Nghiên cứu quy trình sản xuất viên nhiên liệu từ phụ phẩm nhà máy xay xát (vỏ trấu)

[39] Vì thế, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu quy trình công nghệ sản xuất viên nhiên liệu từ phụ phẩm nhà máy xay xát vỏ trấu” nhằm biến vỏ trấu từ một loại phế phẩm rẻ tiền, cho không khôn

-

NGUYỄN THỊ BÍCH THUẬN

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH SẢN XUẤT VIÊN NHIÊN LIỆU TỪ PHỤ PHẨM NHÀ MÁY XAY XÁT (VỎ TRẤU)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Công nghệ Thực phẩm

Mã số:

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

1 TS Nguyễn Tường Vân

2 PGS.TS Lê Thị Cúc

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 6

PHẦN MỞ ĐẦU 8

I – Tính cấp thiết của đề tài 8

II – Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn 9

II.1 Mục đích của luận văn 9

II.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 9

II.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn 10

II.4 Nội dung nghiên cứu 10

Chương 1: 11

TỔNG QUAN 11

1.1 Tổng quan về trấu 11

1.1.1 Cấu tạo, đặc điểm và thành phần vỏ trấu 11

1.1.1.1 Cấu tạo của vỏ trấu 11

1.1.1.2 Tính chất vật lý của vỏ trấu 11

1.1.1.3 Thành phần hóa học của vỏ trấu 12

I.1.1.4 Thành phần nguyên tử và nhiệt trị của vỏ trấu 12

I.1.2 Tình hình phát sinh và sử dụng vỏ trấu 14

I.1.2.1 Tình hình phát sinh vỏ trấu 14

1.1.2.2 Tình hình sử dụng vỏ trấu 20

I.2 Giới thiệu về viên nhiên liệu 23

I.2.1 Khái niệm về viên nhiên liệu 23

I.2.2 Phân loại viên nhiên liệu 23

1.2.3 Công nghệ sản xuất viên nhiên liệu 25

1.2.4 Tình hình sản xuất và sử dụng viên nhiên liệu 27

1.2.4.1 Tình hình sản xuất và sử dụng viên nhiên liệu trên thế giới 27

1.2.4.2 Tình hình sản xuất và sử dụng viên nhiên liệu ở Việt Nam 30

1.3 Những nghiên cứu về công nghệ sản xuất viên nhiên liệu từ trấu – Viên trấu 31

1.3.1 Những nghiên cứu về công nghệ sản xuất viên trấu trên thế giới 31

1.3.2 Những nghiên cứu về công nghệ sản xuất viên trấu ở Việt Nam 31

Chương 2: 34

NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34

II.1 Nguyên liệu 34

II.1.1 Vỏ trấu 34

II.1.2 Nguyên liệu bổ sung 35

II.2 Phương pháp nghiên cứu 35

2.2.1 Phương pháp vật lý và hóa lý 35

2.2.1.1 Phương pháp xác định độ ẩm 35

2.2.1.2 Phương pháp đo tỷ khối của viên 35

2.2.1.3 Phương pháp đo kích thước viên 35

2.2.1.4 Phương pháp đo tỷ lệ thu hồi của viên 35

2.2.1.5 Phương pháp xác định độ tro 35

2.2.1.6 Phương pháp xác định nhiệt trị 36

2.2.2 Phương pháp hóa học 36

2.2.2.1 Phương pháp xác định hàm lượng xenluloza 36

2.2.2.2 Phương pháp xác định hàm lượng Lignin 37

2.2.3 Phương pháp xử lý số liệu 38

2.3 Quy trình công nghệ sản xuất viên nhiên liệu từ vỏ trấu – Viên trấu 38

2.3.1 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất viên trấu 38

2.3.2 Chuẩn bị nguyên liệu 39

2.3.3 Nghiên cứu các yếu tố kỹ thuật ảnh hưởng đến công nghệ sản xuất và chất lượng viên trấu 39

2.3.3.1 Độ ẩm nguyên liệu trước ép 39

2.3.3.2 Độ nhỏ của nguyên liệu 39

2.3.3.3 Các thành phần bổ sung (phụ gia) 39

2.3.4 Chỉ tiêu đánh giá chất lượng viên trấu 40

Chương 3: 41

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 41

3.1 Nghiên cứu về nguyên liệu 41

3.1.1 Vỏ trấu 41

3.1.1.1 Đặc điểm và thành phần của vỏ trấu 41

3.1.1.2 Nghiền trấu 42

3.1.2 Các nguyên liệu bổ sung 43

3.1.2.1 Rơm 43

3.1.2.2 Mùn cưa 43

3.1.2.3 Bột sắn 44

3.2 Các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến quy trình sản xuất và chất lượng viên trấu 44

3.2.1 Ảnh hưởng của độ ẩm nguyên liệu đến chất lượng viên trấu 45

3.2.2 Ảnh hưởng của độ nhỏ nguyên liệu đến chất lượng viên trấu 49

3.2.3 Ảnh hưởng của loại và hàm lượng chất bổ sung đến chất lượng viên trấu 53 3.2.3.1 Ảnh hưởng của hàm lượng rơm bổ sung đến chất lượng viên trấu 53

3.2.3.2 Ảnh hưởng của hàm lượng mùn cưa bổ sung đến chất lượng viên trấu. 55

3.2.3.3 Ảnh hưởng của hàm lượng bột sắn tới chất lượng viên trấu 59

3.2.3.4 So sánh hiệu quả sử dụng của một số loại phụ gia 62

3.3 Chất lượng viên trấu 63

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

PHỤ LỤC 72

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 cm: centimet

2 CO2: khí cacbonic

3 EJ (Exajoule): exajun (1EJ = 1018J)

4 FAO (Food and Agriculture Organization): Tổ chức Lương thực và nông lâm Liên Hiệp Quốc

5 GWh: giga oát giờ

15 ppm (parts per million): 1 phần triệu

16 SIDA (Swedish International Cooperation Development Agency): Cơ quan Hợp tác phát triển quốc tế Thụy Điển

17 SiO2: oxyt silic

18 SPSS (Statistical Package for the Social Sciences): phần mềm xử lý số liệu thực nghiệm

19 TLTK: tài liệu tham khảo

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Thành phần cấu tạo chủ yếu của vỏ trấu ở một số nước 12

Bảng 1.2: Sản lượng trấu và năng lượng tạo ra từ trấu của thế giới trong thập niên đầu thế kỷ XXI 15

Bảng 1.3 – Sản lượng lúa, trấu và năng lượng tạo ra từ trấu của các khu vực và một số nước trên thế giới [42] 17

Bảng 1.4 – Diện tích, sản lượng lúa và sản lượng trấu của Việt Nam qua các năm 18

Bảng 1.5 – Diện tích, sản lượng lúa và sản lượng vỏ trấu các vùng, miền của Việt Nam năm 2008 19

Bảng 1.6 – Diện tích, sản lượng lúa và sản lượng vỏ trấu của các tỉnh thuộc vùng đồng bằng sông Hồng năm 2008 20

Bảng 1.7 – Sản lượng viên nhiên liệu của thế giới và một số quốc gia 28

Bảng 3.1 – Thành phần vỏ trấu của một số giống lúa 41 Bảng 3.2 – Tỷ khối của trấu nghiền 42

Bảng 3.3 – Đặc điểm và thành phần hóa học của rơm nghiền 43

Bảng 3.4 – Đặc điểm và thành phần hóa học của mùn cưa 43

Bảng 3.5 – Thành phần của bột sắn 44

Bảng 3.6 – Ảnh hưởng của độ ẩm nguyên liệu đến chất lượng viên trấu 45

Bảng 3.7 – Ảnh hưởng của độ nhỏ nguyên liệu đến chất lượng viên trấu 50

Bảng 3.8 – Ảnh hưởng của hàm lượng rơm bổ sung đến chất lượng viên trấu 53

Bảng 3.9 – Ảnh hưởng của hàm lượng mùn cưa bổ sung đến chất lượng viên trấu 56

Bảng 3.10 – Ảnh hưởng của hàm lượng bột sắn đến chất lượng viên trấu 59

Bảng 3.11 – So sánh giữa các loại phụ gia 62

Bảng 3.12 – Các chỉ tiêu chất lượng của viên trấu 63

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 – Cấu trúc cắt ngang của vở trấu [36] 11

