nghiên cứu thiết kế chế tạo và khảo nghiệm thiết bị nâng cao nhiệt trị cho vỏ trấu

Với sự tiến bộ của khoa học ngày nay trấu đã được chuyển thành nhiên liệu dạng thanh hoặc dạng viên pellet theo phương pháp ép trực tiếp để sử dụng thay thế cho than đá nhưng khi ép trực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

MAI THANH HUYỀN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ KHẢO

NGHIỆM THIẾT BỊ NÂNG CAO NHIỆT TRỊ

CHO VỎ TRẤU

LUẬN VĂN THẠC SĨ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

MAI THANH HUYỀN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ KHẢO

NGHIỆM THIẾT BỊ NÂNG CAO NHIỆT TRỊ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn tốt nghiệp này là kết quả lao động của tôi dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Đình Tùng, không sao chép từ bất cứ tài liệu nào Các số liệu được sử dụng trong luân văn để thực hiện cho việc nhận xét, đề xuất là số liệu khảo sát thực tế của tôi Ngoài ra tôi cũng có sử dụng một

số nhận xét, nhận định của các tác giả từ các nguồn khác nhau và được ghi trong phần tài liệu tham khảo

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng cũng như kết quả luận văn của mình

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Mai Thanh Huyền

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đề tài nghiên cứu này, tôi xin chân thành cám ơn:

• Các quý Thầy, Cô của Bộ Môn Cơ học kỹ thuật, Khoa cơ điện – Học Viện nông nghiệp Việt Nam nơi tôi thực hiện đề tài tốt nghiệp này, qua

quá trình triển khai thực hiện đề tài đã đã giúp đỡ, chỉ dẫn, sửa chữa và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này

• Tôi xin gửi lời cám ơn đến TS Nguyễn Đình Tùng người đã hướng dẫn,

giúp đỡ tôi để hoàn thành nội dung nghiên cứu này

• Tôi xin cảm ơn tới các đồng nghiệp và cơ quan nơi tôi đang công tác

“Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông nghiệp-RIAM, Bộ Công Thương” đã giúp đỡ tôi về cơ sở vật chất phục vụ cho nghiên cứu và hỗ trợ tôi trong quá trình triển khai thực hiện nghiên cứu này

• Cuối cùng tôi cũng xin chân thành cảm ơn đến gia đình đã tạo mọi điều kiện tốt để giúp tôi hoàn hành luận văn trong thời gian đã định

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Mai Thanh Huyền

MỤC LỤC

Lời cam đoan ii

Lời cảm ơn iii

Mục lục iv

Danh mục chữ viết tắt vi

Danh mục bảng ix

Danh mục đồ thị, hình x

MỞ ĐẦU i

Chương 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 4

1.1.Tổng quan về tiềm năng sinh khối/phụ phế phẩm nông nghiệp 4

1.1.1 Tiềm năng sinh khối từ phụ phế phẩm nông nghiệp trên thế giới 4

1.1.2 Tiềm năng sinh khối từ phụ phế phẩm nông nghiệp ở Việt Nam 4

1.2 Tổng quan về thiết bị nâng cao nhiệt trị vỏ trấu 11

1.2.1.Công nghệ chuyển đổi/xử lý sinh khối nhằm nâng cao nhiệt trị trên thế giới 11

