nguồn phụ phế phẩm nông nghiệp để tạo ra viên nhiên liệu (pellets) có nhiệt trị cao,

dụng nhằm cung cấp cơ hội mới cho ngành năng lượng tái tạo/năng lượng

ngành chế biến nông-, lâm nghiệp Ngoài ra còn góp phần giảm khí thải nhà kính, đa dạng hóa nguồn năng lượng, giảm bớt sức ép về nhu cầu năng lượng, hơn nữa nó sẽ còn góp phần đảm bảo an ninh năng lượng trong tương lai

đổi thành nhiên liệu có nhiệt trị nâng cao, mật độ năng lượng lớn, để tạo ra nguồn nhiên liệu chất lượng cao phục vụ cho quá trình chuyển đổi thành các nguồn năng lượng sạch thì ở Việt Nam hiện nay chưa thấy có một công trình nghiên cứu nào về công nghệ xử lý nhiệt để nâng cao nhiệt trị và/hoặc để tạo

ra viên nhiên liệu có chất lượng như nêu trên Trên đây là theo nhận định chủ quan của tác giả

khối (biomass) thành các nguồn năng lượng sơ cấp để sử dụng trong sinh hoạt gia đình thì cũng đã có một số công trình nghiên cứu Tuy nhiên các bước/các công đoạn trong tiến trình công nghệ để chuyển đổi năng lượng sinh khối, đặc

khai/đơn giản và nhỏ lẻ, quy mô nhỏ chỉ phù hợp cho phòng thí nghiệm và nghiên cứu, chứ chưa thực sự có một công trình nghiên cứu nào mang tầm

Một trong các bước, các công đoạn nằm trong tiến trình chuyển đổi năng lượng từ Sinh khối nói chung và phụ phế phẩm nông nghiệp nói riêng, đó

nông nghiệp?

Ép viên các phụ phẩm Nông nghiệp để sử dụng chúng trong việc chuyển đổi

để tạo ra năng lượng sơ hoặc thứ cấp (nhiệt, điện) có một số ưu điểm sau:

- Giảm đáng kể thể tích của chúng,

- Tăng khối lượng riêng,

- Đặc biệt đó là làm tăng “mật độ năng lượng” lên rất nhiều Theo các tác

khối lượng riêng tăng lên 3-4 lần (từ 115 kg/m³ trước khi ép tăng lên đến 440 kg/m³ sau khi ép), đặc biệt là mật độ năng lượng tăng lên 4 lần (từ 1,9 GJ/m³ lên 7,2 GJ/m³)

Tuy nhiên chất lượng viên và chi phí năng lương để ép viên nó phản ánh tính công nghệ và phần nào nói lên hiệu quả của công nghệ đó

Đối với ép viên tự nhiên theo như các công nghệ truyền thống thì chi phí năng

các công đoạn cắt ngắn, làm nhỏ (điển hình cho việc này đó là đối với các phụ phẩm nông nghiệp như rơm, vỏ trấu ) Các phụ phẩm Nông nghiệp như rơm

rạ, vỏ trấu chi phí năng lượng để cắt ngắn và nghiền làm nhỏ tiêu tốn rất nhiều năng lượng, mặt khác năng suất lại rất thấp, khó đáp ứng được quy mô công nghiệp

Chính xuất phát từ các hạn chế này của các công nghệ ép viên khi chuyển đổi năng lượng theo phương pháp thông thường, bởi vậy chúng tôi đi đến tìm

hiểu và nghiên cứu công nghệ “xử lý nhiệt phụ phế phẩm nông nghiệp để

tạo viên nhiên liệu (pellet) có nhiệt trị và mật độ năng lượng nâng cao” là

một hướng đi mới mang nhiều triển vọng về kinh tế và khoa học công nghệ trong tương lai ở Việt Nam nói riêng và trên Thế giới nói chung

