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

Chính vì những lý do trên đòi hỏi cần phải có những nghiên cứu và biệnpháp làm tăng ưu điểm, hạn chế nhược điểm của nguồn năng lượng từ vỏ trấu đểviệc sử dụng nguồn năng lượng này có hiệ

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 tôidưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Đình Tùng, không sao chép từ bất cứ tàiliệu nào Các số liệu được sử dụng trong luân văn để thực hiện cho việc nhậnxét, 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 trongphần tài liệu tham khảo

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

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Người cam đoan

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 tạođiều 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 CôngThương” đã giúp đỡ tôi về cơ sở vật chất phục vụ cho nghiên cứu và hỗtrợ 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 điềukiện tốt để giúp tôi hoàn hành luận văn trong thời gian đã định

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Tác giả

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

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

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page v

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

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

α Góc nghiêng của thiết bị xử lý nhiệt

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

Dvltr Đường kính trong vành lăn

Dvln Đường kính ngoài vành lăn

Qvl Trọng lượng vành lăn

Q Trọng lượng của thiết bị

Mu Mô men uốn tại mặt cắt nguy hiểm

W Mô men chống uốn của thiết bị

T Phản lực tại con lăn

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page vi

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

I Dòng điện định mức của động cơ

Cosϕ Hệ số công suất của động cơ

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page vii

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page viii

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 đunnấu, 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 lượngtái tạo

Bảng 1.3 Tiềm năng sinh khối & các phụ phẩm nông nghiệp ở một số vùng/châulục 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 sửdụng sinh khối khác nhau như (1- nhiệt; 2- đồng phát nhiệt-điện; 3- phát điệnbằng turbin hơi; 4- phát điện bằng turbin khí ) sử dụng các nguồn nhiên liệu sinhkhối khác nhau (khí, lỏng, rắn)

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

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

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

Hình 1.13 Mô hình tóm lược cân bằng năng lượng khi dùng công nghệ xử lýnhiệt 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 trênphần mềm SAP 2000V12

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

Hình 3.7 Biểu đồ phân bố các thành phần ứng suất trên thân thiết bị được tínhtoán 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 đỡHình 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 cánhnâng-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 cảmquan

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

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 vànhiệt 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 vàocặp thông số như độ ẩm đầu vào W1 và nhiệt trị thấp của vỏ trấu trước khi đưavào 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 trởthành một thách thức nghiêm trọng Những hệ lụy đó đã, đang và sẽ làm đảo lộncuộc 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 cáctiến bộ khoa học và kỹ thuật mà con người có thể đánh giá được tầm quan trọngtrong không gian và thời gian của hiện tượng biến đổi khí hậu cũng như đoántrước được các tác hại của nó trong tương lai Nguyên nhân chính của hiện tượngbiến 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 đềquan 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 sửdụng 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 quátrình khai thác và khí thải khi đốt; đặc biệt là nồng độ khí CO2 cao gây ra hiệuứng nhà kính và làm biến đổi khí hậu trái đất Các nỗ lực hiện nay đều nhắm vàoviệc giảm hay ngừng tiêu thụ các nhiên liệu hóa thạch Đây là hướng đi chínhtrong những năm sắp tới của ngành năng lượng trên thế giới Chính vì vậy, xuhướng hiện nay của các nước trên thế giới là hướng tới các nguồn năng lượngsạch và bền vững, vừa làm giảm ô nhiễm môi trường vừa có khả năng tái tạo, vànăng lượng từ nguồn sinh khối (biomass) hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầutrên

Có nhiều thống kê khác nhau về tiềm năng của năng lượng sinh khối từphụ phế phẩm nông nghiệp Ví dụ như Smil (1999) ước lượng rằng cho đến giữathập kỷ 90 của thế kỷ XX, tổng lượng phụ phế nông nghiệp là khoảng 3,5 – 4 tỷtấn 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 nănglượng tạo ra được là 38 EJ và giúp giảm được 350 – 460 triệu tấn khí thải CO2mỗi năm Hiện trạng thực tế là một tỷ lệ khá lớn các phụ phế nông nghiệp nàyvẫn còn bị bỏ phí hoặc sử dụng không đúng cách, gây các ảnh hưởng tiêu cựcđến môi trường, sinh thái và lương thực Theo ước tính của WEC, tổng công suấttoàn 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 cácquốc gia trên toàn thế giới tự bảo đảm cho mình nguồn cung cấp nănglượng 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 khókhăn 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 vềnăng lượng sinh khối rất lớn, đặc biệt là năng lượng từ phụ phế liệu nông nghiệptrong 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 nhiễmkhông khí khi đốt trực tiếp…

