Nghiên cứu, thiết kế chế tạo bếp lò sử dụng đa nhiên liệu, tích hợp bộ thu nhiệt tận dụng, phục vụ sản xuất đời sống

Khảo sát tình hình sử dụng bếp đun nhiên liệu sinh khối trên địa bàn thành phố Huế, từ đó phân tích đặc điểm kết cấu của các loại bếp lò dùng nhiên liệu sinh khối, nguyên lý hoạt động củ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi Các số liệu nghiên cứu trong luận văn này là trung thực

Kết quả nghiên cứu trong thực hiện luận văn này đã được cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được ghi rõ nguồn gốc Tôi xin chịu trách nhiệm cho lời cam đoan trên

Thừa Thiên Huế, ngày 30 tháng 05 năm 2016

Người viết cam đoan

Nguyễn Huy Phương

Tôi xin chân thành cám ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Nông Lâm Huế, các thầy cô giáo trong khoa Cơ khí - Công nghệ và bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi nhiều mặt trong quá trình thực hiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thừa Thiên Huế, ngày 30 tháng 05 năm 2016

Tác giả

Nguyễn Huy Phương

TÓM TẮT

Luận văn nghiên cứu, tìm hiểu quá trình phát triển, cải tiến các loại bếp lò, lò đốt trên thế giới và ở Việt Nam Khảo sát tình hình sử dụng bếp đun nhiên liệu sinh khối trên địa bàn thành phố Huế, từ đó phân tích đặc điểm kết cấu của các loại bếp lò dùng nhiên liệu sinh khối, nguyên lý hoạt động của bếp lò, hiệu suất của bếp, từ đó tìm

ra được ưu nhược điểm của các loại bếp đang sử dụng

Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu và các thông số kích thước của bếp lò; chúng tôi đã thiết kế hai mẫu bếp, chế tạo một mẫu bếp lò xây cải tiến sử dụng cho hộ gia đình có khả năng nấu cùng lúc 02 nồi 04 lít và bộ phận thu nhiệt thừa collector quanh

lò dùng đun nước nóng để tiến hành thử nghiệm

Mẫu bếp đã được tiến hành khảo nghiệm với ba thí nghiệm: sử dụng đốt củi, đốt than tổ ong và đốt gas trên mẫu bếp hộ gia đình Kết quả đạt được khi đun củi sau

30 phút thì đun sôi được 1 nồi nước có dung tích 4 lít nước, nồi bếp phụ dung tích 4 lít đạt nhiệt độ 80°C

Kết quả thực nghiệm mẫu bếp lò xây cải tiến dùng cho hộ gia đình, có khả năng làm việc tốt với cả ba loại nhiên liệu là: củi, than tổ ong và gas công nghiệp Bếp thu khói triệt để, có hiệu suất nhiệt cao hơn do giảm tổn thất truyền nhiệt, tiêu hao nhiên liệu giảm khoảng 35 % so với bếp đối chứng (bếp kiềng) Mẫu bếp có bộ phận collector thu nhiệt thừa truyền qua thành lò và các van áp suất an toàn, tận dụng được phần nhiệt cho đun nước nóng sử dụng nhà bếp

Mẫu bếp gọn nhẹ, bảo đảm độ bền, có khả năng di động, dễ chế tạo với các vật liệu sẵn có, bảo đảm vệ sinh thực phẩm và an toàn sử dụng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 4