1.2.2 Công nghệ/thiết bị nâng cao nhiệt trị ở Việt Nam 20

Chương 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24

2.1 Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu 24

2.1.1.Quy trình công nghệ xử lý nhiệt cho vỏ trấu 24

2.1.2.Thiết bị nâng cao nhiệt trị cho vỏ trấu 26

2.1.3 Nguồn nhiệt cung cấp cho thiết bị xử lý 27

2.2 Nội dung nghiên cứu 31

2.3 Phương pháp nghiên cứu 31

2.3.1.Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: 31

2.3.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: 32

2.3.2.1 Phương pháp đo đạc xác định các thông số nghiên cứu 32

2.3.2.2 Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm 34

2.3.2.3 Phương pháp gia công số liệu thực nghiệm 34

2.3.4 Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết thực nghiệm: 36

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37

3.1 Kết quả tính toán thiết kế thiết bị xử lý nhiệt 37

3.1.1 Tính chọn vật liệu chế tạo thiết bị 37

3.1.2 Xác định các thông số kích thước của thiết bị 37

3.1.3 Kiểm tra kết quả tính chọn kích thước thiết bị 40

3.1.4 Tính công suất bộ phận dẫn động 45

3.1.5 Kết quả thiết kế 46

3.2 Kết quả chế tạo thiết bị 47

3.3 Kết quả cân bằng và tính toán thông số nhiệt trị phụ thuộc vào độ ẩm từ mô hình trên máy tính 49

3.3.1 Kết quả mô hình cân bằng năng lượng và khối lượng 49

3.2.2 Kết quả tính toán xác định nhiệt trị thấp của vỏ trấu phụ thuộc hàm ẩm trên mô hình máy tính 49

3.4 Kết quả khảo nghiệm 52

3.4.1 Mục đích khảo nghiệm 52

3.4.2 Nội dung khảo nghiệm 52

3.4.3 Điều kiện và vật liệu khảo nghiệm 53

3.4.4 Dụng cụ đo khảo nghiệm 54

3.4.5 Kết quả khảo nghiệm và bàn luận 55

3.4.5.1 Công suất tiêu thụ 55

3.4.5.2 Kết quả và các thông số chất lượng của sản phẩm 56

3.4.5.3 Đánh giá trên cơ sở số liệu tính toán và thí nghiệm 62

3.4.6 Kết quả quy hoạch hóa thực nghiệm 64

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

Kết luận 73

Kiến nghị: 74

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

w1 Độ ẩm đầu vào của vỏ trấu

W2 Độ ẩm đầu vào của vỏ trấu

Vts Thể tích của thiết bị

G1 Khối lượng vật liệu xử lý nhiệt vào thiết bị xử lý nhiệt

t Thời gian xử lý nhiệt

ρv Khối lượng riêng của trấu

M Hệ số phụ thuộc vào kích thước của vật liệu xử lý nhiệt

β Hệ số điền đầy: theo kinh nghiệm

L Chiều dài của thiết bị xử lý nhiệt

D Đường kính của thiết bị xử lý nhiệt

m Hệ số lưu ý đến dạng cánh trong thùng

k1 Hệ số lưu ý đến đặc tính chuyển động của vật liệu

α Góc nghiêng của thiết bị xử lý nhiệt

n Tốc độ quay của thiết bị

t1 Thời gian vật liệu lưu trú trong thùng

S Chiều dày của thiết bị

Qt Trọng lượng thân thiết bị

Qvl Trọng lượng của vật liệu

Qc Trọng lượng cánh

Dvltr Đường kính trong vành lăn

Dvln Đường kính ngoài vành lăn

B Bề rộng vành lăn

Qvl Trọng lượng vành lăn

Q Trọng lượng của thiết bị

η Hệ số hiệu chỉnh

Mu Mô men uốn tại mặt cắt nguy hiểm

W Mô men chống uốn của thiết bị

T Phản lực tại con lăn

Sđ Lực đẩy con lăn trượt theo phương ngang

Se Lực ép gối đỡ con lăn lên bệ

Pr Tải trọng riêng tính cho một đơn vị chiều dài

N Công suất cần thiết để quay thiết bị

Nđc Công suất làm việc của động cơ

Hu Nhiệt trị thấp của vỏ trấu

BW Nhiệt trị cao của vỏ trấu

P Công suất định mức của động cơ

U Điện áp định mức

I Dòng điện định mức của động cơ

Cosϕ Hệ số công suất của động cơ

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Sản lượng một số loại cây trồng qua các năm (nghìn tấn)

Hình 1.2 Các nguồn sinh khối chủ yếu ở Việt Nam

Hình 1.3 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

Hình 1.4 Tỷ lệ và cấu trúc cắt ngang của vỏ trấu

Hình 1.5 – Lượng vỏ trấu khổng lồ thải ra từ các cơ sở xay xát

Hình 1.6 Trấu đã chuyển thành nhiên liệu dạng thanh và dạng viên

Hình 1.7 Phương pháp công nghệ chuyển đổi năng lượng từ nguồn năng lượng tái tạo

Bảng 1.3 Tiềm năng sinh khối & các phụ phẩm nông nghiệp ở một số vùng/châu lục trên thế giới

Hình 1.8 Sơ đồ tỷ lệ phần trăm độ ẩm của một số loại sinh khối

Hình 1.9 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)

Hình 1.10 So sánh giá năng lượng từ 3 nguồn nhiên liệu: viên nhiên liệu sinh khối, dầu mỏ, khí gas

Hình 1.11 So sánh giá viên nhiên liệu sinh khối (viên gỗ) biến động theo tháng trong năm và giữa các năm

Hình 1.12 T ỷ lệ và sản lượng viên nhiên liệu sinh khối (viên gỗ) tăng lên nhanh chóng trong giai đoạn từ 1996 đến 2009

Hình 1.13 Mô hình tóm lược cân bằng năng lượng khi dùng công nghệ xử lý nhiệt nguyên liệu thô

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ xử lý nhiệt cho vỏ trấu

Hình 2.2 Ví dụ về liên kết hóa học của cấu trúc Cellulose

Hình 2.3 Sự bẻ vỡ cấu trúc liên kết cứng của sinh khối (biomass)

Hình 2.4 Ví dụ về cấu trúc của sinh khối được ví như „bức tường“

Hình 2.5 Thiết bị nâng cao nhiệt trị cho vỏ trấu

Hình 2.6 Nguyên lý khí hóa cùng chiều

Hình 2.7 Đồng hồ bấm giờ

Hình 2.6 Cân ẩm Startorius MA45

Hình 3.1 Vị trí và kích thước cánh nâng

Hình 3.2 Sơ đồ bố vị trí bố trí cánh nâng

Hình 3.3 Sơ đồ và vị trí bố trí con lăn đỡ

Hình 3.4 Sơ đồ phân bố trọng tải trên thiết bị xử lý nhiệt

Hình 3.5 Biểu đồ mô men uốn của thân thiết bị xử lý nhiệt được tính toán trên phần mềm SAP 2000V12