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

Với sự tiến bộ của khoa học ngày nay trấu đã được chuyển thành nhiênliệu dạng thanh hoặc dạng viên pellet theo phương pháp ép trực tiếp để sử dụngthay 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 (dạngviên, thanh) mà tăng được nhiệt trị lên (20-30)% đồng thời giảm chi phí điệnnăng cho khâu máy ép, và/hoặc cho quá trình làm nhỏ (khi ép viên pellet) Từphân tích trên cho thấy sự cần thiết phải nghiên cứu thiết bị nâng cao nhiệt trịcho 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 phếliệu từ công nghiệp chế biến gỗ, rác thải đô thị,…

Phụ phế phẩm nông nghiệp là chất thải phát sinh trong quá trình hoạt độngnông nghiệp Theo ước tính của Tổ chức Nông nghiệp và lương thực Liên hợpquốc (FAO), mỗi năm có khoảng 3 tỷ tấn phế phẩm nông nghiệp phát sinh trênphạm vi toàn thế giới, trong đó các phế thải từ cây lúa chiếm một sản lượng lớnnhất tới 863 triệu tấn, phế thải từ cây lúa mì và ngô tương ứng là 754 và 591 triệutấn Với lượng sinh khối từ phụ phế phẩm nông nghiệp lớn các nước đã và đangtìm 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 nhiềumục đích khác nhau như dùng để sản xuất điện, sử dụng trực tiếp làm chất đốt, sửdụng để trồng nấm, sử dụng làm phân hữu cơ, sản xuất dầu sinh học, sử dụngtrong thủ công mỹ nghệ

Trong những năm gần đây, công nghệ sinh khối (SK) đã, đang và sẽ pháttriển ngày một nhanh, mạnh trên thế giới Công nghệ này góp phần thay thế dầncác nguồn nguyên liệu hóa thạch, vì nguồn nguyên liệu hóa thạch đang dần ngàycàng cạn kiệt Hơn nữa các nguồn này còn gây ra ô nhiễm môi trường nghiêmtrọng [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 pháttriển 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 anninh 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 khoảng331.690 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 MêKông 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 lớncác nước Đông Nam Á, ở Việt Nam năng lượng sinh khối có vai trò rất lớn trongviệc bình ổn năng lượng quốc gia Sinh khối cung cấp 60-65% cho nhu cầu tiêuthụ năng lượng sơ cấp [1, 2] Phần lớn năng lượng sinh khối cần cho việc sửdụng 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 phụphẩm từ gỗ, các phế liệu từ công nghiệp chế biến gỗ, rác thải đô thị,… Hàng nămnước ta có khoảng khoảng nửa triệu tấn vỏ cà phê, hơn năm triệu tấn bã mía, gầnsáu triệu tấn cùi ngô đặc biệt có gần bảy triệu tấn vỏ trấu, ….(hình 1.2) Điều đócho 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 vàoviệc 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, vàđặc biết là năng lượng tái tạo

Điều đáng lưu ý, khác với các công nghệ năng lượng tái tạo khác, côngnghệ năng lượng sinh khối (NLSK) không những chỉ thay thế năng lượng hóathạch mà còn góp phần đáng kể trong việc xử lý chất thải, đây là nguồn nguyênliệu còn có thể tận dụng được để sản xuất ra năng lượng (nhiệt, điện) Hơn thếnữa, lợi thế của SK còn có thể chủ động trong việc dự trữ và sử dụng khi cần vàcòn có tính chất ổn định Với tiềm năng SK như vậy, nếu được sử dụng để tạo ranăng 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 naytrên quy mô toàn cầu, thì NLSK là nguồn lớn thứ tư, chiếm khoảng 15% tổngnăng lượng tiêu thụ của thế giới Nhất là ở các nước đang phát triển (trong đó cóViệt 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 sinhkhối nói chung, từ sản xuất nông nghiệp, chế biến nông sản nói riêng mới chỉđược sử dụng một phần nhỏ ở các vùng nông thôn miền núi vào đun nấu sinhhoạt hàng ngày (hình 1.3) còn phần lớn trong số đó bỏ thừa lãng phí mà chưađược 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 nhiễmcòn 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 hóathạch (dầu mỏ, khí hoá lỏng, than đá…) trên thị trường thế giới liên tục tăng vàliên tục biến động, lên xuống thất thường ảnh hưởng đến sinh hoạt của ngườidân, và đặc biệt là ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động sản xuất kinh của các doanhnghiệp trong cả nước