Hình 1.2 – Thành phần cấu tạo nguyên tử của than và sinh khối [8] 13

Hình 1.3 – Nhiệt trị của một số loại sinh khối [8] 13

Hình 1.4 – Nhiệt trị của một số loại nhiên liệu hóa thạch và nhựa tổng hợp [8] 14

Hình 1.5: Sản lượng trấu thế giới trong thập niên đầu thế kỷ XXI 15

Hình 1.6 – Viên nhiên liệu làm từ các loại nguyên liệu khác nhau [55] 24

Hình 1.7 – Các loại hình dạng của viên nhiên liệu [55] 24

Hình 1.8 – Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất viên nhiên liệu 25

Hình 1.9 – Máy ép viên khuôn vành [53] 25

Hình 1.10 – Máy ép viên khuôn phẳng [53] 26

Hình 1.11 – Phân bố tiêu thụ viên nhiên liệu toàn cầu năm 2009 [22] 29

Hình 1.12 – Vỏ trấu và lõi ngô ép viên [58] 33

Hình 1.13 – Bã sắn và sắn lát ép viên [58] 33

Hình 2.1 – Sơ đồ thu nhận vỏ trấu từ các cơ sở xay xát 34 Hình 2.2 – Quy trình công nghệ sản xuất viên trấu 38

Hình 3.1 – Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của độ ẩm nguyên liệu đến độ ẩm viên trấu 46 Hình 3.2 – Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của độ ẩm nguyên liệu đến tỷ khối của viên trấu 47

Hình 3.3 – Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của độ ẩm nguyên liệu đến tỷ lệ thu hồi viên trấu 48

Hình 3.4 – Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của độ nhỏ nguyên liệu vào đến độ ẩm của viên trấu 50

Hình 3.5 – Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của độ nhỏ nguyên liệu đến tỷ khối của viên trấu 51

Hình 3.6 – Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của độ nhỏ nguyên liệu vào đến tỷ lệ thu hồi viên trấu 52

Hình 3.7 – Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tỷ lệ rơm bổ sung đến độ ẩm viên trấu 54 Hình 3.8 – Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tỷ lệ rơm bổ sung đến tỷ khối viên trấu 54 Hình 3.9 – Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tỷ lệ rơm bổ sung đến tỷ lệ thu hồi viên trấu 54 Hình 3.10 – Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của hàm lượng mùn cưa bổ sung đến độ ẩm của viên trấu 56 Hình 3.11 – Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của hàm lượng mùn cưa bổ sung đến tỷ khối của viên trấu 57 Hình 3.12 – Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của hàm lượng mùn cưa bổ sung đến tỷ khối của viên trấu 58 Hình 3.13 – Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của hàm lượng bột sắn đến độ ẩm của viên trấu 60 Hình 3.14 – Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của hàm lượng bột sắn đến tỷ khối của viên trấu 60 Hình 3 15 – Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của hàm lượng bột sắn đến tỷ lệ thu hồi viên trấu 61 Hình 3.16 – Quy trình công nghệ sản xuất viên trấu 66

PHẦN MỞ ĐẦU

I – Tính cấp thiết của đề tài

Năng lượng và ô nhiễm môi trường hiện đang là hai vấn đề quan tâm hàng đầu của nhân loại Một nghịch lý đang diễn ra trong thế giới của chúng ta, đó là: khoa học công nghệ ngày càng phát triển, đời sống con người ngày một nâng cao thì nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng nhiều và ô nhiễm môi trường cũng gia tăng Nguyên nhân

là do không khí bị ô nhiễm bởi các loại khí độc hại như NOx, CO2, HC … - những hợp chất có trong thành phần khí thải công nghiệp và khí xả do các loại động cơ thải ra Bên cạnh đó, quá trình đô thị hóa gia tăng và rừng bị chặt phá dẫn đến nồng độ các khí thải trong không khí ngày càng cao, gây ra hiệu ứng nhà kính và tăng nhiệt độ trái đất Kết quả là băng tan ở Bắc cực và Nam cực, mực nước biển dâng cao, nhiều vùng đất ven biển và các quốc gia hay vùng lãnh thổ thấp hơn mực nước biển có nguy cơ biến mất [46]

Từ xa xưa con người đã biết sử dụng củi để nấu chín thức ăn và sưởi ấm Củi là nguồn năng lượng chính cho tới đầu thế kỉ XX khi con người tìm ra nhiên liệu hóa thạch: than đá, dầu mỏ… và sử dụng nó thay thế củi Kể từ đó, hầu như con người bị lệ thuộc hoàn toàn vào nguồn nhiên liệu hóa thạch: từ động cơ hơi nước được thay thế bởi động cơ đốt trong chạy bằng nhiên liệu hóa thạch, từ khí đốt giúp sưởi ấm trong mùa đông giá lạnh cho đến sử dụng dầu mỏ, khí đốt vào nấu ăn, chế biến thực phẩm … Tuy nhiên, nhiên liệu hóa thạch không phải là vô hạn và đang đứng trước nguy cơ cạn kiệt

do sự gia tăng dân số (Theo dự tính, dầu mỏ sẽ hết trong vòng 40 năm nữa) Yêu cầu cấp thiết hiện nay là phải tìm kiếm và phát triển các nguồn nhiên liệu mới thay thế cho nhiên liệu hóa thạch Một trong những giải pháp hiệu quả nhất hiện nay là phát triển nhiên liệu có nguồn gốc sinh học, vừa cung cấp năng lượng vừa giảm thiểu ô nhiễm môi trường [46]

Việt Nam hiện đang là nước xuất khẩu gạo thứ hai thế giới sau Thái Lan (bình quân mỗi năm Việt Nam xuất khẩu khoảng 3,5 ÷ 4 triệu tấn gạo) Với đà phát triển

này, mỗi năm ngành công nghiệp xay xát thóc thải ra một lượng trấu khá lớn (khoảng 7

÷ 8 triệu tấn); do đó Việt Nam có tiềm năng rất lớn trong việc biến vỏ trấu thành năng lượng Tuy nhiên, việc sử dụng trực tiếp vỏ trấu còn rất hạn chế do nhiều nguyên nhân như tỷ trọng thấp, độ ẩm cao, vận chuyển khó khăn, chi phí vận chuyển lớn… nên mới chỉ có một phần rất nhỏ trấu làm chất đốt gia đình hay đốt lò gạch; còn phần lớn trấu chưa sử dụng và đổ thành đống trong sân, ra đường, xuống sông hồ hay ngoài đồng ruộng Đặc biệt vào thời điểm thu hoạch ở đồng bằng sông Cửu Long – vựa lúa lớn nhất cả nước – lượng trấu sinh ra quá nhiều, không có chỗ để nên bà con nông dân đem

đổ thẳng xuống sông, biến cả dòng sông thành màu vàng và gây ra tình trạng ô nhiễm

nghiêm trọng [39] Vì thế, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu quy trình công nghệ sản xuất viên nhiên liệu từ phụ phẩm nhà máy xay xát (vỏ trấu)” nhằm biến vỏ trấu từ một

loại phế phẩm rẻ tiền, cho không không ai lấy và là nguyên nhân gây ra ô nhiễm môi trường – bài toán khó giải quyết đối với các cơ sở, nhà máy xay xát cũng như chính quyền địa phương và xã hội – thành một nguồn nguyên liệu sản xuất ra sản phẩm có

giá trị sử dụng cao, an toàn và thân thiện với môi trường: Viên nhiên liệu từ trấu (viên trấu)

Luận văn được thực hiện gắn liền với Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Nhà

nước: ―Nghiên cứu công nghệ, thiết kế chế tạo dây chuyền thiết bị sản xuất viên nhiên liệu (Pellet) từ trấu‖, mã số ĐTĐL.2010T/06 của Viện Nghiên cứu thiết kế chế tạo

máy nông nghiệp

II – Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn

II.1 Mục đích của luận văn

Xác định một số chỉ tiêu ảnh hưởng, từ đó xây dựng quy trình công nghệ sản xuất viên nhiên liệu từ vỏ trấu (viên trấu)