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA BẾP LÒ 4

1.2 TÌNH HÌNH CẢI TIẾN BẾP LÒ TRÊN THẾ GIỚI 5

1.3 ỨNG DỤNG BẾP LÒ CẢI TIẾN Ở VIỆT NAM 6

1.4 CÁC LOẠI BẾP ĐUN, LÒ ĐỐT 7

1.4.1 Bếp kiềng: 7

1.4.2 Bếp lò: 8

1.4.3 Bếp hóa khí (Bếp ga sinh học) 9

1.4.4 Bếp Gas 9

1.4.5 Bếp sử dụng điện 10

1.5 THỰC TRẠNG BẾP ĐUN SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH KHỐI HIỆN NAY 11

1.5.1 Bếp kiềng ba chân 11

1.5.2 Bếp lò 12

1.5.3 Bếp lò cải tiến không khói 13

1.5.4 Các loại bếp cải tiến tiết kiệm năng lượng 13

1.6 KHẢO SÁT TÌNH HÌNH SỬ DỤNG BẾP ĐUN SINH KHỐI Ở THÀNH PHỐ HUẾ 16

CHƯƠNG 2 CÁC DẠNG NHIÊN LIỆU VÀ NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG TRONG LÒ ĐỐT 18

2.1 NHIÊN LIỆU Ở THỂ RẮN 18

2.2 NHIÊN LIỆU Ở THỂ LỎNG 19

2.3 NHIÊN LIỆU Ở THỂ KHÍ 19

2.4 NĂNG LƯỢNG KHÁC: 20

CHƯƠNG 3 MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU 21

3.1 MỤC TIÊU CỤ THỂ 21

3.2 PHẠM VI, ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 21

3.2.1 Phạm vi nghiên cứu 21

3.2.2 Đối tượng nghiên cứu 21

3.3 TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 21

CHƯƠNG 4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

4.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TÀI LIỆU 22

4.2 PHƯƠNG PHÁP PHỎNG VẤN CHUYÊN GIA 22

4.3 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ 22

4.4 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 22

CHƯƠNG 5 NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 23

5.1 NHIÊN LIỆU SINH KHỐI 23

5.1.1 Khái niệm về sinh khối 23

5.1.2 Nguồn gốc của sinh khối 23

5.1.3 Công nghệ chuyển đổi năng lượng sinh khối 28

5.1.4 Hàm lượng nước và năng suất nhiệt của sinh khối 30

5.1.5 Năng suất nhiệt của sinh khối 31

5.1.6 Quá trình đốt cháy của nguyên liệu sinh khối bằng gỗ 31

5.1.7 Các đặc tính khác của sinh khối 33

5.1.8 Sơ chế nhiên liệu sinh khối 34

5.2 TÍNH TOÁN SỰ ĐỐT CHÁY CỦA NHIÊN LIỆU SINH KHỐI 34

5.2.1 Các nguyên lý của quá trình cháy 34

5.2.2 Tính lượng không khí cho quá trình đốt cháy 36

5.3 TRUYỀN NHIỆT TRONG NẤU ĂN 40

5.3.1 Dẫn nhiệt 40

5.3.2 Đối lưu 41

5.4 THIẾT KẾ MỘT SỐ MẪU BẾP LÒ SỬ DỤNG ĐA NHIÊN LIỆU 43

5.4.1 Thiết kế mẫu bếp lò sử dụng cho hộ gia đình 43

5.4.2 Thiết kế mẫu bếp dùng cho nhà hàng, quán ăn tập thể 46

5.4.3 Kích thước tiêu chuẩn của các loại xoong nồi, than tổ ong 49

5.4.4 Thiết lập bài toán cân bằng nhiệt cho mỗi loại bếp 51

5.4.5 Kết quả tính toán 53

5.5 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ĐỐI CHỨNG 56

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58

KẾT LUẬN 58

KIẾN NGHỊ 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

DANH MỤC BẢNG

Bảng 5.1 Phân loại và các dạng sinh khối 23

Bảng 5.2 Bảng thành phần cấu tạo nhiên liệu gỗ 32

Bảng 5.3 Các phản ứng cháy 35

Bảng 5.4 Thí dụ thành phần hoá học và tỉ lệ của một số chất đốt 37

Bảng 5.5 Hệ số dẫn nhiệt một số vật liệu 41

Bảng 5.6 Kích thước đường kính ngoài các loại nồi 49

Bảng 5.7 Kích thước và trọng lượng than tổ ong tiêu chuẩn 50

Bảng 5.8 Lượng nước đun sôi tương ứng trọng lượng viên than 50

Bảng 5.9 Năng suất tỏa nhiệt của một số nhiên liệu 50

Bảng 5.10 Kết quả thử nghiệm mẫu bếp khi đun củi 57

Bảng 5.11 Kết quả thử nghiệm mẫu bếp khi đun than tổ ong 57

Bảng 5.12 Kết quả thử nghiệm mẫu bếp khi đun gas 57

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Bếp củi truyền thống 4

Hình 1.2 Bếp tiết kiệm năng lượng TK90 7

Hình 1.3 Bếp lò di động tự đắp 8

Hình 1 4 Bếp lò tự xây có nhiều vòng 9

Hình 1.5 Bếp gas hóa khí 9

Hình 1.6 Bếp ga sử dụng khí hóa lỏng 9

Hình 1.7 Bếp điện sử dụng dây điện trở 10

Hình 1.8 Bếp từ Midea MI-SV21DM 11

Hình 1.9 Bếp hồng ngoại Sanaky SNK2102HG 11

Hình 1.10 Bếp kiềng ba chân 12

Hình 1.11 Bếp lò di động 12

Hình 1.12 Bếp lò cải tiến 13

Hình 1.13 Bếp parabol sử dụng năng lượng mặt trời 14

Hình 1.14 Hầm nắp cố định chế tạo sẵn 15

Hình 1.15 Bếp hồng ngoại không dùng quạt 16

Hình 1.16 Bếp ga sử dụng tại quán phở Sài Gòn 16

Hình 1.17 Bếp lò tự xây tại nhà hàng 17

Hình 2.1 Củi gỗ và củi ép từ dăm bào 18

Hình 2.2 Than củi và than đá 18

Hình 2.3 Cồn công nghiệp 19

Hình 2.4 Khí Gas 19

Hình 5.1 Vụn gỗ và bã vỏ mía 23

Hình 5.2 Gỗ rừng, gỗ lâm nghiệp 24

Hình 5.3 Hình dạng và kích cỡ một số vật liệu sinh khối 33

Hình 5.4 Quá trình bức xạ nhiệt 42

Hình 5.5 Kết cấu mẫu bếp sử dụng cho hộ gia đình 44

Hình 5.6 Giá đỡ bếp 44

Hình 5.7 Thân bếp 45

Hình 5.8 Bộ thu nhiệt 45

Hình 5.9 Bộ trao đổi nhiệt 46

Hình 5.10 Giá đỡ than tổ ong 46

Hình 5.11 Kết cấu mẫu bếp dùng cho nhà hàng 47

Hình 5.12 Thân bếp 48

Hình 5.13 Bộ thu nhiệt tận dụng 48

Hình 5.14 Giá đỡ than tổ ong 49

Hình 5.15 Mẫu bếp dùng cho hộ gia đình 51

Hình 5.16 Mẫu bếp dùng cho nhà hàng 52

Hình 5.17 Mô hình thử nghiệm mẫu bếp lò xây cải tiến dùng cho hộ gia đình 56

Sơ đồ 5.1 Công nghệ chuyển đổi năng lượng sinh khối 28

Sơ đồ 5.2 Các sản phẩm của quá trình nhiệt phân 29

Sơ đồ 5.3 Sơ đồ sơ chế nhiên liệu sinh khối từ phế thải 34

Biểu đồ 5.1 Hàm lượng nước và năng suất nhiệt của sinh khối 30

Biểu đồ 5.2 Giá trị nhiệt của nhiên liệu sinh khối 31

Biểu đồ 5.3 Quá trình đốt cháy vật liệu gỗ 32

ĐẶT VẤN ĐỀ

Tính cấp thiết của đề tài

Công nghệ sinh khối ở Việt Nam hiện nay vẫn chưa phát triển nhiều, quá trình thương mại hóa vẫn còn rất hạn chế Cho đến nay, sinh khối được sử dụng chủ yếu ở vùng nông thôn với quy mô nhỏ và chưa có công nghệ thích hợp

Là một nước nông nghiệp với dân số khoảng 90 triệu người (trong đó 80% sống ở nông thôn), Việt Nam có một tiềm năng sinh khối đáng kể (từ gỗ, rơm rạ, lá cây củi mục và những phần dư thừa từ quá trình sản xuất nông nghiệp hay chế biến thực phẩm v.v…) [8]

Tiềm năng của năng lượng sinh khối trong mối tương quan với dạng nhiên liệu

gỗ được tóm tắt như sau:

Từ rừng tự nhiên: khoảng 41 triệu tấn/năm

Từ rừng phân tán, cây bụi v.v…: khoảng 35 triệu tấn/năm

Từ rừng trồng: khoảng 1-2 triệu tấn/năm

Từ những cây rải rác: khoảng 8-10 triệu tấn/năm

Lượng nhiên liệu gỗ tổng cộng khoảng 75-80 triệu tấn/năm, tương đương với 26-28 triệu tấn dầu/năm Năng lượng sinh khối từ rơm rạ, trấu, cỏ, lá, mùn cưa và các chất thải nông nghiệp khác khoảng 30 triệu tấn/năm tương đương với 10 triệu tấn dầu/năm Thêm vào đó, năng lượng sinh khối có nguồn gốc từ chất thải rắn hộ gia đình khoảng 0,103 triệu tấn/năm

Nguồn nhiên liệu gỗ chính là rừng tự nhiên và rừng trồng, cây rải rác, cây thường niên và phần vụn thừa từ lâm nghiệp, công nghiệp khai thác gỗ

Ở nước ta, hiện có khoảng gần 9 triệu hộ gia đình sống ở nông thôn đang sử dụng năng lượng sinh khối (NLSK) cho đun nấu hàng ngày Việc phụ thuộc vào NLSK mà chủ yếu là gỗ – củi, phụ phẩm nông – lâm nghiệp làm chất đốt cho đun nấu

sẽ còn kéo dài trong nhiều thập kỷ nữa ngay cả khi kinh tế phát triển Bởi lẽ, các nguồn năng lượng (NL) cao cấp hơn như điện, khí hoá lỏng,…là có hạn, hoặc còn đắt

đỏ chưa thể phổ cập rộng rãi ngay đến các vùng nông thôn – miền núi được

Từ việc khảo sát thực trạng sử dụng năng lượng phục vụ cho đời sống dân sinh

ở khu vực nông thôn, làng nghề trong năm 2014 của Trung tâm TVCN &TKNL Thừa Thiên Huế với 03 tỉnh khu vực miền Trung (Quảng Trị, Thừa Thiên Huế và Quảng Nam) trong khuôn khổ dự án Carbon thấp do WWF Việt nam tài trợ, hơn 80% số hộ dân nông thôn miền Trung đang sử dụng chất đốt truyền thống từ phế sản phẩm củi gỗ, than, dầu, điện, rơm rạ,…việc đun nấu thông thường của từng hộ gia đình vẫn đang sử dụng loại bếp truyền thống như “kiềng ba chân” kê ba viên gạch, kê hai thanh sắt dài

làm bếp…để đun nấu rất tiêu hao vật liệu chất đốt gây toả khói bụi, ảnh hưởng đến môi trường và sức khoẻ trực tiếp người đun nấu và cộng đồng, dễ gây cháy,…nhiều hộ

có nghề truyền thống như nấu rượu, làm bún, chăn nuôi có sử dụng bếp tự xây bằng đất nung tiết kiệm chất đốt, nhưng hiệu suất vẫn còn thấp và khó khăn khi nhóm lò, không linh hoạt, bất tiện khi cần di chuyển Những nơi hộ dân thiếu chất đốt thì việc chặt cây phá rừng để tạo nguồn đốt vẫn xảy ra trong khi không tận dụng được nguồn chất đốt có sẵn từ rác thải sinh hoạt, rác tự nhiên từ phế phẩm nông nghiệp, chăn nuôi,…mà các bếp truyền thống không sử dụng được [8]

Nhu cầu nhiên liệu làm chất đốt cho đun nấu ở hộ gia đình đang gia tăng (tăng

do tăng dân số, và các nhu cầu sử dụng nhiệt khác) đã kéo theo việc khai thác gỗ – củi vượt quá khả năng cung cấp bền vững, làm mất rừng và như vậy là môi trường sinh thái đã, đang và sẽ bị tác động xấu Hậu quả của việc mất rừng đã được minh chứng qua các trận hạn hán, lũ lụt ở nhiều vùng quê, nhiều địa phương trong cả nước

Mặc dù nguồn cung cấp gỗ – củi, sinh khối đang ngày càng bị hạn chế; vấn đề thiếu hụt chất đốt đã xảy ra ở nhiều vùng, địa phương nhưng việc sử dụng gỗ – củi, sinh khối làm nhiên liệu cho đun nấu trong các hộ dân lại rất lãng phí, kém hiệu quả