Trong khi đó ở Việt Nam các nguồn nguyên liệu từ phụ phẩm nôngnghiệp 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 trườngsông 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 nhưtrên cho thấy, phụ phẩm nông nghiệp từ cây lúa, trong đó vỏ trấu chiếm tủy lệtương đối lớn, nhất là ở hai khu vực sản xuất lúa lớn nhất ở Việt Nam là Đồngbằng Sông Hồng và Đồng bằng Sông Cửu Long Chính vì vậy vỏ trấu cần đượcquan 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 hợpđem lại hiệu quả cao trong việc xử lý vỏ trấu cần thiết phải đi sâu khảo sát kỹhơn 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 pháttriển 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 lượnglúa 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

(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 xayxát, 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 chiếmkhoảng 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

• 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 bàcon nông dân đã biết sử dụng vỏ trấu làm nhiên liệu đốt như đun bếp, đốt lògạch, làm nhiên liệu phát điện, sử dụng vỏ trấu tạo thành củi trấu, dùng làm phânbón ruộng nhưng cũng chỉ sử dụng được khoảng 10% lượng vỏ trấu Vì thếchúng thường không được sử dụng hết nên phải đem đốt hoặc đổ xuống sôngsuối để tiêu hủy

Tại ĐBSCL, các nhà máy xay xát đổ trấu xuống sông, rạch Trấu trôi lềnhbềnh 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 dânphải đối mặt với việc xử lý trấu dư thừa, nhất là từ khi Nhà nước có chính sáchcấm 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 bảoquản 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 biệnpháp làm tăng ưu điểm, hạn chế nhược điểm của nguồn năng lượng từ vỏ trấu đểviệc sử dụng nguồn năng lượng này có hiệu quả nhất

Ngày nay trấu đã được chuyển thành nhiên liệu dạng thanh hoặc dạng viênpellet 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 sốnhược điểm:

Chi phí năng lượng cho khâu/công đoạn nghiền rất lớn (khi ép viên pelletbắt 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 dùngphương pháp máy ép trục vít hoặc 1-2 ngày thay bộ ruột đối với trườnghợp 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 (dạngviên, thanh) mà tăng được nhiệt trị lên (20-30)% đồng thời giảm chi phí điệnnăng cho khâu máy ép, và/hoặc cho quá trình làm nhỏ (khi ép viên pellet) Từphân tích trên cho thấy sự cần thiết phải nghiên cứu thiết bị nâng cao nhiệt trịcho 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 nănglượng mới - năng lượng tái tạo nhằm thay thế dần các nguồn nhiên liệu hóathạch Các nguồn năng lượng tái tạo có thể sử dụng để chuyển đổi thành cácnguồn năng lượng sơ và thứ cấp (năng lượng nhiệt, điện) để ứng dụng trong cáclĩnh 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 sinhkhối Ngoài phương pháp như trên hình 1.7 còn có các nguồn năng lượng tái tạokhác như năng lượng địa nhiệt, năng lượng mặt trời, sóng biển,…có thể đượcchuyển 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 liệusinh 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 mộtnhiều, 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 nhưnêu 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 thànhnăng 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 lượngđiện 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 dạngchuỗi như sau:

Từ nguồn năng lượng sơ cấp chuyển thành năng lượng thứ cấpchuyển đổi thành dạng năng lượng cuối cùng ta mong muốn (nhiệt, điện) saucùng 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 phươngpháp trên để chuyển đổi năng lượng Tuy nhiên để dùng phương pháp nào chohiệu quả, hoặc có nên quan tâm đến các phương pháp chuyển đổi đó không đểtạo ra nguồn năng lượng mới (năng lượng tái tạo), trước tiên phải quan tâm đếnnguồn tiềm năng của các nhiên liệu trên Bảng 1.2 sau đây trình bày về tiềm năngcủa một số phụ phẩm nông-, lâm nghiệp như (gỗ, thân cây, phân, phụ phẩm câytrồng) của một số vùng/châu lục trên thế giới thường được người ta sử dụng đểchuyển đổi/xử lý nhiệt nhằm nâng cao nhiệt trị với mục đích nâng cao hiệu quảkhi 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

lục trên thế giới [6]

BắcMỹ

Các nướcMỹLatinh và

Ả rập

ChâuÁ

ChâuPhi

Châu

Âu vàĐông Âu

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 đượcnguồn 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 liệusinh khối, dầu, và khí gas được so sánh theo các tháng trong năm thể hiện ở hình1.10 Qua hình 1.10 cho thấy giá năng lượng từ dầu mỏ là cao nhất, tiếp theo làđến giá năng lượng từ khí gas, cuối cùng là giá năng lượng từ viên nhiên liệusinh 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 10đến tháng 12 Khi xét năm 2007 mới chỉ có 130 USD/tấn, nhưng tại thời điểm đóvào năm sau (năm 2008) thì giá viên nhiên liệu (gỗ) đã tăng lên đến 140USD/tấn, đặc biệt vào thời điểm tháng 2 năm 2009 thì giá đã tăng nhanh và lênđến 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 củacông nghệ năng lượng sinh khối như trên hình 1.8 đến hình 1.11 cho thấy nhucầu tiêu thụ và giá cả viên nhiên liệu sinh khối ngày một tăng cao, và có tác tácđộng 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 củaViện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông nghiệp đã thực hiện đề tài độc lập cấpnhà nước cho thấy, chỉ việc ép viên nhiên liệu từ vỏ trấu chi phí năng lượng đểtạo 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 thựchiện trên công nghệ cũ, đó là ép trực tiếp, chỉ thay đổi độ ẩm của nguyên liệuvà/hoặc thay đổi độ nhỏ (kích thước hạt) của nguyên liêu, trong đó kết quả tạo rađược viên nhiên liệu có nhiệt trị không thay đổi so với nguyên liệu “thô” banđầu, mà chỉ nâng cao được khối lượng riêng/tỷ trọng của nhiên liệu, và mật độnăng 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 khôngnâng 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 trêncác công cụ tìm kiếm cho thấy ngay cả “kho thông tin về bản quyền và sở hữu trítuệ thế giới của Mỹ về các “patents“ và các các thư viện, mã nguồn mở cũng nhưcác tạp chí khoa học trên thế giới thì cũng mới chỉ thấy có vài tác giả (ba đếnbốn tác giả), và nhóm tác giả kết hợp cùng nhau nghiên cứu vấn đề này Tuynhiên kết quả ban đầu cũng mới chỉ ở dạng quy mô phòng thí nghiệm, theo thôngtin của các tác giả này cho thấy, bắt đầu từ năm 2012 mới triển khai dưới dạnglớn 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 pháttriển 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 đượcthực 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 racác loại chất dễ bay hơi Các sản phẩm cuối cùng còn lại là chất rắn của sinhkhối.

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, thôngthường 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 lượngcủa sinh khối Do đó mật độ năng lượng được tăng lên đáng kể, ví dụ này chỉ ramột trong những lợi thế (ưu điểm) của quá trình công nghệ này là sự chuyển đổicao của năng lượng hóa học từ nguyên liệu cho sản phẩm, chất lượng nhiên liệuđược cải thiện Điều này trái ngược với quá trình nhiệt phân cổ điển là trong đóbởi một lượng năng lượng chỉ đạt được tối đa ở tỷ lệ 55-65%, thậm chí xuốngđến 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 dạngPilot 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 độlựa 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, vậtliệu, 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 thànhphần nguyên tố, năng lượng, độ ẩm, độ tro và phần dễ bay hơi Các khí sản phẩmnày 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 vàhóa 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 n h iệt t rị và mật độ năng lượng c a o h ơn so với nguyên liệu thô.