II.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Vỏ trấu thu nhận từ các nhà máy và cơ sở xay xát vùng Đồng bằng sông Hồng

II.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn

Với những kết quả nghiên cứu của mình, tôi mong muốn mọi người có một cách nhìn khác hơn về vấn đề môi trường, năng lượng và đặc biệt là về tác dụng của vỏ trấu – một nguồn năng lượng tái tạo tiềm năng nhưng chưa được khai thác và sử dụng một cách hợp lý

Kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ góp phần giải quyết ―nạn trấu‖ của Việt Nam, đồng thời tạo ra một sản phẩm mới có giá trị: vừa thân thiện với môi trường, vừa tăng thu nhập và nâng cao đời sống cho bà con nông dân

Kết quả nghiên cứu của luận văn là cơ sở; là nền tảng để phát triển ngành sản xuất viên nhiên liệu từ các loại phụ, phế phẩm nông nghiệp và trở thành nguồn năng lượng tái tạo mới của Việt Nam

II.4 Nội dung nghiên cứu

- Xác định đặc điểm và thành phần vỏ trấu của một số giống lúa trồng tại vùng đồng bằng sông Hồng

- Nghiên cứu một số chỉ tiêu công nghệ trong quy trình công nghệ sản xuất viên nhiên liệu từ vỏ trấu – Viên trấu

- Đánh giá chất lượng viên trấu

Chương 1:

TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về trấu

1.1.1 Cấu tạo, đặc điểm và thành phần vỏ trấu

1.1.1.1 Cấu tạo của vỏ trấu

Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt thóc, chiếm khoảng 16 ÷ 27% khối lượng hạt [4] và được tách ra trong quá trình xay thóc Vỏ trấu cấu tạo bởi 3 lớp chính, gồm có: Lớp ngoài cùng, lớp giữa và lớp biểu bì bên trong (hình 1.1) [32] [37]

nhưng rất bền Hình 1.1 – Cấu trúc cắt ngang của vở trấu [36]

- Lớp biểu bì bên trong bao gồm các lớp mỏng xếp chồng lên nhau Cả lớp giữa

và lớp biểu bì bên trong đều chứa rất ít SiO2

1.1.1.2 Tính chất vật lý của vỏ trấu

- Tỷ khối vỏ trấu: 90 ÷ 160 kg/m3.[20]

- Tỷ khối vỏ trấu nghiền: 230 ÷ 400 kg/m3 [43]

- Chiều dài vỏ trấu: 2,5 ÷ 5 mm [20]

- Độ cứng của trấu: 5,5 ÷ 6,5 (tính theo Moh) [20]

- Diện tích bề mặt của vỏ trấu là 4000 m2/m3 và giảm xuống còn 300 m2/m3

sau khi ép [43] [20]

- Tính dẫn nhiệt của vỏ trấu: 0,036 ÷ 0,04 W/moC [43] [20]

- Góc nghiêng tự nhiên của vỏ trấu: 35 ÷ 50o phụ thuộc vào độ ẩm (ARGC,

1968; Arumugam et al., 1981; Chakraverty, 1989; Kaupp, 1987; Pathak et al., 1988)

1.1.1.3 Thành phần hóa học của vỏ trấu

Vỏ trấu không có chất dinh dưỡng Thành phần cơ bản cấu tạo nên vỏ trấu gồm có: xenluloza, hemixenluloza, lignin và tro (bảng 1.1) Khi đốt trấu, khoảng 75% các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi bị cháy và 25% còn lại tạo thành tro Thành phần chính của tro trấu là oxyt silic (SiO2, chiếm 85 ÷ 95% khối lượng tro) [30] [23]

Bảng 1.1: Thành phần cấu tạo chủ yếu của vỏ trấu ở một số nước

I.1.1.4 Thành phần nguyên tử và nhiệt trị của vỏ trấu

Vỏ trấu được cấu tạo từ các nguyên tử: cacbon (C), hydro (H), oxy (O), nitơ (N), lưu huỳnh (S) nên trấu có chứa các thành phần cháy giống thành phần cháy của các loại nhiên liệu truyền thống như than, dầu mỏ, khí đốt nhưng hàm lượng lưu huỳnh thấp hơn rất nhiều so với hàm lượng lưu huỳnh trong than (hình 1.2) Do đó sử dụng vỏ trấu làm chất đốt có lợi hơn về môi trường

Hình 1.2 – Thành phần cấu tạo nguyên tử của than và sinh khối [8]

Thành phần cấu tạo nguyên tử quyết định nhiệt trị của sinh khối và nhiên liệu Nhiệt trị của một số loại sinh khối đƣợc biểu diễn ở hình 1.3 và của nhiên liệu ở hình 1.4

Hình 1.3 – Nhiệt trị của một số loại sinh khối [8]

Hình 1.4 – Nhiệt trị của một số loại nhiên liệu hóa thạch và nhựa tổng hợp [8]

Hình 1.3 và hình 1.4 cho thấy: nhiệt trị của vỏ trấu cao nhất trong số các loại sinh khối như rơm, bã mía, chất thải từ gỗ và bằng khoảng 1/3 ÷ 1/4 nhiệt trị của nhiên liệu hóa thạch như than, dầu mỏ nhưng giá thành thì rẻ hơn rất nhiều Bởi đây là loại phế liệu, phế thải nhiều khi cho không người ta còn không nhận

I.1.2 Tình hình phát sinh và sử dụng vỏ trấu

I.1.2.1 Tình hình phát sinh vỏ trấu

 Tình hình phát sinh vỏ trấu trên thế giới

Trấu là lớp vỏ cứng của hạt thóc, chiếm khoảng 20% khối lượng hạt nên chỉ có

ở những nước trồng lúa Vỏ trấu tập trung chủ yếu ở các nước Châu Á – nơi sản xuất

và tiêu thụ khoảng 90% sản lượng lúa gạo của toàn thế giới Trong những năm gần đây, năng suất và sản lượng lúa tăng lên đáng kể do sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật như trình độ thâm canh tăng, sự ra đời và phát triển các giống lúa ngắn ngày, chất lượng phân bón cao… Kéo theo đó là sự gia tăng sản lượng trấu thải ra (bảng 1.2 và hình 1.5)

Bảng 1.2: Sản lƣợng trấu và năng lƣợng tạo ra từ trấu của thế giới trong thập niên đầu thế kỷ XXI

- Sản lượng vỏ trấu tính bằng 20% sản lượng lúa

- Nhiệt trị của vỏ trấu là 3500 kcal/kg = 14,63.10 6 J/kg [11]

Bảng 1.2 và đồ thị 1.5 cho thấy: sản lượng trấu thế giới trong thập niên đầu thế

kỷ XXI giữ ở mức tương đối ổn định (dao động trong khoảng 120 ÷ 140 triệu tấn) Ước tính đến năm 2020, lượng vỏ trấu thải ra của toàn thế giới khoảng 150 ÷ 160 triệu tấn, tương đương với năng lượng phát ra là 1,8 ÷ 2,0 EJ Điều đó chứng minh tiềm năng năng lượng từ trấu là rất lớn Nhưng do 90% sản lượng trấu tập trung ở Châu Á, đặc biệt là vùng Châu Á – Thái Bình Dương, nên khả năng phát triển năng lượng từ trấu còn nhiều hạn chế và khó khăn cả về công nghệ lẫn đầu tư tài chính

Sản lượng trấu và tiềm năng năng lượng phát sinh từ trấu của các khu vực và một số quốc gia sản xuất lúa trên thế giới được biểu diễn trong bảng 1.3

- Việt Nam đứng thứ 5 thế giới về sản lượng trấu Đây chính là tiềm năng và

cơ hội để Việt Nam phát triển năng lượng từ trấu nói riêng và năng lượng tái tạo nói chung

Bảng 1.3 – Sản lượng lúa, trấu và năng lượng tạo ra từ trấu của các khu vực và một số nước trên thế giới [42]