Đó là do hầu hết gỗ – củi, sinh khối đang được đốt trên các bếp đun cổ truyền – bếp kiềng, loại bếp hở có từ lâu đời Những bếp đun này do hiệu suất thấp, chỉ đạt từ 8-15% đã dẫn tới tiêu thụ nhiều nhiên liệu và khi đun phát ra nhiều khí thải độc hại có thể gây ra các ảnh hưởng đến sức khoẻ cộng đồng, đặc biệt là người già, phụ nữ và trẻ

em, họ là những người nội trợ chính ở các gia đình nông thôn nước ta

Việc phổ biến rộng rãi các loại bếp đun cải tiến phù hợp với phong tục tập quán đun nấu của cư dân địa phương được coi là vấn đề cần thiết, cần làm ngay Nếu phổ cập rộng rãi các bếp đun cải tiến thì hiệu quả mà nó sẽ mang lại là rất lớn không những

về kinh tế – xã hội mà còn giải quyết tốt các vấn đề về môi trường

Để có được các mẫu bếp đun cải tiến vừa tiết kiệm nhiên liệu vừa phù hợp với phong tục tập quán đun nấu của các địa phương thì việc tiến hành khảo sát, điều tra hiện trạng sử dụng chất đốt, tìm hiểu phong tục tập quán đun nấu của người dân là rất cần thiết Kết quả điều tra về chất đốt, loại bếp, cách thức sử dụng của các hộ gia đình nông thôn tại một số tỉnh như Quảng Trị, Thừa Thiên Huế, Quảng Nam… đã chỉ ra một số vấn đề và được tóm tắt như sau:

Hộ gia đình sử dụng củi chiếm tỷ lệ áp đảo tới 74% [8] Củi được lấy từ các nguồn chính: từ rừng tự nhiên, rừng trồng, cây trong vườn và phế thải từ chế biến gỗ Mức tiêu thụ gỗ củi cho đun nấu có sự khác nhau khá rõ giữa các vùng miền:

- Nông thôn đồng bằng: 1,3 kg củi/người/ngày

- Nông thôn trung du: 1,5 kg/người/ngày

- Nông thôn miền núi: 2,0 kg/người/ngày

- Cho nấu cám lợn: 7,7 kg củi/hộ ngày (mức trung bình)

Có khoảng 65% hộ gia đình ở khu vực nông thôn đồng bằng sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm chất đốt như rơm rạ, thân cây các loại Các hộ miền núi không sử dụng loại chất đốt này, chỉ một số ít sử dụng thân, lõi ngô để đun nấu

Bếp sử dụng phần lớn là loại kiềng dài và tròn làm bằng các thanh sắt hàn lại với nhau Khi đo đạc cho thấy hiệu suất bếp rất thấp, trung bình chỉ đạt 13,5%

Tiết kiệm năng lượng là vấn đề toàn cầu Nhu cầu nấu ăn hàng ngày từ gia đình đến các bếp tập thể đông người cho đất nước 90 triệu dân đã và đang sử dụng hơn 3 triệu bếp lò lớn nhỏ Hiện tại, khoảng 74% hộ gia đình ở khu vực nông thôn vẫn sử dụng năng lượng sinh khối (NLSK) cho đun nấu

Chỉ nâng hiệu suất nhiệt của các loại lò đốt – bếp lò hiện tại lên 1%, Việt Nam

có thể tiết kiệm được hàng trăm tỷ đồng/năm

Nhu cầu thị trường cần có một hệ thống các loại bếp lò phù hợp về kết cấu, dễ

sử dụng, an toàn cháy nổ, tiết kiệm năng lượng, có thể sử dụng đa nhiên liệu, tích hợp

bộ thu nhiệt tận dụng, có hiệu suất nhiệt cao, bảo đảm vệ sinh môi trường và giá mua phù hợp

Vì lý do đó, tôi chon đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống bếp lò sử dụng đa nhiên liệu, tích hợp bộ thu nhiệt tận dụng, phục vụ sản xuất và đời sống”

Đối tượng sử dụng: hộ gia đình (mẫu 1); hộ kinh doanh nhà hàng, bếp ăn tập thể (mẫu 2)

Mục tiêu chung của đề tài

Tạo ra được một hệ thống các loại bếp lò cải tiến, có khả năng sử dụng đa nhiên liệu, tiết kiệm năng lượng, phù hợp yêu cầu của sản xuất và đời sống

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học

Đóng góp thêm mẫu bếp sử dụng đa nhiên liệu, có hiệu suất nhiệt cao hơn, phục

vụ sản xuất và đời sống hàng ngày cho hộ gia đình, các nhà hàng

Ý nghĩa thực tiễn

Tăng hiệu suất sử dụng của bếp, tiết kiệm nhiên liệu, tận dụng được nhiệt thừa, nâng cao hiệu quả sử dụng, bảo đảm vệ sinh và an toàn

Những điểm mới của đề tài

- Thiết kế được 2-3 mẫu bếp có khả năng sử dụng đa nhiên liệu, hiệu suất lò đốt

và gia nhiệt cao, cấu tạo đơn giản, an toàn và vệ sinh

- Chế tạo ra 1- 2 mẫu bếp sử dụng đa nhiên liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA BẾP LÒ

Từ xưa đến nay chúng ta đã được nghe qua rất nhiều câu chuyện về sự tích

“Ông Táo, Bà Táo”, thần lửa, cái bếp lò… Điều đó chứng tỏ chiếc bếp ngày xưa đã là một dụng cụ không thể thiếu trong mỗi căn nhà, căn hộ Chiếc bếp lò, xuất hiện từ lúc con người đã biết tạo ra lửa để làm chín thức ăn và trải qua hàng ngàn năm chiếc bếp

đã thay đổi rất nhiều từ hình dáng cho đến máy móc bên trong của nó Điều đó đã được các nhà khoa học, khảo cổ ghi chép lại như một lịch sử để chứng minh sự phát triển của chiếc bếp nói riêng và sự phát triển của con người nói chung [9]

Hình 1.1 Bếp củi truyền thống

Các nhà khảo cổ học cho rằng con người, cách đây khoảng 1 triệu năm, bắt đầu học cách sử dụng lửa Thời điểm từ biết dùng lửa cho đến biết dùng lửa để làm chín thức ăn kéo dài không lâu, vì thực phẩm sau khi làm chín bằng lửa sẽ ngon hơn dễ ăn hơn thực phẩm sống Các chứng tích từ thời đồ đá gồm các lỗ hõm vào mặt đất, có đặt thêm miếng đá vào bên trong chứng minh là vị trí dùng đốt lửa Thực phẩm được xiên qua cây và nướng trên ngọn lửa hoặc cuộn trong đất sét, lá cây và vùi trực tiếp vào than hồng

Mãi cho đến thời trung cổ thì phương pháp nấu thức ăn này cũng không thay đổi nhiều Thời điểm này lò dùng đốt lửa thay vì trực tiếp trên nền đất, họ bắt đầu kê lên cao, trên các chân, các phiến đá Lúc này họ chưa có giải pháp cho việc thoát khói, giải pháp thô sơ là các đường rạch vào tường vào nóc để khói thoát ra

Khoảng từ thế kỷ thứ 9 chỗ đốt lửa được chỉnh thành lò tượng tự như lò sưởi, di chuyển từ giữa phòng vào một cạnh tường và được thiết kế thêm ống dẫn khói ra ngoài Đầu tiên ống dẫn khói được làm bằng gỗ, sau đó mãi vào cuối thời trung cổ, khoảng thế kỷ 13 thì được làm bằng đá

Đến khoảng cuối thế kỷ thứ 19 còn có loại lò bằng gang, được gọi là máy nấu, ở nhiều kích cỡ lớn nhỏ và hình dạng khác nhau Các loại lò này được chạm trổ, điêu khắc như một vật trang trí trong nhà

Trong khi máy nấu đang được yêu chuộng ở đỉnh điểm thì một phát minh mới khác ra đời: bếp gas Bếp gas được ứng dụng đầu tiên tại Đức ở vào khoảng cuối thế

kỷ thứ 19 Bếp loại này được ứng dụng nhiều vào thời điểm từ thế kỷ 19 sang 20 Lợi thế của loại nguyên liệu mới này quá rõ ràng Nhiệt năng tập trung hơn và cần là có Qua phát minh này, người ta tiết kiệm rất nhiều năng lượng và thời gian Ngoài ra không có khói, không có tro và bồ hóng