Hình 3.6 Bảng giá trị tính toán độ bền của thân thiết bị bằng phần mềm tính toán SAP 2000V12

Hình 3.7 Biểu đồ phân bố các thành phần ứng suất trên thân thiết bị được tính toán trên máy tính nhờ phần mềm SAP 2000V12

Hình 3.8 Sơ đồ xác định phương, chiều và giá trị của lực tác dụng lên con lăn đỡ Hình 3.9 Kết quả mô phỏng thiết bị trên cơ sở số liệu tính toán

Hình 3.10 Kết cấu của thiết bị được xây dựng thông qua bản vẽ tổng thể

Hình 3.11.Hình ảnh về gia công chế tạo thân trống và xác định vị trí hàn cánh nâng-chuyển liệu

Hình 3.12 Hình ảnh về sơn lớp bảo vệ

Hình 3.13 Hình ảnh về sơn hoàn thiện thiết bị

Hình 3.14 Hình ảnh về khi khảo nghiệm nguội chạy không tải thiết bị

Hình 3.15 Mô hình cân bằng khối lượng, năng lượng khi xử lý nhiệt

Hình 3.16 Phương trình và kết quả tính toán cho nguyên liệu vỏ trấu với độ ẩm

Hình 3.19.Biểu đồ mối quan hệ giữa nhiệt trị phụ thuộc vào độ ẩm

BW & Hu = f(w) cho nguyên liệu vỏ trấu

Hình 3.20 Hình ảnh về khảo nghiệm đánh giá thiết bị xử lý nhiệt

Hình 3.21 Hình ảnh về vật liệu thí nghiệm

Hình 3.22 Các thiết bị đo được sử dụng trong thí nghiệm

Hình 3.23 Hình ảnh màu sắc các mẫu thí nghiệm vỏ trấu để đánh giá theo cảm quan

Hình 3.24 So sánh giá trị nhiệt trị của vỏ trấu khi nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm

Hình 3.25 Thời gian tăng nhiệt trị thấp cho vỏ trấu phụ thuộc vào độ ẩm đầu vào

W1 và nhiệt trị đầu vào Hu1 khi độ ẩm đầu ra W2 = 1,2%

Hình 3.26 Số vòng quay của trống xử lý nhiệt phụ thuộc vào độ ẩm đầu ra W2 và nhiệt trị đầu vào Hu1 khi độ ẩm đầu vào W1 = 12%

Hình 3.27: Nhiệt trị thấp của trấu sau quá trình xử lý nhiệt (Hu2) phụ thuộc vào cặp thông số như độ ẩm đầu vào W1 và nhiệt trị thấp của vỏ trấu trước khi đưa vào trống xử lý nhiệt Hu1 khi độ ẩm đầu ra W2 = 1,2%

MỞ ĐẦU

Hiện nay, biến đổi khí hậu và những hệ lụy của biến đổi khí hậu đã trở thành một thách thức nghiêm trọng Những hệ lụy đó đã, đang và sẽ làm đảo lộn cuộc sống của nhân loại, làm tiêu tan bao nhiêu công phu mà con người đã bỏ ra

để xây dựng một thế giới giàu đẹp trên các mặt vật chất và tinh thần Nhờ các tiến bộ khoa học và kỹ thuật mà con người có thể đánh giá được tầm quan trọng trong không gian và thời gian của hiện tượng biến đổi khí hậu cũng như đoán trước được các tác hại của nó trong tương lai Nguyên nhân chính của hiện tượng biến đổi khí hậu là việc sử dụng các nhiên liệu hóa thạch để tạo ra năng lượng Chính vì thế, trong những năm gần đây, môi trường và năng lượng là hai vấn đề quan tâm hàng đầu không chỉ của bất kỳ một quốc gia hay vùng lãnh thổ nào, mà

đã và đang là chủ đề nóng của toàn cầu

Hiện nay con người đang “lạm dụng” các nguồn năng lượng hóa thạch Đây lại chính là nguồn năng lượng không tái tạo, nếu không được quản lý và sử dụng một cách hợp lý thì chẳng mấy chốc các nguồn năng lượng này sẽ cạn kiệt Mặt khác sử dụng năng lượng hóa thạch còn gây ra ô nhiễm môi trường do quá trình khai thác và khí thải khi đốt; đặc biệt là nồng độ khí CO2 cao gây ra hiệu ứng nhà kính và làm biến đổi khí hậu trái đất Các nỗ lực hiện nay đều nhắm vào việc giảm hay ngừng tiêu thụ các nhiên liệu hóa thạch Đây là hướng đi chính trong những năm sắp tới của ngành năng lượng trên thế giới Chính vì vậy, xu hướng hiện nay của các nước trên thế giới là hướng tới các nguồn năng lượng sạch và bền vững, vừa làm giảm ô nhiễm môi trường vừa có khả năng tái tạo, và năng lượng từ nguồn sinh khối (biomass) hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu trên