Khu vực/ quốc gia

Lúa Vỏ trấu lượng Năng Lúa Vỏ trấu lượng Năng Lúa Vỏ trấu lượng Năng

Triệu tấn Triệu tấn (EJ) Triệu tấn Triệu tấn (EJ) Triệu tấn Triệu tấn (EJ)

 Tình hình phát sinh vỏ trấu ở Việt Nam

Việt Nam là một nước nông nghiệp lâu đời Trong những năm gần đây, từ một quốc gia không đủ lương thực để ăn, Việt Nam đã vươn lên trở thành nước xuất khẩu gạo thứ hai thế giới sau Thái Lan, bình quân mỗi năm xuất khẩu hơn 4 triệu tấn gạo

Đó là chưa kể đến lượng gạo phục vụ nhu cầu tiêu thụ trong nước của hơn 86 triệu dân

Vì thế, mỗi năm ngành công nghiệp chế biến lúa gạo của Việt Nam thải ra một lượng trấu rất lớn (khoảng 7 ÷ 8 triệu tấn) và tương đương với lượng năng lượng có thể cung cấp là 70 ÷ 100 PJ (bảng 1.4)

Bảng 1.4 – Diện tích, sản lượng lúa và sản lượng trấu của Việt Nam qua các năm Năm

Diện tích trồng lúa Sản lượng lúa Sản lượng trấu Năng lượng quy đổi

(Nguồn: Bộ Nông nghiệp & phát triển nông thôn và Tổng cục thống kê )

Bảng 1.4 cho thấy: Việt Nam có tiềm năng năng lượng từ trấu rất lớn Nếu tất cả lượng trấu ở Việt Nam được tập trung lại để phát điện thì sản lượng điện sinh ra có thể

lên tới 2720 GWh, tương đương khoảng 9% sản lượng điện tiêu thụ của Việt Nam năm

Sản lượng trấu

Năng lượng quy đổi

Nghìn ha Nghìn tấn Nghìn tấn PJ

Đồng bằng sông Hồng 1153,2 6776,0 1355,2 16,99 Trung du và miền núi phía

Đồng bằng sông Cửu Long 3858,9 20681,6 4136,3 51,87

(Nguồn: Bộ Nông nghiệp & phát triển nông thôn và Tổng cục thống kê 7/2010 )

Sản lượng vỏ trấu thải ra hàng năm ở đồng bằng sông Cửu Long là hơn 4 triệu tấn, chiếm 53,4% tổng sản lượng trấu cả nước Điều này hoàn toàn dễ hiểu bởi vì đồng bằng sông Cửu Long là vựa lúa lớn nhất cả nước: 53,4% sản lượng lúa của cả nước và 90% sản lượng gạo xuất khẩu được sản xuất tại đây

Với sản lượng lúa chiếm khoảng 17,5% tổng sản lượng cả nước, hàng năm đồng bằng sông Hồng thải ra khoảng 1,3 triệu tấn trấu Lượng trấu này được phân bố cho các tỉnh như sau (bảng 1.6):

Bảng 1.6 – Diện tích, sản lượng lúa và sản lượng vỏ trấu của các tỉnh thuộc vùng đồng bằng sông Hồng năm 2008

STT Tên tỉnh

Diện tích lúa

(Nghìn ha)

Sản lượng lúa

Nguồn: Bộ Nông nghiệp & Phát triển nông thôn

Ở đồng bằng sông Hồng, sản lượng trấu của Hà Nội là cao nhất (vì Hà Nội hiện bao gồm 2 tỉnh Hà Nội và Hà Tây cũ); đứng thứ 2 là tỉnh Thái Bình – ―chị hai năm tấn‖ của miền Bắc thời kỳ đổi mới

1.1.2.2 Tình hình sử dụng vỏ trấu

 Tình hình sử dụng vỏ trấu trên thế giới

Vỏ trấu có rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp và đời sống của con người: tro trấu được sử dụng làm phụ gia cho xi măng hoặc thay thế trực tiếp SiO2 trong xi măng; trấu sử dụng làm giá thể trồng nấm; thiết bị lọc nước từ trấu và là một nguồn năng lượng tái tạo rất tiềm năng [50]

Trước đây, vỏ trấu sử dụng chủ yếu dưới hai dạng:

- Sử dụng trực tiếp dưới dạng tự nhiên: đốt lò gạch, lấy trấu bón ruộng…

- Đốt trấu lấy tro dùng cho ngành công nghiệp xi măng vì trong thành phần tro trấu hàm lượng cacbon và silic rất cao (80 ÷ 90%)

Hiện nay, vỏ trấu được sử dụng chủ yếu làm nhiên liệu cung cấp năng lượng dưới nhiều dạng khác nhau:

Sử dụng trực tiếp vỏ trấu làm nhiên liệu đốt:

- Vỏ trấu làm nhiên liệu đốt lò/bếp đun gia đình

- Vỏ trấu dùng làm nhiên liệu cho lò sấy lúa, lò nung gạch hoặc lò cấp hơi trong các nhà máy xay xát

Sở dĩ trấu được sử dụng nhiều làm chất đốt là do những ưu điểm của nó:

- Trấu có khả năng sinh nhiệt và cháy tốt do thành phần có tới 75% chất xơ Cứ

1 kg trấu sinh ra một nhiệt lượng là 3500 kcal, bằng 1/3 nhiệt lượng tạo ra từ dầu nhưng giá rẻ hơn dầu 25 lần (năm 2006), nhiều khi còn không mất tiền mua

- Trấu là nguồn nguyên liệu dồi dào và rẻ tiền: theo Thống kê của FAO, mỗi năm thế giới thải ra khoảng 120 đến 140 triệu tấn trấu Một phần nhỏ được các nhà máy và cơ sở xay xát lúa gạo tận dụng làm nhiên liệu đốt, cung cấp năng lượng cho các

lò sấy thóc, lò hơi gia công nước nhiệt ; còn phần lớn trấu được đổ đống bên cạnh nhà máy

- Vỏ trấu có nhiều lợi thế khi dùng làm chất đốt: sau khi xay xát vỏ trấu luôn ở dạng khô, rời, tơi xốp; thành phần nhiều chất xơ nên ít được vi sinh vật sử dụng và phân hủy; do đó dễ bảo quản với chi phí đầu tư thấp và dễ đốt cháy

- Đối với sản xuất tiểu thủ công nghiệp và chăn nuôi, vỏ trấu sử dụng làm chất đốt là chủ yếu như đốt lò gạch, nấu cám …

Sử dụng vỏ trấu để phát điện:

Nhiệt điện sản xuất từ trấu là một hướng khai thác mới trong vấn đề sử dụng trấu ở nhiều nước có nền nông nghiệp phát triển như Trung Quốc, Ấn Độ, Mông Cổ (hàng năm sản xuất ra hàng trăm MW điện từ trấu) Sản xuất điện từ trấu không những tiết kiệm được nguồn tài nguyên khó tái tạo (nhiên liệu hóa thạch, tài nguyên nước …)

mà còn bảo vệ môi trường tự nhiên (ô nhiễm do trấu hay vấn đề chặn sông hồ làm thủy điện …) [47]

Thái Lan hiện nay đã có 2 nhà máy nhiệt điện sử dụng trấu tại tỉnh Nakornrachasima (công suất 2,5 MW) và tỉnh Pathumtami (công suất 10 MW) [49]

Campuchia có một nhà máy nhiệt điện dùng trấu tại tỉnh Ang Snoul, công suất 2

MW [49]

Malaysia cũng có 1 nhà máy nhiệt điện sử dụng trấu tại Perak với công suất 1,5

MW [40]

Vỏ trấu ép thành nhiên liệu dạng thanh hoặc bánh:

Ở một số nước như Nhật Bản, Thái Lan, Trung Quốc, Banglades, Ấn Độ …, vỏ trấu được ép thành thanh nhiên liệu (than củi trấu, than bánh …) dùng trong các lò đốt quy mô vừa và nhỏ [11]