Chương 2

MỤC TIÊU, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP VÀ CƠ SỞ

LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU

Nội dung trong chương này đề cập đến mục tiêu, nội dung, phương pháp nghiên cứu; đặc biệt là nghiên cứu, phân tích cơ sở lý thuyết phân loại kích hạt để lựa chọn vùng kích thước hợp lý của vật liệu nghiên cứu để thực hiện

đề tài

2.1 Mục tiêu nghiên cứu

- Nắm vững và xây dựng được quy trình công nghệ xử lý nhiệt cho phụ phế phẩm nông nghiệp để tạo ra viên nhiên liệu (pellet) có nhiệt trị nâng cao, đặc biệt là có mật độ năng lượng được nâng lên cao nhiều

nghệ từ đó nhằm hoàn thiện công nghệ và tìm lời giải cho các thông số kỹ thuật và công nghệ

2.2 Nội dung nghiên cứu

- Tìm hiểu về tình hình phụ phế phẩm nông nghiệp trên thế giới, đặc biệt ở Việt Nam,

- Nghiên cứu tổng quan về vấn đề xử lý nhiệt cho các nhiên liệu sinh khối để tạo ra nhiên liệu có nhiệt trị tăng và mật độ năng lượng tăng lên dựa trên các nguồn thông tin và tài liệu của một số tác giả trên thế giới,

- Thiết kế / xây dựng quy trình công nghệ xử lý nhiệt phụ phế phẩm nông nghiệp để tạo viên nhiên liệu có nhiệt trị và mật độ năng lượng nâng cao

- Thiết kế, chế tạo cụm thiết bị thí nghiệm

2.3 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu tham khảo có kế thừa các kết quả và công trình

nghiên cứu của một số tác giả trên thế giới (mặc dù cũng chỉ ở mức sơ khai, vì đây là lĩnh vực rất mới),

- Phương pháp lý thuyết,

- Phương pháp thực nghiệm

- Phương pháp phân tích và tổng hợp số liệu kết quả thí nghiệm

Trình bày chi tiết hơn về các phương pháp nghiên cứu sử dụng trong nghiên cứu này như sau:

2.4 Cơ sở lý thuyết về phân loại kích thước hạt nhằm lựa chọn vùng

kích thước hạt nguyên liệu hợp lý

Khi nghiên cứu về xử lý nhiệt nguyên liêu sinh khối (phụ phẩm nông nghiệp) một trong những yêu cầu “bắt buộc” đó là phải lựa chọn nguyên liệu có chung một hình dạng (form) đặc biệt là có kích thước nằm trong một vùng (một dải) nhất định Muốn vậy thường người ta sử dụng phương pháp phân loại hạt theo kích thước Trong đề tài nghiên cứu này nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp phân loại hạt theo sàng phân loại trong phòng thí nghiệm để làm cơ sở lựa chọn được vùng kích thước hạt cho mỗi một loại vật liệu thí nghiệm Dưới đây nhóm nghiên cứu trình bày cơ sở lý thuyết để phân loại nhằm lựa chọn vùng kích thước hạt nguyên liệu hợp lí trước khi tiến hành nghiên cứu thực nghiệm

Trên hình 2.1 và 2.2 là sơ đồ nguyên lý cấu tạo và trình tự bố trí sàng trên máy phân loại [11-15]

Hình 2.1 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của sàng phân loại [ 11-15 ]

1- Chân đế để tạo rung động; 2- đĩa rung cơ sở; 3- các thớt sàng; 4- gông sàng; 5- khay sàng; 6-

sàng sau phân loại trên; 7- nắp

Hình 2.2 Trình tự bố trí (lắp) sàng trên máy phân loại [ 11-15 ]

a- Sieb 1 - 9 tương ứng sàng 1 đến 9; b- ∆M 0 - ∆M 8 tương ứng khối lượng sau phân loại đi qua

Do đó chi ra làm hai thành phần tỷ lệ như sau:

Phân bố mật độ được xác định theo phương trình sau [11-15]:

(2.3) Phân bố tích lũy xác định theo phương trình sau [11-15]:

(2.4) Giải thích về hàm mật độ phân phối trong ví dụ về sàng phân loại kích thước (kiểm tra mẫu) như sau (hình 2.3) [11-15]:

Bảng 2.1 Các chỉ số và hàm phân bố đối với phân loại kích thước hạt [ 11-15 ]

Trên hình 2.5 và 2.6 là biểu đồ phân bố kích thước hạt theo hàm mật độ và hàm phân phối/phân bố [11-15]

Hình 2.5 Bi ể u đồ phân bố kích thước hạt theo hàm mật độ q r [11-15 ].

Hình 2.6 Biều đồ phân bố kích thước hạt theo hàm phân bố Q r [ 11-15 ]

Từ đó [11-15]:

(2.5) Kết quả trong giới hạn kích thước vô cùng nhỏ chuyển tiếp khoảng thời gian sau cho các thuộc tính mật độ phân phối như sau [11-15]:

• Giá trị “Median” trung bình d50,r: 50% các hạt nằm phía dưới của d50,r(hình 2.7) [11-15]:

Hình 2.7 Hàm biểu thị “Median” trung bình [ 11-12 ]

• Giá trị “Modal” dh,r: Mật độ phân phối tối đa (cực đại), hình 2.8:

Hình 2.8 Hàm biểu thị “Modal” mật độ phân bố tối đa [ 11-12 ].

• Kích thước hạt trung bình dr (hình 2.9) [11-15]:

(2.7)

Hình 2.9 Biểu đồ hàm kích thước hạt trung bình [ 13-14 ].

• Trung bình số học về diện tích bề mặt của các hạt hình cầu [11-15]:

• Trung bình số học về thể tích của các hạt hình cầu [11-15]:

(2.9)

• Bề mặt riêng phần của tập hợp hạt [11-15]:

Chương 3

KHẢO SÁT PHÂN LOẠI KÍCH THƯỚC HẠT VÀ

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ

Trong chương này trình bày các nội dung chính sau:

• Khảo sát (phân tích thực nghiệm) về phân loại kích thước hạt,

• Tính toán thiết kế thiết bị chính (trống xử lý nhiệt),

• Tính toán nguồn nhiệt cung cấp

3.1 Kết quả khảo sát (thực nghiệm) phân loại kích thước hạt

Trên hình 3.1 và 3.2 là là các biểu đồ phân loại kích thước hạt mùn cưa thu được từ số liệu phân tích thực nghiệm thu được

Hình 3.1 Biểu đồ phân loại kích thước hạt mùn cưa

Qua biểu đồ 3.1 cho thấy vùng kích thước được lựa chọn để làm nguyên liệu cho nghiên cứu thực nghiệm nằm trong khoảng d195 – d220mm, chiếm 86%

và tuân theo quy luật như cơ sở lý thuyết trên hình 2.3

Hình 3.2 Biểu đồ phân loại kích thước hạt mùn cưa theo hàm Q 3

Qua biểu đồ 3.2 cho thấy quy luật phân bố theo tỷ lệ % của dải kích thước hạt tuân theo đúng quy luật lý thuyết như trên hình 2.4

Trên hình 3.3 và 3.4 là là các biểu đồ phân loại kích thước hạt vỏ cà phê thu được từ số liệu phân tích thực nghiệm thu được

Hình 3.3 Biểu đồ phân loại kích thước hạt vỏ cà phê

Qua biểu đồ 3.3 cho thấy vùng kích thước được lựa chọn để làm nguyên liệu cho nghiên cứu thực nghiệm nằm trong khoảng d250 - d315mm, chiếm 80%, quy luật này tuân theo đúng quy luật của cơ sở lý thuyết như hình 2.3

Hình 3.4 Biểu đồ phân loại kích thước hạt vỏ cà phê theo hàm Q 3

Qua biểu đồ 3.4 cho thấy quy luật phân bố theo tỷ lệ % của dải kích thước hạt tuân theo đúng quy luật lý thuyết như trên hình 2.4