Có nhiều thống kê khác nhau về tiềm năng của năng lượng sinh khối từ phụ phế phẩm nông nghiệp Ví dụ như Smil (1999) ước lượng rằng cho đến giữa thập kỷ 90 của thế kỷ XX, tổng lượng phụ phế nông nghiệp là khoảng 3,5 – 4 tỷ tấn mỗi năm, tương đương với một 65 EJ năng lượng (1,5 tỷ toe) Hal và cộng sự (1993) tính toán rằng chỉ với lượng thu hoạch nông nghiệp cơ bản của thế giới (ví

dụ như lúa mạch, lúa mì, gạo, bắp, mía đường ) và tỷ lệ thu hồi là 25% thì năng lượng tạo ra được là 38 EJ và giúp giảm được 350 – 460 triệu tấn khí thải CO2

mỗi năm Hiện trạng thực tế là một tỷ lệ khá lớn các phụ phế nông nghiệp này vẫn còn bị bỏ phí hoặc sử dụng không đúng cách, gây các ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường, sinh thái và lương thực Theo ước tính của WEC, tổng công suất toàn cầu từ nhiên liệu bã thải nông nghiệp khoảng 4.500 MWh

Như vậy năng lượng sinh khối được quan tâm và sử dụng nhiều hơn vì các

• Thứ ba, sinh khối tạo ra cơ hội cho các địa phương, các khu vực và các quốc gia trên toàn thế giới tự bảo đảm cho mình nguồn cung cấp năng lượng một cách độc lập

• Thứ tư, sinh khối là một giải pháp thay thế cho năng lượng hóa thạch, giúp cải thiện tình hình thay đổi khí hậu đang đe dọa Trái Đất

• Cuối cùng sinh khối có thể giúp nông dân địa phương trong lúc gặp khó khăn về vụ mùa thu hoạch và tạo việc làm tại các vùng nông thôn

Riêng Việt Nam, với đặc thù là một nước nông nghiệp, có tiềm năng về năng lượng sinh khối rất lớn, đặc biệt là năng lượng từ phụ phế liệu nông nghiệp trong đó vỏ trấu là một đối tượng cần được quan tâm Bình quân hàng năm Việt

Nam sản xuất ra xấp xỉ 45 triệu tấn lúa (theo tổng kết của ngành lúa gạo Việt Nam năm 2014) và thải ra khoảng 9,0 triệu tấn trấu tương đương năng lượng của

3,4 triệu tấn than cám Tuy nhiên loại năng lượng này lại có một số nhược điểm: nhiệt trị thấp (nhiệt trị của trấu bằng khoảng 70% so với than cám), tỷ trọng thấp, vận chuyển khó khăn, chi phí vận chuyển lớn, khó bảo quản đặc biệt là ô nhiễm không khí khi đốt trực tiếp…

Chính vì những lý do trên đòi hỏi cần phải có những nghiên cứu và biện pháp làm tăng ưu điểm, hạn chế nhược điểm của nguồn năng lượng từ vỏ trấu để việc sử dụng nguồn năng lượng này có hiệu quả nhất

Với sự tiến bộ của khoa học ngày nay trấu đã được chuyển thành nhiên liệu dạng thanh hoặc dạng viên pellet theo phương pháp ép trực tiếp để sử dụng thay thế cho than đá nhưng khi ép trực tiếp thành dạng viên hay thanh nhiên liệu

có một số nhược điểm: chi phí năng lượng cho khâu/công đoạn nghiền rất lớn (khi ép viên pellet bắt buộc phải nghiền nhỏ), thiết bị nhanh hao mòn,

Vấn đề đặt ra muốn chuyển hóa vỏ trấu dư thừa thành nhiên liệu (dạng viên, thanh) mà tăng được nhiệt trị lên (20-30)% đồng thời giảm chi phí điện năng cho khâu máy ép, và/hoặc cho quá trình làm nhỏ (khi ép viên pellet) Từ phân tích trên cho thấy sự cần thiết phải nghiên cứu thiết bị nâng cao nhiệt trị cho vỏ trấu

Được sự cho phép của Học Viện Nông nghiệp Việt Nam, dưới sự hướng

dẫn của TS Nguyễn Đình Tùng, chúng tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo và khảo nghiệm thiết bị nâng cao nhiệt trị cho vỏ trấu”

Đề tài gồm các nội dung sau:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan nghiên cứu

Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Kết luận và kiến nghị

Chương 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

Trong nội dung chương này chúng tôi trình bày về các vấn đề sau:

• Tổng quan về tiềm năng sinh khối (vỏ trấu)

• Tổng quan về công nghệ/thiết bị xử lý nhiệt sinh khối

1.1.Tổng quan về tiềm năng sinh khối/phụ phế phẩm nông nghiệp

1.1.1 Tiềm năng sinh khối từ phụ phế phẩm nông nghiệp trên thế giới

Nguồn sinh khối (SK) bao gồm các phụ phẩm từ nông nghiệp, các phế liệu từ công nghiệp chế biến gỗ, rác thải đô thị,…