Ngoài mục đích năng lượng, vỏ trấu còn được sử dụng với mục đích phi năng lượng như đốt trấu lấy tro dùng cho ngành công nghiệp sản xuất xi măng, làm vật liệu xây dựng sạch, làm phân bón, giá thể trồng cây …

 Tình hình sử dụng vỏ trấu tại Việt Nam

Vỏ trấu có rất nhiều ứng dụng trong đời sống và công nghiệp Từ rất lâu rồi bà con nông dân đã biết sử dụng vỏ trấu làm nhiên liệu đốt như đun bếp, đốt lò gạch … hay dùng làm phân bón ruộng Phân bố sử dụng vỏ trấu tại Việt Nam như sau:

- 10% dùng làm chất đốt tại chỗ ở lò gạch, lò nướng hay lò đốt gia đình ở nông thôn

- 5% dùng làm nhiên liệu công nghiệp để sản xuất nhiệt cục bộ cung cấp cho

hệ thống lò hơi hoặc sấy, phổ biến dùng để cấp cho lò hơi trong các nhà máy xay xát gạo

- 3% dùng cho sản xuất thức ăn chăn nuôi, làm phân bón cho đất, đốt lấy tro bón ruộng hay làm giá thể trồng nấm

- 80% dư thừa thải ra môi trường: đổ xuống sông hồ, kênh rạch hoặc đốt trụi hoàn toàn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng [6] [49]

Sử dụng trấu trực tiếp làm chất đốt:

Vỏ trấu được dùng làm nhiên liệu đốt cho các loại máy sấy thóc, máy sấy nông sản hay lò cấp hơi trong các nhà máy và cơ sở chế biến lúa gạo Hiện nay, đồng bằng sông Cửu Long có hàng vạn máy sấy thóc và nông sản sử dụng nhiên liệu là trấu, trong

đó có khoảng 7000 máy do Đan Mạch tài trợ từ năm 2001 [5]

Vỏ trấu làm nhiên liệu phát điện:

Những dự án nhà máy sản xuất điện từ trấu được triển khai ở Việt Nam từ năm

2006 Hiện tại đã có 3 dự án nhiệt điện từ trấu quy mô công nghiệp ở khu vực phía Nam (Nhà máy nhiệt điện Đình Hải – Cần Thơ và nhà máy Xi măng Holcim), dự án còn lại sắp được triển khai tại tỉnh Tiền Giang với công suất khoảng 10MW, vốn đầu tư trên 18,6 triệu USD [40]

Tuy nhiên, việc phát triển năng lượng điện từ trấu gặp nhiều khó khăn do vấn đề thu gom (khó chuyên chở, chiếm diện tích kho bảo quản lớn, chi phí vận chuyển cao

…), sản lượng không đều (theo mùa vụ lúa), giá trấu bị đẩy lên cao do cạnh tranh với các cở sở sản xuất củi trấu, ván ép và vốn đầu tư lớn [44]

Có thể nói, tiềm năng nhiên liệu từ vỏ trấu là rất lớn Do đó, cần tiến hành nghiên cứu và phát triển nguồn nhiên liệu này nhằm tạo ra được nguồn năng lượng mới thay thế cho năng lượng hóa thạch đang cạn dần, vừa tận dụng được nguồn phế thải dư thừa, vừa góp phần hạn chế ô nhiễm môi trường

I.2 Giới thiệu về viên nhiên liệu

I.2.1 Khái niệm về viên nhiên liệu

Viên nhiên liệu là một sản phẩm nhiên liệu sinh học được sản xuất trực tiếp hoặc gián tiếp từ chất thải nông nghiệp (biomass) hoặc lâm nghiệp [29]

I.2.2 Phân loại viên nhiên liệu

Có rất nhiều phương pháp phân loại viên nhiên liệu:

Dựa vào nguồn gốc phát sinh của nguyên liệu, viên nhiên liệu chia thành các loại sau: [16]

- Viên nhiên liệu làm từ phụ phế phẩm nông nghiệp và thực phẩm như trấu, rơm, lõi ngô, bã sắn, vỏ cà phê, bã mía …

- Viên nhiên liệu làm từ phụ phế phẩm của ngành chế biến gỗ và lâm nghiệp như mùn cưa, dăm gỗ, gỗ cành …

- Viên nhiên liệu làm từ rác thải khó phân hủy – RDF (refuse derived fuel)

Hình 1.6 – Viên nhiên liệu làm từ các loại nguyên liệu khác nhau [55]

Dựa vào hình dạng và kích thước, viên nhiên liệu chia thành 2 loại:

- Pellet: viên nén hình trụ có đường kính D = 6 ÷ 25 mm, chiều dài L ≤ (4 ÷ 5)D (SS 187120)

- Briquette: viên nén với nhiều hình dạng khác nhau, có đường kính D > 25mm (SS 187123)

Hình 1.7 – Các loại hình dạng của viên nhiên liệu [55]

1.2.3 Công nghệ sản xuất viên nhiên liệu

Quy trình công nghệ sản xuất viên nhiên liệu (pellet) từ sinh khối như gỗ, mùn cưa, rơm, cỏ … hiện đang thịnh hành trên thế giới theo sơ đồ hình 1.8:

Hình 1.8 – Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất viên nhiên liệu

Thiết bị sử dụng để ép viên nhiên liệu gồm có máy ép khuôn vành và máy ép khuôn phẳng: [26] [27] [45] [57]

1.2.3.2.1 Máy ép khuôn vành (hình 1.9)

Nguyên lý hoạt động:

Vật liệu đi vào từ bên hông sẽ bị

cuốn vào khe hẹp giữa lô ép và khuôn ép

Tại đây vật liệu bị ép chặt và đi vào lỗ

khuôn tạo thành viên

Ưu điểm của máy ép khuôn vành:

- Khắc phục được hiện tượng ăn

mòn giữa trục lăn và khuôn vì

cạnh trong và cạnh ngoài của

con lăn tạo ra các khoảng chạy

tương đương Hình 1.9 – Máy ép viên khuôn vành [53]

- Năng suất cao nên có thể áp dụng sản xuất trên quy mô công nghiệp

- Không gây ra hiện tượng ma sát dư như trong máy ép khuông phẳng; mặc dù

Nguyên liệu

Xử lý trước ép

Sấy

Viên nhiên liệu

Ép viên

Làm nguội

Đóng gói

ma sát dư sinh ra có tác dụng làm tăng nhiệt trong khuôn ép và viên tạo ra có chất lượng tốt hơn

Nhược điểm của máy ép khuôn vành:

- Kích thước và trọng lượng của máy lớn nên không phù hợp với sản xuất quy

mô nhỏ

- Khi thay đổi trục lăn và khuôn đòi hỏi cán bộ kỹ thuật có chuyên môn cao

- Khuôn thường to và nặng; do đó cần có thiết bị chuyên dụng trong trường hợp tháo dỡ hoặc thay thế khuôn

- Khó điều chỉnh con lăn hơn vì phải dùng tay và mở khoang ép ra mới điều chỉnh được

- Không hiển thị quá trình ép do khuôn và con lăn được bọc kín trong buồng

ép

1.2.3.2.2 Máy ép khuôn phẳng (hình 1.10)

Nguyên lý hoạt động: Vật liệu cấp

từ trên xuống và được lô ép cuốn vào khe

hở nằm giữa lô và bề mặt của khuôn, sau

đó vật liệu bị ép vào lỗ khuôn tạo thành

viên Khi ra khỏi khuôn, dùng 1 dao cắt

để xác lập chiều dài viên

Ưu điểm của máy ép khuôn phẳng:

- Dễ vệ sinh làm sạch hơn máy

ép khuôn vành

- Thiết kế nhỏ gọn, phù hợp với

sản xuất quy mô vừa và nhỏ

Hình 1.10 – Máy ép viên khuôn phẳng [53]

- Có thể nhìn thấy quá trình ép xảy ra và đo các thông số dễ dàng

- Sử dụng được với nhiều loại nguyên liệu hơn máy ép khuôn vành

Nhược điểm của máy ép khuôn phẳng:

Do nguyên lý làm việc của máy dẫn đến sự ăn mòn không đều giữa trục lăn và

vỏ khuôn Khi con lăn lăn trên bề mặt khuôn, cạnh trong và cạnh ngoài của trục lăn tạo

ra các khoảng chạy khác nhau làm gia tăng ma sát gây mài mòn Tuy nhiên, vấn đề này không phải lúc nào cũng xảy ra và có thể hạn chế bằng cách thu hẹp khoảng cách trục lăn

1.2.4 Tình hình sản xuất và sử dụng viên nhiên liệu

1.2.4.1 Tình hình sản xuất và sử dụng viên nhiên liệu trên thế giới

1.2.4.1.1 Tình hình sản xuất viên nhiên liệu trên thế giới

Ngành công nghiệp sản xuất viên nhiên liệu ra đời sau cuộc khủng hoảng dầu

mỏ thế giới cuối những năm 70 của thế kỷ XX (năm 1973 ở Châu Âu, 1979 ở Bắc Mỹ

và 1982 ở Nhật Bản), nhưng phát triển mạnh từ đầu những năm 90 của thế kỷ XX khi thế giới đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng và sự ô nhiễm môi trường do khí thải sinh ra từ việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch Hàng năm lượng nhiên liệu hóa thạch sử dụng trong công nghiệp và đời sống thải ra khoảng 25 tỷ tấn khí độc hại và khí nhà kính làm cho trái đất ấm dần lên và khí hậu biến động bất thường Các báo cáo công bố gần đây của IPCC và của nhiều trung tâm nghiên cứu về biến đổi khí hậu cho thấy: nhiệt độ trái đất tăng lên 2 ÷ 3oC và mực nước biển tăng 0,8m trong vòng 100 năm gần đây; nồng độ khí cacbon dioxyt (CO2) tăng 30% (từ 280 ppm lên đến 360 ppm) và khí mêtan (CH4) tăng 90% so với thời kỳ tiền công nghiệp [52]

Viên nhiên liệu đầu tiên trên thế giới được sản xuất từ mùn cưa và phế thải ngành sản xuất gỗ; sau đó mới chuyển sang các loại nguyên liệu có nguồn gốc thực vật khác như vỏ trấu, thân cây, rơm, cỏ các loại v.v Dựa vào năng lực sản xuất và khả năng cung ứng viên cho thị trường, các nước sản xuất viên nhiên liệu được chia thành

năm là 200 ÷ 600 nghìn tấn như Áo, Đức, Đan Mạch, Latvia, Ba Lan…

- Nhóm thứ ba bao gồm các nước có công suất sản xuất nhỏ hơn 200 tấn/năm Nhóm này chủ yếu là các thị trường mới nổi ở Châu Á và Châu Mỹ Latinh như Trung Quốc, Braxin, Nhật Bản …

Sản lượng viên nhiên liệu của một số nước được thể hiện trong bảng 1.7

Bảng 1.7 – Sản lượng viên nhiên liệu của thế giới và một số quốc gia

Châu Á và Châu Mỹ Latinh là những thị trường mới nổi trong ngành sản xuất viên nhiên liệu (trừ Nhật Bản), sản lượng viên gỗ sản xuất tại các châu lục này còn thấp, chưa đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ nội địa Vì thế, các nước ở Châu Á và Nam

Mỹ vẫn phải nhập viên gỗ Tuy nhiên, Châu Á lại là nơi có tiềm năng rất lớn trong

việc sản xuất viên nhiên liệu từ phụ phẩm nông nghiệp như bã mía, vỏ trấu, bã sắn …, đặc biệt là vỏ trấu vì nơi đây cung cấp 95% sản lượng vỏ trấu toàn thế giới

1.2.4.1.2 Tình hình sử dụng viên nhiên liệu trên thế giới

Viên nhiên liệu được sử dụng làm nhiên liệu cung cấp cho hệ thống lò sưởi gia đình và các lò đốt công nghiệp, thay thế một phần hoặc hoàn toàn các loại nhiên liệu truyền thống như than, dầu, xăng … Hiện nay nhu cầu sử dụng và tiêu thụ viên nhiên liệu của thế giới ngày càng tăng, cầu đang vượt cung

Năm 2009, thế giới tiêu thụ khoảng 10 triệu tấn viên nhiên liệu, trong đó Châu

Âu là 8 triệu tấn và Canada là 100 nghìn tấn; số còn lại phân bố cho Mỹ và các nước khác (hình 1.11) [51]

Hình 1.11 – Phân bố tiêu thụ viên nhiên liệu toàn cầu năm 2009 [22]

Các nước tiêu thụ viên nhiên liệu lớn nhất Châu Âu là Thụy Điển, Đan Mạch, Italy, Hà Lan, Đức, Áo và Bỉ, chiếm khoảng 95% tổng lượng viên nhiên liệu của toàn Châu Âu, trong đó gần một nửa lượng viên nhiên liệu sử dụng với mục đích sưởi ấm và đun nấu trong gia đình; nửa còn lại dùng để làm nhiên liệu cung cấp nhiệt cho các nhà máy quy mô vừa và lớn hoặc hệ thống lò sưởi trung tâm [12] [45]

Mới đây, tập đoàn Submachine ở Châu Âu vừa cho ra đời máy phát điện chạy

bằng viên nhiên liệu sản xuất từ phế liệu nông nghiệp có tên là Pellet Submachine

Viên nhiên liệu có đường kính 6 mm và dài khoảng 30 mm được sử dụng rất hiệu quả

cho loại máy này Qua so sánh người ta thấy rằng: điện năng thu được từ việc đốt 2 kg viên nhiên liệu tương đương với lượng điện năng thu được khi đốt 1 lít dầu diesel Trong khi đó giá thành 1 lít dầu diesel đắt gấp 4 lần giá thành của 2 kg viên nhiên liệu Mặt khác sử dụng dầu diesel còn thải ra khí thải độc hại như bụi chì và lưu huỳnh, khí

CO2 gây hiệu ứng nhà kính; trong khi đó khí CO2 thải ra từ quá trình đốt viên nhiên liệu được tuần hoàn luân chuyển theo chu kỳ năng lượng sinh học nên không gây khí nhà kính [48]

Ở Bắc Mỹ (Mỹ và Canada), viên nhiên liệu được sử dụng trong các lò sưởi gia đình Từ năm 1998 lò sưởi sử dụng viên nhiên liệu bắt đầu được xuất khẩu và nhanh chóng trở thành mặt hàng xuất khẩu tiềm năng: trong vòng 10 năm, Bắc Mỹ đã xuất khẩu 735 nghìn chiếc lò sưởi dùng viên nhiên liệu Ngoài ra, viên nhiên liệu còn được

sử dụng như là nguồn nhiên liệu phát điện Đây là vừa là cơ hội vừa là thách thức đối với ngành sản xuất viên nhiên liệu [19]

Như vậy, viên nhiên liệu sản xuất và tiêu thụ trên thế giới chủ yếu được làm từ phế phụ phẩm nông – lâm nghiệp như các loại cỏ, rơm, lõi ngô, mùn cưa là chính;

còn viên ép từ trấu thì chưa thấy công bố trong các tài liệu

1.2.4.2 Tình hình sản xuất và sử dụng viên nhiên liệu ở Việt Nam

1.2.4.2.1 Tình hình sản xuất viên nhiên liệu ở Việt Nam

Ngành sản xuất viên nhiên liệu của Việt Nam bắt đầu từ năm 1990 khi một nhà sản xuất tư nhân đã nhập khẩu máy sản xuất viên nhiên liệu từ vỏ trấu (củi trấu) của Đài Loan Hơn 10 máy ép củi trấu được đưa vào sản xuất thử nghiệm tại 4 nhà máy xay xát gạo ở Đồng bằng sông Cửu Long Tuy nhiên, do thiếu sự hỗ trợ của chính phủ

và cán bộ kỹ thuật, những nỗ lực về công nghệ và thương mại hóa sản phẩm củi trấu bị thất bại [28]