3.2 Tính toán thiết kế thiết bị chính (trống xử lý nhiệt)

Trình tự tính toán thiết kế thiết bị xử lý nhiệt nhằm nâng cao nhiệt trị cho nhiên liệu sinh khối (biomass) gồm các bước và nội dung cụ thể như sau:

3.2.1 Tính chọn vật liệu chế tạo thiết bị

Thiết bị được chế tạo bằng thép chịu nhiệt, có các thông số sau [16]:

- Khối lượng riêng: : ρ = 7,850 kg/m3

Theo công thức:

3

1 ( )

ts v

G1: Khối lượng vật liệu sấy vào thiết bị sấy (kg) G1= 100 (kg)

t : Thời gian sấy (giờ)

ρv: Khối lượng riêng ( kg/m3) ρv= 110 ( kg/m3)

β: Hệ số điền đầy: theo kinh nghiệm lấy β=0,3

1 2

0, 270( ) 11,1*

w1: Độ ẩm đầu vào của vật liệu sấy ( %)

w2: Độ ẩm đầu ra của vật liệu sấy ( %)

M: Hệ số phụ thuộc vào đường kính trung bình d của hạt (tra bảng

8.8/115 – [17]) M = 1,23

Thay các số liệu vào công thức trên ta được :

T = 0,46 (giờ) Thay các số liệu vào công thức trên ta tìm được thể tích của thiết bị là:

Vts= 1,4 (m3) Theo kinh nghiệm thực tiễn quan hệ giữa chiều dài L và đường kính D của

thiết bị nằm trong khoảng:

3,5 7

L

D = ÷ (3.3) Chọn L 5

D =

Đường kính thiết bị được tính theo công thức:

3 4( )5

ts t

V

π

= (3.4) Thay số vào công thức trên ta tìm được:

Dt = 0,71 ( m)

L = 3,55 (m)

Chọn Lt = 3,7 (m)

Diện tích tiết diện của thiết bị là:

2 2

4

t t

D

F =π m (3.5)

Thay số vào công thức trên ta tìm được:

Ft = 0,4(m2) Thể tích thực của thiết bị:

2 3 ( )4

t t

D

V =π L m (3.6)

Thay số vào công thức trên ta tìm được:

Vt = 1,5 (m3) Thời gian vật liệu lưu trú trong thùng:

1 1

( út)

t t

m: Hệ số lưu ý đến dạng cánh trong thùng( đối với cánh nâng) m=0,5

k1: Hệ số lưu ý đến đặc tính chuyển động của vật liệu( trong sấy xuôi chiều) k1 = 0,7

α: Góc nghiêng của cánh nâng α = 20

n: Tốc độ quay của thiết bị n=2 vòng/phút

Thay các giá trị vào công thức trên ta tìm được:

t1 = 27,58 (phút) Như vậy thỏa mãn điều kiện t1 > t

Để đạt năng suất và đảm bảo thời gian ra nhiệt cũng như độ ẩm đầu ra của vật liệu cần xử lý ta tính chọn kích thước cánh nâng bằng phương pháp thực nghiệm, và được bố trí như trên hình 3.5

Hình 3.5 Vị trí và kích thước cánh nâng

Ta chọn được kích thước cánh nâng là: 400 x 100 x 5 mm

Lượng vật liệu sấy chứa trong 01 cánh là: 0,33 kg

Chọn S = 4 (mm)

3.2.3 Kiểm tra kết quả tính chọn kích thước thiết bị

Vì thiết bị làm việc với tải trọng nhẹ nên ta chọn cơ cấu dẫn động bằng bánh

ma sát có ưu điểm là nhỏ, gọn dễ chế tạo chi phí giá thành thấp, chọn cơ cấu

đỡ thiết bị là cơ cấu con lăn đỡ (hình 3.7)