Kết luận:

Như vậy, theo các phân tích trên đây cho thấy rằng, công nghệ mới này làmột 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 cácnước đang phát triển, chúng có thể được sử dụng để thay thế các nguồn nănglượng truyền thống Tuy nhiên, chỉ có một tỷ lệ dư lượng nhỏ sinh khối đangđược sử dụng như nhiên liệu (dùng để đun nấu trong sinh hoạt gia đình, hay đốttrực tiếp…) do độ ẩm cao, hình dạng đa dạng, phức tạp và có mật độ năng lượngthấp Vì chúng có một số đặc điểm, hạn chế sau: vận chuyển phức tạp, cồngkềnh, tăng chi phí cho vận chuyển, xử lý và lưu trữ, làm cho việc sử dụng sinhkhối làm nhiên liệu không thực tế, khó triển khai thực trong thực tiễn Một số cáchạn chế có thể được khắc phục nếu có dư lượng phụ phẩm sinh khối (phụ phẩmnông nghiệp) được thực hiện theo công nghệ xử lý nhiệt nhằm tăng nâng caonhiệt trị, hoặc sau đó có thể ép viên để đạt được mật độ năng lượng nhiều hơntrên 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, côngnghệ sinh khối đã, đang và sẽ phát triển ngày một nhanh, mạnh Công nghệ nàygóp phần thay thế dần các nguồn nguyên liệu hóa thạch, vì nguồn nguyên liệuhóa 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 nănglượng tái tạo khác, công nghệ năng lượng sinh khối không những chỉ thay thếnăng lượng hóa thạch mà còn góp phần đáng kể trong việc xử lý chất thải, đây lànguồn 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 sinhkhối 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, nếuđược sử dụng để tạo ra năng lượng thì sẽ góp phần làm ổn định hơn tình hìnhcung 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 nguồnlớn thứ tư, chiếm khoảng 15% tổng năng lượng tiêu thụ của thế giới Nhất là ởcác nước đang phát triển (trong đó có Việt Nam), sinh khối thường là nguồn nănglượng rất lớn, trung bình đóng góp khoảng 38-40% trong tổng cung cấp nănglượng

Theo [7-10] cho thấy Việt Nam hiện có khoảng hơn 100 triệu tấn sinhkhối gỗ, phụ phẩm gỗ từ ngành chế biến lâm nghiệp và đặc biệt sinh khối từ cácphụ phẩm nông nghiệp trong đó có vỏ trấu Qua đó cho thấy tiềm năng sinh khốicủa Việt Nam khá lớn, theo nghiên cứu của một số tác giả đã cho thấy các phụphẩm 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 thànhrất rẻ, mà lại không có tính chất phức hợp, cho nên có thể nói, sử dụng nguồnphụ 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 nhằmcung 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 biếnnông-, lâm nghiệp Ngoài ra còn góp phần giảm khí thải nhà kính, đa dạng hóanguồn năng lượng, giảm bớt sức ép về nhu cầu năng lượng, hơn nữa nó sẽ còngóp phần đảm bảo an ninh năng lượng trong tương lai

Tuy biết rằng các phụ phẩm nông nghiệp có nhiều ưu điểm để có thểchuyển 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 cácnguồn năng lượng sạch thì ở Việt Nam hiện nay chưa thấy có một công trìnhnghiên cứu nào về công nghệ xử lý nhiệt để nâng cao nhiệt trị và/hoặc để tạo raviên nhiên liệu có chất lượng như nêu trên Trên đây là theo nhận định chủ quancủa 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 giađình thì cũng đã có một số công trình nghiên cứu Tuy nhiên các công đoạn trongtiến 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 thựchiện đầy đủ, trọn vẹn ở Việt Nam

Một trong các bước, các công đoạn nằm trong tiến trình chuyển đổi nănglượng 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 nôngnghiệp?

Ép viên các phụ phẩm Nông nghiệp để sử dụng chúng trong việc chuyểnđổi 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 ánhtính 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 phínăng lượng cho ép viên cũng tương đối nhiều, bởi vì phải chi phí năng lượng cho