Phụ phế phẩm nông nghiệp là chất thải phát sinh trong quá trình hoạt động nông nghiệp Theo ước tính của Tổ chức Nông nghiệp và lương thực Liên hợp quốc (FAO), mỗi năm có khoảng 3 tỷ tấn phế phẩm nông nghiệp phát sinh trên phạm vi toàn thế giới, trong đó các phế thải từ cây lúa chiếm một sản lượng lớn nhất tới 863 triệu tấn, phế thải từ cây lúa mì và ngô tương ứng là 754 và 591 triệu tấn Với lượng sinh khối từ phụ phế phẩm nông nghiệp lớn các nước đã và đang tìm kiếm các phương pháp tận dụng và xử lý nguồn phụ phế phẩm này theo cách

an toàn, thân thiện với môi trường Nguồn nguyên liệu này được dùng vào nhiều mục đích khác nhau như dùng để sản xuất điện, sử dụng trực tiếp làm chất đốt, sử dụng để trồng nấm, sử dụng làm phân hữu cơ, sản xuất dầu sinh học, sử dụng trong thủ công mỹ nghệ

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]

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

Đối với Việt Nam nông nghiệp luôn đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của xã hội Nhất là trong giai đoạn hiện nay an ninh lương thực đang là vấn

đề “nóng” của thế giới, cho dù Việt Nam đã có sự chuyển dịch về cơ cấu kinh tế,

nhưng ngành nông nghiệp vẫn đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an ninh lương thực quốc gia và xuất khẩu nông sản ra nước ngoài

Hình 1.1 Sản lượng một số loại cây trồng qua các năm (nghìn tấn)

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 Với điều kiện tự nhiên thuận lợi như nóng

ẩm, mưa nhiều, đất đai phì nhiêu… nên sinh khối phát triển rất nhanh Do vậy, nguồn phụ phẩm từ nông, lâm nghiệp phong phú, liên tục gia tăng 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, gần sáu triệu tấn cùi ngô đặc biệt có gần bảy triệu tấn vỏ trấu, ….(hình 1.2) Điều đó cho thấy nguồn phụ phế phẩm từ vỏ trấu tương đối lớn

Hình 1.2 Các nguồn sinh khối chủ yếu ở Việt Nam [1,2]

Những năm gần đây, có nhiều tiến bộ khoa học kỹ thuật ứng dụng vào việc tận dụng các phụ, phế phẩm trong quá trình sản xuất nông sản, thực phẩm,

để sản xuất phân hữu cơ vi sinh, vật liệu xây dựng, thức ăn chăn nuôi, khí đốt, và đặc biết là năng lượng tái tạo

Điều đáng lưu ý, khác với các công nghệ năng lượng tái tạo khác, công nghệ năng lượng sinh khối (NLSK) 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 lượng (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 năng lượng 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 năng lượng 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 1.3) 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 1.3), ngoài gây ô nhiễm còn gây cản trở giao thông trên các dòng sông

Hình 1.3 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 [2,7]

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, 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 1.3) như đã nêu trên

Qua phân tích về tiềm năng phụ phế phẩm nông nghiệp ở Việt Nam như trên cho thấy, phụ phẩm nông nghiệp từ cây lúa, trong đó vỏ trấu chiếm tủy lệ tương đối lớn, nhất là ở hai khu vực sản xuất lúa lớn nhất ở Việt Nam là Đồng bằng Sông Hồng và Đồng bằng Sông Cửu Long Chính vì vậy vỏ trấu cần được quan tâm đi sâu nghiên cứu nhằm tận thu để sử dụng với mục đích khác có hiệu

quả hơn Tuy nhiên để có cơ sở lựa chọn được công nghệ và thiết bị phù hợp đem lại hiệu quả cao trong việc xử lý vỏ trấu cần thiết phải đi sâu khảo sát kỹ hơn cho đối tượng phụ phẩm nông nghiệp là vỏ trấu, cụ thể như sau đây:

• Tiềm năng của vỏ trấu

Theo số liệu của Báo cáo thống kê năm 2014 của Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn Việt Nam thì diện tích trồng lúa của Việt Nam giảm so với năm

2013 nhưng sản lượng lúa của cả nước ta đạt xấp xỉ 45 triệu tấn, với sản lượng lúa này thải ra khoảng 9 triệu tấn vỏ trấu Trong đó Đồng Bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL) cung cấp khoảng 5 triệu tấn trấu/năm (bảng 1.1) [18]

Bảng 1.1: Diện tích trồng lúa, sản lượng lúa và vỏ trấu

cả nước từ 2005 đến 2014

Năm Diện tích trồng lúa

(Nghìn ha)

Sản lượng lúa (Nghìn tấn)

Sản lượng trấu (Nghìn tấn)

• Cấu tạo và thành phần của vỏ trấu

Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xay xát, chiếm khoảng 20% khối lượng của hạt thóc (hình 1.4)

Trong vỏ trấu chứa khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy trong quá

trình đốt và khoảng 25% còn lại chuyển thành tro Chất hữu cơ chứa chủ yếu

cellulose, lignin và Hemi - cellulose (90%), ngoài ra có thêm thành phần khác

như hợp chất nitơ và vô cơ Lignin chiếm khoảng 25-30% và cellulose chiếm khoảng 35-40% Vỏ trấu không có chất dinh dưỡng

Hình 1.4 Tỷ lệ và cấu trúc cắt ngang của vỏ trấu [7]

Bảng 1.2 Thành phần hữu cơ của vỏ trấu [7,9]