Bếp điện đầu tiên đã được trưng bày trong triển lãm thế giới vào năm 1893 tại Chicago Cho đến nay, rất nhiều các phương pháp làm chín thực phẩm đã du nhập vào trong bếp của từng gia đình: từ hơi nóng, hơi lạnh từ nguồn nhiệt bên trên , bên dưới, rồi từ nướng đến microwave Microwave là tần số cao (high frequency), sóng điện tử khoảng giữa sóng radio và sóng hồng ngoại Chúng có tác dụng trực tiếp lên các phân

tử nước trong thực phẩm mà không tỏa nhiệt Các phân tử nước qua tác động của sóng bắt đầu xoay, cọ xát với nhau và phát ra nhiệt làm nóng thực phẩm Chén dĩa, đồ dựng thực phẩm thực chất không bị nóng trực tiếp qua quá trình này nhưng sẽ bị nóng do nhiệt năng từ thực phẩm truyền qua [9]

Từ năm 1984 trên thị trường có một phương pháp nấu khác nữa là nấu bằng cảm ứng Về bề ngoài cách nấu này không khác mấy so với bếp điện có mặt bếp bằng caran Sự khác biệt đầu tiên chúng ta nhận biết là khi vặn bếp, nếu chúng ta không đặt nồi lên thì mặt bếp vẫn không nóng Với cuộn đồng cảm ứng trong mặt bếp một dòng điện hai chiều được tạo ra, dòng điện này tạo ra từ trường thay đổi rất nhanh Khi nồi nấu (được làm từ kim loại) có từ tính và được đặt lên mặt bếp, từ trường sẽ tạo ra điện

áp trong đáy nồi Điện áp sẽ tạo ra dòng điện gọi là eddy current chạy trong đáy nồi khiến đáy nồi cũng như thực phẩm trong nồi nóng lên nhanh chóng

Nấu theo phương pháp cảm ứng (nấu bếp từ) rất tiết kiệm Nồi phản ứng nhanh đối với sự thay đổi nhiệt độ, tương tự như bếp gas Thời gian nấu nóng lên còn ngắn hơn so với bếp gas

Như vậy, với sự phát triển của khoa học kĩ thuật thì những chiếc bếp ngày trước

“cồng kềnh” đã trở nên đẹp mắt, sang trọng hơn Những kĩ thuật tiên tiến đều được áp dụng cho bếp để tiết kiệm thời gian cũng như chùi rửa hàng ngày cho các chị em nội trợ

1.2 TÌNH HÌNH CẢI TIẾN BẾP LÒ TRÊN THẾ GIỚI

Thuật ngữ bếp cải tiến bắt đầu xuất hiện từ thế kỷ XX được gọi là ICS (viết tắt của Improved Cook Stove)

Bếp cải tiến là một kiểu bếp cần ít nhiên liệu và tạo ra ít khói hơn bếp truyền thống để nấu cùng một lượng thức ăn [3] Trước thực trạng thiếu chất đốt các nước trên thế giới đã tích cực nghiên cứu cải tiến bếp đun

Ở Châu Phi, nghiên cứu áp dụng bếp đun cải tiến bắt đầu từ những năm 1980

Tổ chức GTZ đã phát triển bếp cải tiến cho người dân địa phương và bán trong các chợ Một tổ bộ phận cải tiến bếp kiềng được thành lập và quy định bắt buộc ít nhất mỗi hộ gia đình có một bếp cải tiến Tuy nhiên, thiếu cơ chế chính sách nên sau khi kết thúc chương trình bếp cải tiến có xu hướng giảm do không còn nhận được hỗ trợ kinh phí

Năm 2003, Trung tâm xúc tiến năng lượng thay thế (AEPC) và Sở Khoa học Công nghệ - Khoa học Môi trường Nepal xúc tiến chương trình nghiên cứu triển khai bếp đun cải tiến tại 30/75 huyện với khoảng 250.000 bếp [3]

Năm 2008, tổ chức VPA (Voluntary Program Activities) thực hiện nghiên cứu cải tiến bếp kiềng tại Peru xây dựng được 82.099 bếp với kế hoạch đến năm 2011 giảm được 74.233 tấn gỗ/năm và 331.754 tấn CO2 trong vòng 7 năm Sử dụng bếp truyền thống còn gây ra một số bệnh về hô hấp Theo số liệu của VPA: năm 2004, có 2.500 trẻ em dưới 14 tuổi chết tại Peru, trung bình 1 năm trên thế giới có 1.000 người chết vì hít phải khí thải từ bếp truyền thống [13]

Nghiên cứu đã xác định được một số lợi ích thu được từ việc sử dụng bếp cải tiến như sau:

- Giảm nhu cầu sử dụng năng lượng không tái tạo

- Giảm khí CO2 và bảo vệ rừng địa Phương

- Giảm khói, cải thiện chất lượng không khí trong nhà, bảo vệ sức khỏe

- Tiết kiệm gỗ, thời gian và kinh phí

- Bảo vệ rừng hiệu quả trong việc bảo tồn và phòng chống xói mòn đất

- Giảm các chất khí có hại

1.3 ỨNG DỤNG BẾP LÒ CẢI TIẾN Ở VIỆT NAM

Ở Việt Nam, diện tích rừng suy giảm nhanh nên việc nghiên cứu cải tiến các bếp tiết kiệm củi được bắt đầu từ rất sớm Năm 2000, ECO và dự án LSNG đã nghiên cứu thử nghiệm 6 bếp tại huyện Ba Bể, tỉnh Bắc Cạn [11]

Năm 2007, trong khuôn khổ các hoạt động của Chương trình mục tiêu quốc gia

về sử dụng năng lượng và tiết kiệm và hiệu quả, Trung tâm năng lượng tái tạo và cơ chế phát triển sạch, Viện Năng lượng được Ban Chỉ đạo Chương trình giao thực hiện

dự án “Triển khai diện rộng bếp đun cải tiến tiết kiệm năng lượng sử dụng phụ phẩm

nông, lâm nghiệp tại các hộ gia đình nông thôn” Chương trình đã triển khai ít nhất

1500 bếp cải tiến tại ba tỉnh lựa chọn là Phú Thọ, Thanh Hoá và Hòa Bình Kết quả nói trên tính toán sơ bộ cho thấy mỗi hộ gia đình sử dụng bếp đun cải tiến thì mỗi năm

có thể tiết kiệm ít nhất 1,4-1,5 tấn củi

Năm 2011, Hội Liên hiệp phụ nữ huyện Định Hóa, tỉnh Thái Nguyên thử nghiệm bếp lò cải tiến tại 2 xã Bình Thành và Bộc Nhiêu Kết quả triển khai được 116 bếp xách tay và 14 bếp xây cố định

Việc nghiên cứu cải tiến bếp theo hướng tiết kiệm củi còn được nhiều tổ chức, cá nhân quan tâm Tuy nhiên các nghiên cứu trên chủ yếu tập trung vào việc tiết kiệm nguồn chất đốt là củi nên vẫn chưa chấm dứt tình trạng khai thác gỗ, củi bừa bãi từ rừng

Hình 1.2 Bếp tiết kiệm năng lượng TK90

Việc tận dụng các chất thải trong sản xuất nông nghiệp làm chất đốt cũng được nghiên cứu và áp dụng như: sản xuất củi trấu, sản xuất than cốt dừa, sản xuất khí gas

từ chất thải

Tuy nhiên, chi phí sản xuất cao, sản phẩm than bánh chỉ sử dụng cho các lò sấy, chưa phù hơp với điều kiện nấu ăn của các hộ gia đình dân tộc thiểu số Chính vì vậy sáng kiến thiết kế một kiểu bếp phù hợp để sử dụng lõi ngô cho việc đun nấu hàng ngày chưa được phổ biến