Tháng 08 năm 2008, Công ty TNHH Hoàng Huynh thành lập nhà máy sản xuất củi trấu của tại Cai Lậy – Tiền Giang với công suất 6000 tấn củi trấu/tháng Quy trình sản xuất củi trấu như sau: trấu nguyên liệu được đưa vào một nhà kho riêng, rộng

khoảng 100 m2 Máy hút tự động đưa trấu vào những chiếc ống dài bằng gỗ, phân phối cho năm máy ép củi trấu bằng công nghệ ép với lực xoáy theo trục ngang, kết hợp với sức nóng gần 800oC, tán vỏ trấu thành bột trước khi cho ra củi trấu Những thanh củi trấu sau khi ép được cắt thành từng đoạn khoảng 35cm, nặng chừng 2 kg, theo băng chuyền ra khu vực đóng gói bên ngoài (theo Sài Gòn Times – 05/09/2009)

1.2.4.2.1 Tình hình sử dụng viên nhiên liệu ở Việt Nam

Viên nhiên liệu dùng thay thế than đá, dầu, củi gỗ … trong các lò nung truyền thống và công nghiệp, lò hơi của nhà máy hoặc sử dụng trực tiếp trong các hộ gia đình [6] [41]

1.3 Những nghiên cứu về công nghệ sản xuất viên nhiên liệu từ trấu – Viên trấu

1.3.1 Những nghiên cứu về công nghệ sản xuất viên trấu trên thế giới

Hiện nay, rất nhiều nước quan tâm và đầu tư vào nghiên cứu sử dụng vỏ trấu làm nhiên liệu bằng cách phát minh ra các kiểu lò đốt trấu trực tiếp, vừa cung cấp nhiệt vừa thu được tro trấu Phổ biến nhất là kiểu lò đốt như lò đốt tầng sôi, lò đốt khí hóa LPG (Philipin) từ vỏ trấu đang được sử dụng khá rộng rãi tại các nước đang phát triển như Philipin, Ấn Độ, Trung Quốc … [11]

Ngoài việc sử dụng trực tiếp, vỏ trấu thường được ép thành dạng thanh hoặc bánh (gọi là briquette) để làm nhiên liệu đốt thay thế cho than, củi; [14] [17] nhưng

chưa có một nghiên cứu hay tài liệu nào đề cập đến công nghệ sản xuất viên nhiên liệu (Pellet) từ vỏ trấu

1.3.2 Những nghiên cứu về công nghệ sản xuất viên trấu ở Việt Nam

Ở Việt Nam, mỗi năm ngành công nghiệp xay xát thóc thải ra khoảng 7,5 ÷ 8 triệu tấn vỏ trấu nhưng mới có một phần rất nhỏ trấu được sử dụng; còn phần lớn bị bỏ phí và trở thành nguồn gây ra ô nhiễm môi trường, đặc biệt vào thời điểm thu hoạch

Vì thế, các công trình nghiên cứu nhằm biến vỏ trấu thành chất đốt cao cấp trở nên cần thiết và ngày càng được chú trọng:

1 Dự án ―Công nghệ định hình sinh khối các phế thải – phụ phẩm nông nghiệp

để sản xuất thành nhiên liệu có chất lượng cao‖ của Viện Năng lượng là công trình

nghiên cứu sản xuất viên nhiên liệu từ vỏ trấu đầu tiên ở Việt Nam Dự án này bắt đầu

từ năm 1997, dưới sự giúp đỡ của Tổ chức SIDA và Viện Công nghệ Châu Á – AIT Mới đây, Viện đã chế tạo thành công máy ép trục vít dùng để ép các phế thải - phụ phẩm nông nghiệp thành thanh nhiên liệu với nhiệt năng cao Máy có các chỉ tiêu kỹ thuật tương đương với máy của Thái Lan và Bangladesh nhưng giá thành chỉ bằng 1/2 đến 1/3 Hiện máy được chạy thử nghiệm tại thị trấn Trôi – Hà Nội và đang trong quá trình hoàn thiện về công nghệ Tuy nhiên máy ép trục vít tiêu tốn nhiều năng lượng, tốc

độ ăn mòn vít cao và thanh nhiên liệu không tiện cho sử dụng và vận chuyển [59] [60]

2 Năm 2008, Trung tâm Nghiên cứu thực nghiệm Đa dạng sinh học Hòa An thuộc trường Đại học Cần Thơ đã sản xuất thành công củi từ vỏ trấu bằng một chiếc máy ép chạy bằng điện ba pha Nguyên lý hoạt động của máy như sau: Trấu đổ vào phễu hứng phía trên, máy sẽ ép và đùn ra phía dưới những thanh củi tròn dài đến 1 mét Thanh củi có đường kính 7,5 cm; hình vành khuyên với lỗ tròn ở giữa để dễ cháy Khoảng 20 cm củi trấu nặng 1 kg và với 1 kg có thể nấu được bữa ăn cho 4 người Công suất của máy 70 ÷ 80 kg củi trấu/giờ và điện tiêu thụ 6 ÷ 7 KW/h Bình quân 1,05 kg vỏ trấu làm ra 1 kg củi trấu Tuy nhiên, để đốt loại củi trấu này cần phải có lò đốt chuyên dụng nên khó sử dụng rộng rãi và tiêu thụ chậm [41] [54]

3 Đề tài khoa học & công nghệ cấp Bộ ―Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy ép viên phụ phế liệu nông nghiệp và rác thải làm phân bón‖ của Viện Nghiên cứu thiết kế

chế tạo Máy nông nghiệp được thực hiện năm 2008 với kết quả bước đầu thu được rất khả quan: ép thành công lõi ngô, mùn cưa, bã sắn, vỏ trấu trên máy ép khuôn vành và khuôn phẳng với độ giảm thể tích 5  8 lần (hình 1.12 và hình 1.13) [7] [1]

Hình 1.12 – Vỏ trấu và lõi ngô ép viên [58]

Hình 1.13 – Bã sắn và sắn lát ép viên [58]

4 Đề tài ―Nghiên cứu sản xuất viên nhiên liệu từ biomass‖ của Hoàng Nguyễn

Thu Hà được thực hiện tại Đại học Đà Nẵng năm 2008 đã ép thành công viên nhiên liệu (đường kính D = 6 ÷ 8 mm, chiều dài L ≤ 38mm) có nguồn gốc từ phụ phẩm nông nghiệp như vỏ trấu, bã mía, rơm …bằng máy ép Piston Tuy nhiên, nghiên cứu này mới chỉ tiến hành ở phòng thí nghiệm, chưa đưa ra ứng dụng thực tế và năng suất thấp [6]

Tất cả các công trình nghiên cứu công nghệ sản xuất viên nhiên liệu từ vỏ trấu mới ở giai đoạn bắt đầu (thử nghiệm trong phòng thí nghiệm hoặc pilot chứ chưa đưa vào sản xuất công nghiệp hàng loạt) Vì thế, các kết quả nghiên cứu thu được còn rất hạn chế, đòi hỏi sự đầu tư cả về công nghệ lẫn tài chính

Chương 2:

NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

II.1 Nguyên liệu

II.1.1 Vỏ trấu

Nguyên liệu sử dụng trong nghiên cứu là vỏ trấu được thu gom từ các cơ sở xay xát ở các tỉnh thuộc Đồng bằng sông Hồng như Hà Nội, Hưng Yên, Bắc Ninh …

Quy trình thu nhận vỏ trấu được tiến hành theo sơ đồ hình 2.1:

Hình 2.1 – Sơ đồ thu nhận vỏ trấu từ các cơ sở xay xát

Địa điểm thực hiện nghiên cứu: Viện Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông nghiệp – Km 9,5 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân – Hà Nội

Trấu của các giống lúa được đưa vào nghiên cứu bao gồm:

- Giống lúa Si, Nếp và BT15: Dương Xá – Gia Lâm – Hà Nội

- Giống lúa B13: Nghĩa Dân – Kim Động – Hưng Yên

- Giống lúa Khang dân, VT8 và Bắc thơm: Lý Nhân – Hà Nam

Thóc (cơ sở xay xát vùng

- Hỗn hợp các giống: Hà Nội và các tỉnh lân cận như Hưng Yên, Nam Định …

II.1.2 Nguyên liệu bổ sung

Nguyên liệu bổ sung gồm có:

- Mùn cưa: Lấy từ các nhà máy và cơ sở chế biến gỗ quanh Hà Nội

- Rơm: lấy ở Hà Nội và các tỉnh lân cận như Hưng Yên, Nam Định …

- Bột sắn: Nhà máy sắn Yên Thành – Nghệ An

II.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp vật lý và hóa lý

2.2.1.1 Phương pháp xác định độ ẩm

Độ ẩm xác định bằng máy phân tích độ ẩm MA 45 của hãng Sartorius – Đức

Nguyên tắc: sấy đến trọng lượng không đổi ở 105oC

2.2.1.2 Phương pháp đo tỷ khối của viên

Tỷ khối của viên được xác định theo công thức:

g = m

V (kg/m3) trong đó: g – Tỷ khối của viên, kg/m3

m – khối lượng của viên, kg

2.2.1.3 Phương pháp đo kích thước viên

Đo kích thước (chiều dài và đường kính) của viên nhiên liệu bằng thước kẹp

2.2.1.4 Phương pháp đo tỷ lệ thu hồi của viên

Đo tỷ lệ nát vụn của viên và tỷ lệ thu hồi viên bằng phương pháp sàng

Nguyên tắc: Độ tro xác định bằng cách nung mẫu đến trọng lượng không đổi ở

2.2.2.1 Phương pháp xác định hàm lượng xenluloza

Hàm lượng xenluloza được xác định theo phương pháp Weende (TCVN 4329 – 93) trên máy Fibertex – M

Nguyên tắc: Thủy phân mẫu bằng dung dịch H2SO4 và kiềm (NaOH hoặc KOH) trong một thời gian xác định để loại bỏ protein, lipit, tinh bột, đường ra khỏi mẫu phân tích; phần còn lại gồm xenluloza, hemixenluloza, lignin, cutin và silica

Hóa chất sử dụng: - Cồn 96o

- Dung dịch H2SO4 1,25%

- Dung dịch KOH 1,25% hoặc NaOH 1,25%

- Ete dầu hỏa (etepetrol)

Cách tiến hành: Sấy khô chén đến trọng lượng không đổi, làm nguội và cân

khối lượng chén không (M1)

Cân 1 ÷ 1,5g mẫu (P g) cho vào chén, rồi đưa chén với mẫu vào máy

Thêm 200 (ml) dung dịch H2SO4 1,25% và đem đun sôi trong 30 phút, lọc rửa chất xenluloza trong chén bằng nước cất nóng (rửa ngay trên máy) cho đến khi hết axit trong chén (thử bằng giấy quỳ) Cho tiếp 200 (ml) dung dịch kiềm (KOH hoặc NaOH 1,25%) vào và đun sôi tiếp trong 30 phút, lọc và rửa bằng nước cất nóng cho đến hết kiềm

Thêm tiếp 20 ml cồn 96o và 10 ml ete chiết khô, rồi đưa chén có mẫu vào tủ sấy Sấy mẫu ở nhiệt độ 105 ± 5oC trong 4 giờ (hoặc 130 ± 5oC trong 45 phút) Hết 4 giờ lấy chén ra làm nguội trong bình hút ẩm và cân cả khối lượng (chén + mẫu) Thực hiện cho đến khi khối lượng cân không đổi thì dừng (M2)

Hàm lượng xenluloza được tính theo công thức: Xenluloza = 2  1  100

P

M M

(%)

2.2.2.2 Phương pháp xác định hàm lượng Lignin

Lignin hay còn gọi là acid detergent Lignin (ADL) được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 0020

Nguyên tắc: Lignin là phần còn lại sau khi ôxy hóa xơ axit – ADF (acid

detergent fibre) trong dung dịch KMnO4 và dung dịch đệm lignin ở nhiệt độ cao

- Hỗn hợp dung dịch: Trộn 2 phần dung dịch (1) và 1 phần dung dịch (2) theo thể tích trước khi dùng Tránh bảo quản lâu

- Ethanol: Trộn 155 ml nước cất với 845 ml êtanol 95%

Cách tiến hành:

Bước 1: Chuẩn bị mẫu

Mẫu sau khi phân tích hàm lượng ADF (trước khi khoáng hóa) được giữ lại để

sử dụng cho phân tích lignin

Bước 2: Oxy hóa mẫu

Thêm vào mẫu ADF 50 ml hỗn hợp 2 dung dịch KMnO4 và dung dịch đệm lignin tỷ lệ 2:1 vào cốc và ngâm 20 ÷ 30 phút khi xơ có màu trắng Khuấy 3 lần trong quá trình oxy hóa

Bước 3: Xác định khối lượng

- Lọc rửa nhiều lần với cồn etanol và 2 lần cuối với axeton

- Đợi axeton bay hơi hết và đem sấy 105oC qua đêm (10 ÷ 12 giờ)

- Làm nguội trong bình hút ẩm 30 phút và cân Lặp lại việc sấy (khoảng 1

giờ) và cân đến khi khối lượng không đổi

Wt – Khối lượng cốc không (g)

W – Khối lượng mẫu cần phân tích (g)

2.2.3 Phương pháp xử lý số liệu

Sử dụng Excel để tính toán số liệu và vẽ đồ thị

Sử dụng phần mềm SPSS để tính giá trị trung bình, độ lệch chuẩn các kết quả của cùng một thí nghiệm và sự giống hay khác giữa các mẫu thí nghiệm Đây là một phần mềm được sử dụng rộng rãi nhất để phân tích thống kê trong nghiên cứu khoa học

tự nhiên và khoa học xã hội nói chung [2] [3] [9]

2.3 Quy trình công nghệ sản xuất viên nhiên liệu từ vỏ trấu – Viên trấu

2.3.1 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất viên trấu

Hình 2.2 – Quy trình công nghệ sản xuất viên trấu

Địa điểm thực hiện: Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông nghiệp – Km

Nghiền Phối trộn

Ép viên

Làm nguội Kiểm tra, phân loại Viên trấu

Nước Các thành phần bổ sung

9,5 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân – Hà Nội

2.3.2 Chuẩn bị nguyên liệu

Nguyên liệu lấy về được kiểm tra ẩm Nếu độ ẩm quá cao (W > 12%) thì phải đem sấy giảm ẩm trước khi đưa vào nghiền Trấu nghiền được xử lý (thêm ẩm hoặc phối trộn với các loại nguyên liệu khác) rồi mới đưa đi ép

Kiểm tra tỷ khối và độ ẩm của trấu nghiền

2.3.3 Nghiên cứu các yếu tố kỹ thuật ảnh hưởng đến công nghệ sản xuất và chất lượng viên trấu

2.3.3.1 Độ ẩm nguyên liệu trước ép

Độ ẩm nguyên liệu trước ép là một trong những thông số quan trọng trong quá trình ép viên Độ ẩm quá cao hoặc quá thấp đều gây cản trở sự hình thành viên, và phải giữ cho hàm lượng ẩm của viên càng thấp càng tốt, khi đó hiệu suất đốt cháy mới cao

Qua khảo sát một số tài liệu thấy rằng độ ẩm nguyên liệu phù hợp cho ép viên khoảng 10 ÷ 20% Độ ẩm quá cao (> 20%): hơi thoát ra nhiều, dễ hình thành lớp bánh bám chắc trên khuôn làm cho con lăn khó ép vật liệu vào lỗ khuôn Hơn nữa, độ ẩm nguyên liệu càng cao, viên ra mềm, độ ẩm cao và không chắc

Độ ẩm nguyên liệu quá thấp (< 10%) sẽ không đủ để hình thành lớp thảm vật liệu trên bề mặt khuôn và đủ ẩm đế con lăn có thể ép vật liệu vào lỗ khuôn [35] [13]

2.3.3.2 Độ nhỏ của nguyên liệu

Độ nhỏ nguyên liệu cũng ảnh hưởng nhiều đến chất lượng viên, đặc biệt là độ bền cơ học của viên

Độ nhỏ nguyên liệu được xác định thông qua kích thước sàng máy nghiền