Thành phần

(%) (C) (H) (O) (N) (S) (a) (w) Hu (kj/kg)

Vỏ trấu 39,79 5,23 38,63 0,13 - 13,92 2,30 15,20 Khối lượng riêng 115-125 (kg/m 3 )

• Tình hình sử dụng trấu tại Việt Nam

Vỏ trấu có rất nhiều tại ĐBSCL và ĐBSH là hai vùng trồng lúa lớn nhất

cả nước Vỏ trấu có rất nhiều ứng dụng trong đời sống và công nghiệp Từ lâu bà con nông dân đã biết sử dụng vỏ trấu làm nhiên liệu đốt như đun bếp, đốt lò gạch, làm nhiên liệu phát điện, sử dụng vỏ trấu tạo thành củi trấu, dùng làm phân bón ruộng nhưng cũng chỉ sử dụng được khoảng 10% lượng vỏ trấu Vì thế chúng thường không được sử dụng hết nên phải đem đốt hoặc đổ xuống sông suối để tiêu hủy

Tại ĐBSCL, các nhà máy xay xát đổ trấu xuống sông, rạch Trấu trôi lềnh bềnh khắp nơi, chìm xuống đáy gây ô nhiễm nguồn nước Tại đây, trấu chỉ

có công dụng duy nhất là làm chất đốt nên mỗi khi vụ mùa đến bà con nông dân phải đối mặt với việc xử lý trấu dư thừa, nhất là từ khi Nhà nước có chính sách cấm các lò gạch thủ công hoạt động (hình 1.5)

Hình 1.5 – Lượng vỏ trấu khổng lồ thải ra từ các cơ sở xay xát

Với lượng tồn dư lớn nhưng vỏ trấu lại có một số nhược điểm sau:

- Nhiệt trị thấp (nhiệt trị của trấu bằng khoảng 70% so với than cám)

- Tỷ trọng thấp, vận chuyển khó khăn, chi phí vận chuyển lớn, khó bảo quản đặc biệt là ô nhiễm không khí khi đốt trực tiếp…

Chính vì những lý do trên đòi hỏi cần phải có những nghiên cứu và biện pháp làm tăng ưu điểm, hạn chế nhược điểm của nguồn năng lượng từ vỏ trấu để việc sử dụng nguồn năng lượng này có hiệu quả nhất

Ngày nay trấu đã được chuyển thành nhiên liệu dạng thanh hoặc dạng viên pellet theo phương pháp ép trực tiếp để sử dụng thay thế cho than đá

Hình 1.6 Các dạng dạng thanh và dạng viên nhiên liệu được sản xuất từ

vỏ trấu

Khi ép trực tiếp thành dạng viên hay thanh nhiên liệu (hình 1.6) có một số nhược điểm:

Chi phí năng lượng cho khâu/công đoạn nghiền rất lớn (khi ép viên pellet bắt buộc phải nghiền nhỏ)

Thiết bị nhanh hao mòn,

Khi ép dạng thanh (dạng ép vít hoặc cơ cấu biên tay quay) năng suất thấp, thiết bị nhanh hao mòn: thường 20-26 giờ phải thay ruột vít khi ép dùng phương pháp máy ép trục vít hoặc 1-2 ngày thay bộ ruột đối với trường hợp khi ép sử dụng máy ép theo nguyên lý cơ cấu biên tay quay

Vấn đề đặt ra muốn chuyển hóa vỏ trấu dư thừa thành nhiên liệu (dạng viên, thanh) mà tăng được nhiệt trị lên (20-30)% đồng thời giảm chi phí điện năng cho khâu máy ép, và/hoặc cho quá trình làm nhỏ (khi ép viên pellet) Từ phân tích trên cho thấy sự cần thiết phải nghiên cứu thiết bị nâng cao nhiệt trị cho vỏ trấu

1.2 Tổng quan về thiết bị nâng cao nhiệt trị vỏ trấu

1.2.1.Công nghệ chuyển đổi/xử lý sinh khối nhằm nâng cao nhiệt trị 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 1.7 dưới đây:

Hình 1.7 Phương pháp công nghệ chuyển đổi năng lượng từ nguồn năng lượng

tái tạo [6]

Trên hình 1.7 là công nghệ khí hóa để chuyển đổi năng lượng tái tạo từ sinh khối Ngoài phương pháp như trên hình 1.7 còn có các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng địa nhiệt, năng lượng mặt trời, sóng biển,…có thể 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:

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 chuyển thành năng lượng thứ cấp chuyển đổi thành dạng năng lượng cuối cùng ta mong muốn (nhiệt, điện) 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 1.2 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 thường được người ta sử dụng để chuyển đổi/xử lý nhiệt nhằm nâng cao nhiệt trị với mục đích nâng cao hiệu quả khi sử dụng, được trình bày như trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Tiềm năng sinh khối & các phụ phẩm nông nghiệp ở một số vùng/châu

Ả rập

Châu

Á

Châu Phi

Châu

Âu và Đông

Âu

Trung Đông

Hình 1.8 Sơ đồ tỷ lệ phần trăm độ ẩm của một số loại sinh khối [6]