Hiện nay, ở Việt Nam các hộ nông dân phổ biến sử dụng củi, rơm, rạ hoặc các loại nhiên liệu có sẵn khác từ thiên nhiên trong việc đun nấu hàng ngày ở nhiều hộ gia đình khu vực miền núi, nông thôn vẫn còn phổ biến Theo nghiên cứu hiện vẫn còn khoảng 56% dân số Việt Nam đang đun nấu hàng ngày bằng củi

Loại bếp này hiệu suất nhiệt thấp, khi đun nấu gây nhiều khói bụi và khí độc hại, là nguyên nhân gây bệnh về mắt và đường hô hấp, ảnh hưởng lớn đến sức khoẻ của người đun nấu

1.4.2 Bếp lò:

Là loại bếp ba mặt lò được xây bít kín lại Nồi có thể đặt lên tấm sắt hoặc trực tiếp trên lửa Lợi thế của loại bếp này là giảm lượng củi cần thiết, tro than không bắn, văng ra ngoài

Ưu điểm:

Giá thành rẻ, dễ dàng sử dụng cũng như nấu ăn, nhiên liệu gas được sử dụng rộng rãi Gia nhiệt theo tùy chọn, kiểm soát ngọn lửa dễ dàng, nấu nướng nhanh chóng Không kén nồi nấu, sử dụng được hầu hết các nồi với chất liệu khác nhau, đường kính không giới hạn to nhỏ, miễn sao vừa với kiềng và bề mặt bếp

Nhược điểm:

Hiệu suất không cao chỉ 60% do lãng phí nhiệt năng dùng để đốt nóng không khí Do bếp sử dụng lửa từ gas để nấu ăn, nên sản sinh ra nhiều khí CO, ảnh hưởng tới môi trường Nếu không cẩn thận có thể xảy ra tình trạng rò rỉ khí gas dẫn đến ngộ độc khí gas hay cháy nổ gây nguy hiểm Nếu thiết kế kiềng bếp và vòng lửa liền khối thì gây khó khăn cho việc vệ sinh bếp

1.4.5 Bếp sử dụng điện

- Bếp điện dùng dây điện trở: đặc điểm giữ nhiệt yếu, tuổi thọ thấp, hiệu suất nhiệt không cao, hạn chế Tuy nhiên giá thành rẻ và dễ thay thế

Hình 1.7 Bếp điện sử dụng dây điện trở

- Bếp điện từ: Bếp điện từ hay còn gọi là bếp từ là loại bếp hoạt động trên nguyên lý tăng nhiệt nhờ dòng điện cảm ứng từ trong từ trường, dòng điện xoay chiều thông qua dây lò xo sản sinh ra từ trường, các đường cảm ứng điện từ trong từ trường thông qua phần đế làm bằng sắt dưới đáy các loại nồi sinh ra vô số các dòng điện cảm ứng nhỏ, làm nóng thân nồi và từ đó sẽ đun nóng làm chín thức ăn

Hình 1.8 Bếp từ Midea MI-SV21DM

- Bếp hồng ngoại là dòng bếp hiện đại dùng năng lượng điện để đun nấu, sử dụng tia hồng ngoại xa để làm nóng thực phẩm, công nghệ siêu cao tần, kiểm soát nhiệt độ và thời gian chính xác, không có bức xạ điện từ ảnh hưởng đến sức khỏe, rất phù hợp dùng cho việc nấu nướng trong gia đình

Hình 1.10 Bếp kiềng ba chân

Đây là loại bếp phổ biến ở vùng quê, nó dễ dàng sử dụng và phù hợp với mọi kích cỡ xoong nồi, sử dụng được nhiều dạng nhiên liệu sinh khối Bếp truyền thống tổn thất nhiệt lớn, khói và bụi, ảnh hưởng đến sức khỏe của người sử dụng

Đây là loại bếp bán rất nhiều trên thị trường, kích thước nhỏ gọn, dễ dàng di chuyển, chi phí thấp, hiệu suất nhiệt của bếp cao hơn bếp truyền thống

Chỉ dùng được cho các loại nồi nhỏ, đỡ bụi nhưng lượng khói vấn còn nhiều

1.5.3 Bếp lò cải tiến không khói

Hình 1.12 Bếp lò cải tiến

Bếp được xây đắp từ đất sét, gạch Sử dụng được với nhiều loại nhiên liệu, hiệu suất nhiệt cao Bếp có ống dẫn khói, gọn gàng và sạch sẽ hơn, nên đảm bảo sức khỏe cho người sử dụng

Do bếp được xây, đắp nên trực tiếp tại vị trí cố định, nên không thể di chuyển, kích thước miệng bếp cố định, chỉ phù hợp với một số loại xoong nồi có kích thước cụ thể

1.5.4 Các loại bếp cải tiến tiết kiệm năng lượng

Bếp tiết kiệm năng lượng được hiểu đơn giản là ứng dụng hiện tượng đối lưu không khí, sử dụng chất đốt đa dạng (trực tiếp hoặc chuyển hoá Biogas) hiệu suất nhiệt cao, nhiệt lượng thu được tập trung, giảm tổn thất nhiệt ra bên ngoài môi trường như bếp truyền thống “ kiềng ba chân” mà phần đông hộ dân nông thôn đang sử dụng; bếp TKNL di chuyển dễ, ít phát thải khí CO, SO2, NOx,…do năng lượng được chuyển hoá thành nhiệt đến gần 80-90% để lại ít bụi than, khí thải Việc lựa chọn bếp tiết kiệm năng lượng là một giải pháp tối ưu, đơn giản, ít chi phí thay thế kiểu đun nấu truyền thống của các hộ gia đình ở nông thôn [9]

Kết quả bước đầu khi thu thập ý kiến từ các hộ gia đình cho thấy bếp cải tiến

mà gia đình họ đã sử dụng đã mang lại hiệu quả cao như giảm tiêu thụ chất đốt, giảm khói bụi và thời gian đun nấu, cụ thể như: tiêu thụ chất đốt giảm khoảng 30%, đặc biệt

là không có khói bụi Thời gian đun nấu một bữa ăn cũng giảm đáng kể với gần một phần ba thời gian cần thiết

Từ những kết quả ban đầu nêu trên, tính toán sơ bộ cho thấy mỗi hộ gia đình

sử dụng bếp đun cải tiến thì mỗi năm có thể tiết kiệm ít nhất là 1,4-1,5 tấn củi (gồm nấu ăn và nấu cám lợn) Tính quy đổi về mặt năng lượng, tiết kiệm tương đương khoảng 950 kg than cám 6 Như vậy, nếu bếp đun cải tiến được nhân rộng ra nhiều

hộ, nhiều địa phương thì hiệu quả kinh tế trong lĩnh vực tiết kiệm NL và bảo vệ môi trường là rất lớn

Tùy theo nguồn nhiên liệu sử dụng (hoặc chuyển hóa), có thể chia thành ba loại

cơ bản: bếp sử dụng năng lượng mặt trời; bếp sử dụng khí sinh học biogas và điện tử

1.5.4.1 Bếp sử dụng năng lượng mặt trời

Bếp sử dụng năng lượng mặt trời có rất nhiều loại khác nhau nhưng có 2 loại bếp rất phù hợp với điều kiện Việt Nam, đó là loại bếp hình hộp dùng hiệu ứng nhà kính để tăng nhiệt và bếp chảo parabol Ưu điểm của loại bếp này là sử dụng nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường Tuy nhiên loại bếp này lại có nhiều hạn chế như phụ thuộc nhiều vào thời tiết, chỉ sử dụng được trong mùa nắng nóng; phải đun nấu ngoài trời nắng nóng, điều chỉnh nhiệt theo hướng chuyển động Đông-Tây của mặt trời nên khá bất tiện; giá thành cao dao động từ 800.000đ đến 1,4 triệu đồng tùy chất liệu và tùy từng cơ sở sản xuất Do đó bếp sử dụng năng lượng mặt trời chưa được đại đa số bà con sử dụng rộng rãi mà chỉ thích hợp tại những nơi nắng nhiều và điều kiện các nguồn năng lượng khác khó khăn [8]

Hình 1.13 Bếp parabol sử dụng năng lượng mặt trời 1.5.4.2 Bếp sử dụng khí sinh học biogas

Biogas là một loại khí được sinh ra khi phân động vật và các chất hữu cơ lên men trong điều kiện không có không khí Vi sinh vật phân huỷ các chất tổng hợp và khí được sinh ra gồm metan (CH4), nitơ (N2), cacbon dioxit (CO2) và hydro sulphate (H2S) Trong đó, khí CH4 có thể cháy được