1- Gỗ khô dạng tự nhiên; 2- Gỗ khô dưới ánh nắng mùa hè; 3- Gỗ rừng tươi;

4- Rơm rạ và hỗn hợp; 5- Rơm sau khi tuốt; 6- Cỏ hỗn hợp; 7- Sinh khối xanh tươi

Xét từ trái sang phải theo sơ đồ hình 1.8 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 1.9 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 1.9 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 1.10 Qua hình 1.10 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 1.10 So sánh giá năng lượng từ 3 nguồn nhiên liệu: viên nhiên liệu sinh

khối, dầu mỏ, khí gas [5]

Hình 1.11 So sánh giá viên nhiên liệu sinh khối (viên gỗ) biến động theo tháng

trong năm và giữa các năm [5]

Qua hình 1.11 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 1.12

Hình 1.12 T ỷ lệ và sản lượng viên nhiên liệu sinh khối (viên gỗ) tăng lên nhanh

chóng trong giai đoạn từ 1996 đến 2009 [5]

Qua phân tích về nhu cầu, công nghệ và sự phát triển nhanh chóng của công nghệ năng lượng sinh khối như trên hình 1.8 đến hình 1.11 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 đã thực hiện đề tài độc lập cấp nhà nước 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 cần nghiên cứu thiết bị nâng cao nhiệt trị cho vỏ trấu

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

NHẬN XÉT:

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 (hình 1.13):

1 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 1.13 Mô hình tóm lược cân bằng năng lượng khi dùng công nghệ xử lý

nhiệt nguyên liệu thô

2 Trên hình 1.13 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 [5],

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, 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 55-65%, thậm chí xuống đến 20% trong những phương pháp truyền thống

3 Theo nghiên cứu của 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

Kết luận:

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 nâng cao nhiệt trị 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 nhằm tăng nâng cao nhiệt trị, hoặc sau đó có thể ép viên để đạt được mật độ 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 hiện nay Các tác giả [7-10] cho thấy, hiện nay trên quy mô toàn cầu, thì 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

Theo [7-10] cho thấy Việt Nam hiện có khoảng hơn 100 triệu tấn sinh khối gỗ, phụ phẩm gỗ từ ngành chế biến lâm nghiệp và đặc biệt sinh khối từ các phụ phẩm nông nghiệp trong đó có vỏ trấu Qua đó cho thấy tiềm năng sinh khối của Việt Nam khá lớn, 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, mật

độ năng lượng cao là những mô hình hiệu quả để Việt Nam có thể áp dụng nhằm cung cấp cơ hội mới cho ngành năng lượng tái tạo/năng lượng mới phát triển, nhằm tạo ra nguồn năng lượng sơ và/hoặc thứ cấp phục vụ cho 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

Tuy biết rằng các phụ phẩm nông nghiệp có nhiều ưu điểm để có thể chuyển 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

Đối với Việt Nam, các phương pháp chuyển đổi năng lượng sinh 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 công đoạn trong tiến trình công nghệ để chuyển đổi năng lượng sinh khối, đặc biệt là chuyển đổi

từ các phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam thì còn rất sơ 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 vóc quy mô công nghiệp được thực hiện đầy đủ, trọn vẹn ở Việt Nam

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 chính

là công đoạn ép viên Tại sao người ta lại phải ép viên các phụ phẩm 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,

- Thuận lợi cho quá trình vận chuyển và giảm chi phí vận chuyển

- Đặc biệt đó là làm tăng “mật độ năng lượng” lên rất nhiều, 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 lượng cho ép viên cũng tương đối nhiều, bởi vì phải chi phí năng lượng cho

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 cho vỏ trấu để nâng cao nhiệt trị” 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 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Trong nội dung chương này chúng tôi trình bày về các vấn đề sau:

• Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu

• Nội dung nghiên cứu

• Phương pháp nghiên cứu

2.1 Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là thiết bị xử lý nhiệt cho vỏ trấu Trước tiên cần nắm vững và xây dựng được quy trình công nghệ xử lý nhiệt cho vỏ trấu để làm

cơ sở lựa chọn nguyên lý và tính toán, thiết kế thiết bị nâng cao nhiệt trị cho vỏ trấu

2.1.1.Quy trình công nghệ xử lý nhiệt cho vỏ trấu

Công nghệ xử lý nhiệt là một quá trình nhiệt phân nhẹ được thực hiện ở nhiệt độ từ 3500C đến 4500C để khắc phục những hạn chế của vỏ trấu Trấu sau khi xử lý nhiệt có các đặc tính mật độ năng lượng cao hơn và cải thiện khả năng nghiền so với vỏ trấu trước khi xử lý và nó cũng cho thấy khả năng kị nước

Quy trình công nghệ xử lý nhiệt vỏ trấu được thể hiện trên sơ đồ hình 2.1 sau:

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ xử lý nhiệt cho vỏ trấu

Sơ đồ công nghệ của mô hình quá trình cơ bản cho xử lý nhiệt (và làm khô) trên cơ sở dùng nhiệt trực tiếp ở điều kiện áp suất bình thường (áp suất khí quyển)