Hầm khí biogas rất phù hợp với các hộ chăn nuôi gia súc Làm hầm biogas sẽ đạt được lợi ích kép là giải quyết được vấn đề bảo vệ môi trường vì có thể tận dụng các chất thải của gia súc để đổ vào hầm biogas mà không đổ ra môi trường xung quanh gây ô nhiễm Đồng thời vừa có thể tiết kiệm được chi phí sử dụng năng lượng từ việc

sử dụng khí CH4 từ hầm biogas có thể đun nấu, chiếu sáng, chạy máy phát điện Tuy

nhiên bếp loại này cũng có nhiều khuyết điểm như bị ô nhiễm mùi hôi nếu hệ thống biogas không đảm bảo kín; chi phí đầu tư xây dựng tốn kém; thiếu kiến thức sử dụng hầm ủ khí sẽ cho ít gas, tuổi thọ sẽ giảm [8]

Hiện nay có các loại: hầm nắp rời, hầm nắp cố định chế tạo sẵn, hầm nắp cố định xây gạch, hầm dạng túi ủ

Hình 1.14 Hầm nắp cố định chế tạo sẵn 1.5.4.3 Bếp hồng ngoại

Loại bếp này được đánh giá phù hợp với quy mô hộ gia đình Việt Nam, góp phần bảo vệ môi trường nông thôn Hiệu quả kép của loại bếp là tận dụng nhiên liệu

có sẵn, tiện lợi, tiết kiệm chi phí sử dụng năng lượng

- Loại bếp này tận dụng được các phụ phẩm nông nghiệp có rất nhiều ở các vùng nông thôn nước ta như rơm rạ, vỏ trấu, lõi ngô, vỏ lạc, mùn cưa,…hiện đang là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường không khí, đất và nước ở một số địa phương khi

sử dụng để làm nhiên liệu đốt bởi các loại bếp truyền thống hay đốt trực tiếp

- Bếp có hiệu suất cháy cao, tiết kiệm nhiên liệu, an toàn không sợ nổ, do vậy tiết kiệm được chi phí, thời gian đun nấu và tạo cảm giác an toàn cho người nội trợ Đồng thời loại bếp này sau khi đun nấu cho ra phế thẩm là than, loại than sinh học được dùng để ủ với phân chuồng sẽ là phân bón rất tốt cho cây trồng và cải tạo đất Mặt khác việc đưa bếp hồng ngoại vào thực tiễn sản xuất, đời sống góp phần tạo thêm việc làm từ việc thu mua và sản xuất viên nhiên liệu

Những nhà nghiên cứu đã thử sử dụng nhiều loại bếp khác nhau đun sôi 5 lít nước Kết quả cho thấy thời gian đun sôi nước bằng bếp than, bếp trấu và bếp rơm rạ lâu hơn tương đối nhiều so với bếp hồng ngoại Chi phí hàng tháng sử dụng bếp gas hồng ngoại tiết kiệm hơn từ 27-42% so với bếp gas dầu hóa lỏng và từ 12-32% với bếp than tổ ong

Hình 1.15 Bếp hồng ngoại không dùng quạt

Tuy nhiên loại bếp hồng ngoại này cũng có nhược điểm chung là sau khoảng 30 phút đun nấu, vỏ bếp có thể nóng đến 60-80 độ C, do vậy có thể gây bỏng Do đó cần tránh tiếp xúc trực tiếp vào mặt bếp và thân bếp nhất là sau 30 phút đun nấu để tránh bỏng Đồng thời do thân bếp nhanh nóng nên phải được chế tạo bởi vật liệu bền và chịu nhiệt tốt, do đó giá thành sẽ cao Tuy nhiên hiện nay đã có một số biện pháp bảo

vệ cải tiến như bếp được chế tạo thêm lớp cách ly hoặc lắp thêm lưới bảo vệ bên ngoài

đã hạn chế được nhược điểm này

1.6 KHẢO SÁT TÌNH HÌNH SỬ DỤNG BẾP ĐUN SINH KHỐI Ở THÀNH PHỐ HUẾ

Các hộ gia đình ở thành phố Huế hiện nay chủ yếu là sử dụng các loại bếp Gas, bếp Hồng ngoại Với đặc điểm các bếp là sử dụng tiện lợi, đề dàng, nấu ăn nhanh, không phải mồi lửa, không bị khỏi, bụi

Hình 1.16 Bếp ga sử dụng tại quán phở Sài Gòn

Trong khi đó, một số các quán ăn nhỏ như quán cơm, quán bún thì sử dụng các loại củi, bếp than, bếp trấu và mùn cưa

Các nhà hàng lớn hoặc các bếp ăn tập thể thì sử dụng các loại bếp lò tự xây cố định có ống thoát khói

Hình 1.17 Bếp lò tự xây tại nhà hàng

CHƯƠNG 2 CÁC DẠNG NHIÊN LIỆU VÀ NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG

TRONG LÒ ĐỐT

Nhiên liệu, năng lượng đốt là loại vật chất đốt để lấy ánh sáng và nhiệt lượng, đồng thời có thể dùng chúng để thu năng lượng Quá trình cháy là một phản ứng hóa học giữa nhiên liệu cháy kết hợp với ô xy

Hình 2.2 Than củi và than đá

- Củi gỗ là loại nhiên liệu truyền thống phổ biến, củi gỗ được lấy từ rừng, từ đất không có rừng (cây trồng trên đất công cộng, cây bụi, cây bên đường, đất trang trại hoặc vườn nhà Năng suất nhiệt của củi gỗ phụ thuộc độ ẩm của củi

- Củi ép từ dăm bào, mùn cưa được sản xuất bởi các phụ phẩm từ gỗ, chúng được ép thành các thanh củi, sấy khô và đóng gói, rất thuận tiện cho quá trình vận chuyển và sử dụng

- Than củi được sản xuất từ củi gỗ, có trọng lượng nhẹ và năng suất nhiệt cao hơn củi gỗ, lượng khói sinh ra ít hơn, đảm bảo an toàn trong quá trình nấu

- Than bùn, than đá là loại nhiên liệu hóa thạch, loại nhiên liệu này ngày càng khan hiếm do nhu cầu sử dụng Ngoài ra, khi sử dụng loại nhiên liệu này sẽ sinh nhiều khói độc gây ảnh hưởng sức khỏe tới người nấu ăn và xung quanh

2.2 NHIÊN LIỆU Ở THỂ LỎNG

Nhiên liệu ở thể lỏng chủ yếu là xăng, dầu, cồn công nghiệp

- Xăng dầu là sản phẩm được triết suất từ dầu mỏ, là năng lượng hóa thạch, thành phần cơ bản là cacbonhydro Xăng dầu là nhiên liệu dễ cháy đặc biệt khi bị nén

ở áp suất cao, khi cháy phát sáng, thể tích tăng đột ngột và sinh nhiệt

- Cồn công nghiệp là các sản phẩm của Etthanol, là chất lỏng không màu, dễ bay hơi, có mùi đặc trưng Khi cháy tạo ra ngọn lửa màu xanh và tạo ra khí CO2 và H2O

Hình 2.3 Cồn công nghiệp

2.3 NHIÊN LIỆU Ở THỂ KHÍ

Khí thiên nhiên là một loại nhiên liệu công nghiệp, nó được đốt trong các bếp

ga, lò ga để nấu nướng, sấy khô., khí thiên nhiên được đốt trong các lò gạch, gốm và lò cao sản xuất xi măng Khí thiên nhiên còn được sử dụng để đốt các lò đốt các tua-bin nhiệt điện để phát điện cũng như các lò nấu thủy tinh, lò luyện kim loại và chế biến thực phẩm

Hình 2.4 Khí Gas

Khí thiên nhiên được sử dụng làm nguyên liệu đầu vào cho ngành hóa dầu để tạo ra các chất hóa dầu Các chất hóa dầu này được sử dụng làm sản phẩm cơ sở cho việc sản xuất phân đạm, bột giặt, dược phẩm, chất dẻo và nhiều loại hàng hóa khác