Vỏ trấu

Để hiểu rõ vấn đề chúng ta tìm hiểu một số ví dụ về cấu trúc của Cellulose được thể hiện thông qua các liên kết hóa học như sơ đồ hình 2.2, và sự bẻ vỡ cấu trúc liên kết cứng của sinh khối (biomass) như trên hình 2.3 sau đây

Hình 2.2 Ví dụ về liên kết hóa học của cấu trúc Cellulose

•

Hình 2.3 Sự "phá vỡ“ cấu trúc liên kết cứng của sinh khối (biomass)

Ví dụ cho sự tượng trưng về liên kết của các thành phần trong sinh khối được mô tả như trên hình 2.4 Trên hình này cho thấy "hình cây" trong cấu trúc của "bức tường gạch'' được ví tượng trưng như cấu trúc liên kết của sinh khối Trong đó thành phần ”Cellulose“ được ví như là "gạch“ và thành phần chất

"Hemicellulose“ được ví như là "xi măng“ trong sự liên kết cấu trúc giữa chúng

để tạo nên "bức tường“

Hình 2.4 Ví dụ về cấu trúc của sinh khối được ví như „bức tường“

Qua hình 2.1 đến hình 2.4 cho thấy công nghệ xử lý nhiệt được hiểu như

là sự phá vỡ cấu trúc liên kết giữa các thành phần như: "Lignin", "Cellulose" và

"Hemicellulose" có trong sinh khối Khi cấu trúc liên kết này bị phá vỡ thì khả năng, nghiền ép tạo viên nhiên liệu pellet, hoặc ép tạo thanh nhiên liệu sẽ dễ dàng hơn, hoặc chi phí năng lượng cho nghiền nhỏ lúc này cũng sẽ ít hơn Từ đó đem lại hiệu quả kinh tế hơn so với khi không ứng dụng công nghệ xử lý nhiệt

2.1.2.Thiết bị nâng cao nhiệt trị cho vỏ trấu

Thiết bị nâng cao nhiệt trị cho vỏ trấu được tính toán, thiết kế chế tạo dựa trên nguyên lý sấy trống quay Sơ đồ nguyên lý được thể hiện trên hình 2.5

Hình 2.5 Thiết bị nâng cao nhiệt trị cho vỏ trấu

Nguyên liệu vào

Sản phẩm ra

Nguyên lý cấu tạo của thiết bị có ảnh hưởng nhiều đến chất lượng và khả năng hoạt động ổn định của thiết bị Thiết bị ở dây được lựa chọn nguyên lý kiểu trống quay hoạt động liên tục được truyền động từ động cơ hộp số có điều chỉnh được tốc độ nhờ biến tần (hình 2.5) Bên trong lòng trống có bố trí các cánh xoắn cùng chiều và ngược chiều so với chiều của dòng vật liệu đi trong ống tương ứng theo tỷ lệ 2/3 và 1/3 trống Trong quá trình hoạt động vật liệu được nạp ở một đầu trống, dòng vật liệu di chuyển được hai phần quãng đường thì được cách ngược chiều hất lại một phần Mục đích như vậy để cho thời gian di chuyển dòng vật liệu trong trống được lâu hơn, ngoài ra có thể điều chỉnh được khoảng thời gian làm việc này nhờ thay đổi tốc độ quay của trống qua biến tần

Năng suất của thiết bị phụ thuộc vào đường kính trống, vòng quay của trống, chiều cao cánh xoắn, bước cánh xoắn và tỷ lệ số cánh xuôi, cánh ngược được bố trí trong, ngoài ra còn phụ thuộc vào độ ẩm của vật liệu trước khi xử lý

2.1.3 Nguồn nhiệt cung cấp cho thiết bị xử lý

Trong khuôn khổ nội dung của đề tài chỉ đi sâu đề cập đến thiết bị xử lý nhiệt của vỏ trấu chứ không đi sâu về thiết bị cấp nhiệt Tuy nhiên nguồn nhiệt đã

sử dụng cho thiết bị xử lý nhiệt ở đây được lấy từ lò khí hóa sinh khối Bởi vậy tác giả chỉ trình bày sơ lược về nguyên lý, bản chất của công nghệ khí hóa và cơ chế hình thành các phản ứng khí hóa để sinh nhiệt như sau đây

Khí sinh ra sau quá trình khí hóa được hình thành bằng cách cho đốt cháy nhiên liệu sinh khối trong điều kiện thiếu ôxy ở trong buồng đốt để chuyển đổi nguyên liệu rắn thành trạng thái nhiên liệu khí gas có thể cháy được

Ở đây giải thích sơ lược rằng, khí hóa là một phần quá trình cháy bình thường và khí tạo ra khi quá trình cháy không triệt để tạo thành (cháy thiếu ôxy) Khí hóa được tạo thành trong buồng trong suốt thời gian xử lý nhiệt khô được tạo thành và sự chuyển đổi của quá trình sản phẩm khí

Sự khí hóa của nhiên liệu có thể hiểu rằng là quá trình nhiệt chuyển đổi cácbon thể rắn với ôxy để tạo thành sản phẩm khí cháy Sự khí hóa thành công bởi sự cung cấp thiếu oxy/yếm khí với hệ số không khí thừa nhỏ hơn 1 (0 < λ <1)