2.4 NĂNG LƯỢNG KHÁC:

Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn như năng lượng mặt trời, gió, mưa, thủy triều, sóng và địa nhiệt Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái sinh là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường và đưa vào trong các sử dụng kỹ thuật Các quy trình này thường được thúc đẩy đặc biệt là từ Mặt Trời Năng lượng tái tạo thay thế các nguồn nhiên liệu truyền thống

Các nguồn năng lượng tái tạo tồn tại khắp nơi trên nhiều vùng địa lý, ngược lại với các nguồn năng lượng khác chỉ tồn tại ở một số quốc gia Việc đưa vào sử dụng năng lượng tái tạo nhanh và hiệu quả có ý nghĩa quan trọng trong an ninh năng lượng, giảm thiểu biến đổi khí hậu, và có lợi ích về kinh tế Các cuộc khảo sát ý kiến công cộng trên toàn cầu đưa ra sự ủng hộ rất mạnh việc phát triển và sử dụng những nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió

CHƯƠNG 3 MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

3.1 MỤC TIÊU CỤ THỂ

- Phân tích nguyên lý làm việc của các loại bếp lò cho thiết kế hệ thống sử dụng

đa nhiên liệu

- Tính toán được hiệu suất nhiệt của một số loại nhiên liệu phổ biến cho lò đốt, quá trình tiêu hao sử dụng nhiệt

- Thiết kế được bếp lò sử dụng đa nhiên liệu có hiệu suất nhiệt cao, đảm bảo vệ sinh môi trường phù hợp với đời sống

3.2 PHẠM VI, ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

3.2.1 Phạm vi nghiên cứu

- Công nghệ, thiết bị các loại lò đốt sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác nhau

- Khảo sát các loại bếp lò sử dụng nhiên liệu sinh khối từ phụ phẩm quá trình sản xuất nông nghiệp và chế biến nông sản

- Phạm vi sử dụng các loại lò đốt cho quy mô hộ gia đình, cơ sở dịch vụ nhà hàng, cơ sở sản xuất vừa và nhỏ

- Địa điểm thực hiện: Đề tài được thực hiện ở khoa Cơ khí - Công nghệ trường Đại học Nông Lâm – Đại học Huế

- Địa bàn khảo sát: ở thành phố Huế

- Thời gian thực hiện đề tài: 6-7 tháng, từ tháng 8 năm 2015 đến tháng 5 năm

2016

3.2.2 Đối tượng nghiên cứu

- Quá trình trao đổi nhiệt của bếp lò

- Kết cấu và nguyên lý hoạt động của các loại lò đốt phổ biến

- Năng suất sinh nhiệt và hiệu suất thu nhiệt của các loại lò đốt

- Hiệu suất nhiệt của lò đốt khi sử dụng nhiên liệu khác nhau

- Các loại bếp sử dụng nhiên liệu sinh khối hiện nay

3.3 TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu nhiên liệu sinh khối

- Hiệu suất nhiệt của các loại nhiên liệu sinh khối từ phụ phẩm quá trình sản xuất và chế biến

- Đặc điểm kết cấu, nguyên lý làm việc của các loại bếp sử dụng nhiên liệu sinh khối

- Thiết kế bếp sử dụng đa nhiên liệu có bộ thu nhiệt tận dụng

- Đánh giá tính khả thi và phù hợp của phương án thiết kế, chế tạo bếp sử dụng

đa nhiên liệu

- Tiến hành khảo nghiệm mẫu bếp cải tiến

CHƯƠNG 4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

4.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TÀI LIỆU

Nghiên cứu tài liệu để thu thập các nội dung thông tin như: Cơ sở lý thuyết liên quan đến chủ đề nghiên cứu, thành tựu đã đạt được liên quan đến chủ đề nghiên cứu, kết quả nghiên cứu của đồng nghiệp đã công bố trên các ấn phẩm, chủ trương và chính sách liên quan đến nội dung nghiên cứu, số liệu thống kê

Nghiên cứu tài liệu từ các nguồn: Tạp chí và báo cáo khoa học trong ngành và ngoài ngành; sách giáo khoa và những tác phẩm khoa học, tài liệu lưu trữ, số liệu thống kê; mạng Internet

4.2 PHƯƠNG PHÁP PHỎNG VẤN CHUYÊN GIA

- Tiến hành trao đổi với các chủ nhà hàng, bếp ăn tập thể về hiệu suất của các bếp đang sử dụng, đặt vấn đề về khả năng nâng cao hiệu suất, sử dụng đa nhiên liệu của bếp

- Thông qua các chuyên gia và giáo viên hướng dẫn để đưa ra các mẫu thiết kế phù hợp với tình hình thực tế

4.3 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ

- Tiến hành thiết kế mẫu bếp sử dụng đa nhiên liệu, tích hợp bộ thu nhiệt tận dụng, có hiệu suất cao, đảm bảo vệ sinh môi trường

- Tính toán hiệu suất nhiệt của mỗi loại bếp lò, khả năng đốt cháy và tiêu tốn các loại nhiên liệu

4.4 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

- Tiến hành chế tạo mẫu bếp

- Thực nghiệm mẫu bếp mới chế tạo và đối chứng với các loại bếp phổ biến

CHƯƠNG 5 NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

5.1 NHIÊN LIỆU SINH KHỐI

5.1.1 Khái niệm về sinh khối

Sinh khối là vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ sinh vật có khả năng tái tạo ngoại trừ nguồn nguyên liệu hoá thạch Trong sản xuất năng lượng và ngành công nghiệp, sinh khối đề cập đến ở đây là nguyên liệu có nguồn gốc từ sinh vật sống mà có thể được sử dụng làm nhiên liệu hay cho sản xuất công nghiệp Thông thường sinh khối là phần chất cây trưởng thành sử dụng như là nhiên liệu sinh học, bao gồm cả phần chất thực vật và động vật được dùng để sản xuất sợi, hoá chất hay tạo nhiệt Sinh khối không phải là vật liệu hữu cơ được tạo bởi quá trình địa chất tạo than đá hay dầu mỏ Sinh khối thường được đánh giá qua thông số cân nặng khô

Sinh khối là nguồn năng lượng chính cho con người Sinh khối có khả năng tái tạo, dự trữ trong nhiều nguồn sẵn có, than thực vật, có khả năng lưu trữ và thay thế dầu

Bảng 5.1 Phân loại và các dạng sinh khối

1 Nguồn từ mùa màng Thức ăn nuôi động vật và cây tinh bột

2 Sinh khối chưa sử dụng Rơm, vỏ trấu, gỗ vụn và chất thải từ gỗ

3 Chất thải sinh khối

Chất thải từ giấy, phân động vật, chất thải từ thực phẩm, chất thải từ xây dựng, chất thải lỏng và bùn cống

5.1.2 Nguồn gốc của sinh khối

Sinh khối là vật chất hữu cơ, đặc biệt là các chất cellulose hay ligno-cellulosic Sinh khối là các vật chất tái tạo, bao gồm cây cối, chất xơ gỗ, chất thải gia súc, chất thải nông nghiệp, và thành phần giấy của các chất thải rắn đô thị

Hình 5.1 Vụn gỗ và bã vỏ mía

Hình 5.2 Gỗ rừng, gỗ lâm nghiệp

Cây dự trữ năng lượng mặt trời trong các tế bào cellulose và lignin (chất gỗ) thông qua quá trình quang hợp Cellulose là một chuỗi polymer của các phân tử đường 6-carbon Lignin là chất hồ kết dính các chuỗi cellulose với nhau Khi đốt, các liên kết giữa các phân tử đường này vỡ ra và phóng thích năng lượng dưới dạng nhiệt, đồng thời thải ra khí CO2 và hơi nước Các sản phẩm phụ của phản ứng này có thể được thu thập và sử dụng để sản xuất điện năng Các chất này thường đươc gọi là năng lượng sinh học hoặc nhiên liệu sinh học

Các nguồn sinh khối trong nước bao gồm các chất dư thừa, chất bã của sinh khối đã được xử lý Các chất này gồm có bột giấy, chất thải nông lâm nghiệp, chất thải

gỗ thành thị, chất thải rắn đô thị, khí ở các hố chôn lấp, chất thải của gia súc, các giống cây trên cạn và dưới nước được trồng chủ yếu để khai thác năng lượng Các giống cây này dược gọi là các giống cây năng lượng Ở số lượng lớn, nguồn sinh khối được gọi

là nguyên liệu sinh khối Sử dụng các chất thải thì hiệu quả hơn để chúng tự phân rã, giảm mối nguy hại đối với môi trường xung quanh Dưới đây là các mô tả chi tiết của từng loại sinh khối:

5.1.2.1 Chất bã của sinh khối đã qua xử lý

Các quá trình xử lý sinh khối đều sinh ra các sản phẩm phụ và các dòng chất thải gọi là chất bã Cac chất bã này có một lượng thế năng nhất định Không phải tất cả các chất bã đều có thể được sử dụng cho sản xuất điện năng, một số cần phải được bổ sung với các chất dinh dưỡng hay các nguyên tố hóa học Tuy nhiên, việc sử dụng các chất bã là rất đơn giản vì chúng đã được thu thập/phân loại qua quá trình xử lý

5.1.2.2 Bột giấy và các chất bã trong quá trình sản xuất giấy

Cây cối có các thành phần như lignin, hemicellulose, và sợi cellulose Do các tính chất hóa học và vật lý, lignin dễ dàng chia nhỏ hơn cellulose Quá trình nghiền nhão làm tách rời và chia nhỏ các sợi lignin trong cây nhằm suspend các sợi cellulose

để tạo ra giấy Các bột giấy dư thừa tạo nên chất bã Các chất bã này là các sản phẩm phụ của các quá trình đốn và xử lý gỗ Các quá trình xử lý gỗ để tạo ra sản phẩm, đồng thời thải ra mùn cưa, vỏ cây, nhánh cây, lá cây và bột giấy Thông thường, các nhà máy giấy hay dùng các chất thải này để tạo ra điện cho vận hành nhà máy

5.1.2.3 Bã cây rừng (Forestry residues)

Các chất thải từ rừng bao gồm củi gỗ từ các quá trình làm thưa rừng nhằm giảm nguy cơ cháy rừng, sinh khối không được thu hoạch hoặc di dời ở nơi đốn gỗ cứng và mềm thương mại và các vật liệu dư thừa trong quá trình quản lý rừng như phát rừng và

di dời các cây đã chết Một trong những thuận lợi của việc tận dụng bã cây rừng là một phần lớn các bã dạng này được tạo ra từ các nhà máy giấy hoặc các nhà máy xử lý gỗ,

do đó phần lớn nguồn nguyên liệu có thể sử dụng ngay được Cũng vì lý do này, việc tái sử dụng mùn cưa, bã gỗ để tạo năng lượng tập trung ở các nhà máy công nghiệp giấy và gỗ, nhưng tiềm năng nguyên liệu thật sự là lớn hơn nhiều

5.1.2.4 Bã nông nghiệp (Agricultural residues)

Chất thải nông nghiệp là các chất dư thừa sau các vụ thu hoạch và sơ chế sản phẩm Chúng có thể được thu gom với các thiết bị thu hoạch thông thường cùng lúc hoặc sau khi gặt hái Các chất thải nông nghiệp bao gồm thân và lá bắp, rơm rạ, vỏ trấu Hằng năm, có khoảng 80 triệu cây bắp được trồng, cho nên các phụ phẩm từ cây bắp được dự đoán là dạng sinh khối chính cho các ứng dụng năng lượng sinh học

Ở một số nơi, đặc biệt những vùng khô, các chất bã cần phải được giữ lại nhằm bổ sung các chất dinh dưỡng cho đất cho vụ mùa kế tiếp Tuy nhiên, đất không thể hấp thu hết tất cả các chất dinh dưỡng từ cặn bã, các chất bã này không được tận dụng tối

đa và bị mục rữa làm thất thoát năng lượng

Một trong các giải pháp được ứng dụng rộng rãi hiện nay và có tiềm năng đầy hứa hẹn là tận dụng các bã thải từ công nghiệp mía đường, xử lý gỗ và làm giấy

5.1.2.5 Chất thải từ gia súc (Livestock residues)

Chất thải gia súc, như phân trâu, bò, heo và gà, có thể được chuyển thành gas hoặc đốt trực tiếp nhằm cung cấp nhiệt và sản xuất năng lượng Ở những nước đang phát triển, các bánh phân được dùng như nhiên liệu cho việc nấu nướng Hơn nữa, phần lớn phân gia súc có hàm lượng methane khá cao Do vậy, phương pháp này khá nguy hiểm vì các chất đôc hại sinh ra từ việc đốt phân là nguy hại đối với sức khỏe người tiêu dùng và các vấn đề môi trường Các trang trại dùng phân đế sản xuất năng lượng với các cách thức thích hợp nhằm giảm thiểu các mối nguy hại đối với môi trường và sức khỏe cộng đồng Các chất thải này có thể được sử dụng để sản xuất ra nhiều loại sản phẩm và tạo ra điện năng thông qua các phương pháp tách methane và phân hủy yếm khí

Ngoài ra, việc sử dụng phân súc vật để tại năng lượng ở qui mô lớn vẫn còn là một câu hỏi lớn vì những yếu tố sau:

- Phân có giá trị tiềm năng lớn hơn ở những mục đích khác, ví dụ nhưng để bón cây, tức là mang lại lợi ích cao hơn rõ ràng cho nông dân

- Phân là nhiên liệu có hiệu suất thấp, do đó người ta có khuynh hướng chuyển qua các dạng năng lượng sinh học khác có hiệu suất cao hơn

- Các tác động về môi trường và sức khỏe từ việc khai thác phân thải có phần tiêu cực hơn các dạng nhiên liệu sinh học khác

5.1.2.6 Các loại bã thải khác

- Chất thải củi gỗ đô thị

Chất thải củi gỗ là nguồn chất thải lớn nhất ở các công trường Chất thải củi gỗ

đô thị bao gồm các thân cây, phần thừa cây đã qua cắt tỉa Những vật liệu này có thể được thu gom dễ dàng sau các dự án công trường và cắt tỉa cây, sau đó có thể được chuyển thành phân trộn hay được dùng để cung cấp nhiên liệu cho các nhà máy năng lượng sinh học

- Chất thải rắn đô thị coa nguồn gốc hữu cơ

Chất thải ở các trung tâm thương mại, cơ quan, trường hoc, nhà dân có một hàm lượng nhất định của các vật chất hữu cơ có xuất xứ từ cây, là một nguồn năng lượng tái tạo không nhỏ Giấy thải, bìa cứng, các tông, chất thải gỗ là những ví dụ của nguồn sinh khối trong chất thải đô thị

Khí ở các bãi chôn lấp phần lớn trong quá trình phân hủy yếm khí, sản phẩm phụ tự nhiên của quá trình phânn hủy chất thải hữu cơ của vi sinh vật có một lượng lớn khí methane, có thể được thu thập, chuyển dạng và dùng để tạo ra năng lượng Các chất thải này được thu gom, tái tạo thông qua quá trình tiêu hóa và phân hủy yếm khí

Sự thu gom các chất thải trong các bãi chôn lấp và dùng chúng như một nguồn nănh lượng sinh học tái tạo có rất nhiều lợi ích như: tăng cường bảo vệ sức khỏe cộng đồng thông qua việc xử lý chất thải, giảm diện tích đất sử dụng cho các bãi chôn lấp, giảm ô nhiễm môi trường, mùi hôi thối và giúp cho việc quản lý chất thải một cách hiệu quả

5.1.2.7 Cây trồng năng lượng (Energy forestry/crops)

Các giống cây năng lượng là các giống cây, cây cỏ được xử lý bằng công nghệ sinh học để trở thành các giống cây tăng trưởng nhanh, được thu hoạch cho mục đích sản xuất năng lượng Các giống cây này có thể được trồng, thu hoạch và thay thế nhanh chóng

Cây trồng năng lượng có thể được sản xuất bằng 2 cách: i) Các giống cây năng lượng chuyên biệt trồng ở những vùng đất dành đặc biệt cho mục đích này và ii) trồng xen kẽ và các cây trồng bình thường khác Cả 2 phương pháp này đều đòi hỏi có sự quản lý tốt và phải được chứng minh là đem lại lợi ích rõ ràng cho người nông dân về mặt hiệu quả sử dụng đất

- Các giống cây cỏ (thảo mộc) năng lượng