116 Trần Văn Vang TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG LÒ DẦU TRUYỀN NHIỆT ĐỐT KẾT HỢP THAN ĐÁ VÀ BIOGAS TRONG CÁC NHÀ MÁY CHẾ BIẾN TINH BỘT SẮN APPLICATION POTENTIAL OF THERMAL OIL HEATERS CO FIRING COAL AND BIOGAS IN[.]
116 Trần Văn Vang TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG LÒ DẦU TRUYỀN NHIỆT ĐỐT KẾT HỢP THAN ĐÁ VÀ BIOGAS TRONG CÁC NHÀ MÁY CHẾ BIẾN TINH BỘT SẮN APPLICATION POTENTIAL OF THERMAL OIL HEATERS CO-FIRING COAL AND BIOGAS IN CASSAVA STARCH MANUFACTURERS Trần Văn Vang Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; bkmt69@gmail.com Tóm tắt - Bài báo phân tích loại lị dầu truyền nhiệt sử dụng đánh giá tiềm ứng dụng lò dầu truyền nhiệt đốt kết hợp than đá biogas nhà máy chế biến tinh bột sắn Việt Nam Kết nghiên cứu cho thấy tiềm sinh khí sử dụng biogas cho lị dầu truyền nhiệt nhà máy tinh bột sắn Việt nam lớn Mặc dù, hầu hết sở chế biến tinh bột sắn chuyển đổi lị dầu truyền nhiệt đốt nhiên liệu hóa thạch sang đốt biogas, nhiên chất lượng biogas thấp (~50% hàm lượng khí Metan), cơng nghệ cung cấp biogas thơ sơ lượng biogas sinh không ổn định nhân tố ảnh hưởng lớn đến hiệu suất lò dầu Nghiên cứu việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo ứng dụng mô hình lị dầu truyền nhiệt đốt kết hợp lúc biogas than đá hoàn toàn khả thi Nếu ứng dụng thành cơng tốn liên quan đến thiếu ổn định sản xuất biogas giải Abstract - This paper analyses and evaluates the potential of application of thermal oil heaters co-firing coal and biogas in cassava starch manufacturers in Vietnam The results show that the production of biogas and its application for thermal oil heater in cassava starch manufacturers are very promising It is found that most of the cassava starch manufacturers have converted thermal oil heaters using the fossil fuel (i.e DO oil and coal) to biogas burning However, the operating performance of thermal oil heaters can have some negative effects due to the low quality of biogas production (~50% CH4 in biogas), simple biogas supply system and unstable biogas production Therefore, research on designing, manufacturing and implementing a novel model of thermal oil heaters co-firing coal and biogas is necessary and feasible.If successfully applied, the model can deal with problems that are related to the unstability of biogas production in cassava starch manufacturers Từ khóa - lị dầu truyền nhiệt; tinh bột sắn; biogas; dầu truyền nhiệt; cháy hỗn hợp Key words - thermal oil heater; cassava starch; biogas; heat transferoil; co-firing Đặt vấn đề Sắn sản phẩm từ sắn đóng vai trị quan trọng chiến lược phát triển kinh tế xã hội Việt Nam Trong năm gần đây, sản lượng sắn tăng trưởng mạnh mẽ, từ khoảng triệu năm 2000 tới triệu vào năm 2009 (Hình 1), đưa Việt Nam trở thành nước đứng thứ xuất sắn, đứng sau Thái Lan Indonesia [1, 2] Một thành phẩm quan trọng, chiếm tới gần 45% tổng sản lượng xuất sắn tinh bột sắn [1] Hiện nay, nhiều nhà máy cố gắng nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí vận hành để gia tăng tính cạnh tranh sản phẩm so với nước khác khu vực độ tác nhân sấy yêu cầu cho trình sấy tinh bột sắn từ 180°C đến 220°C [3], nên hầu hết nhà máy chế biến biến tinh bột sắn nước ta sử dụng hệ thống lò dầu truyền nhiệt để cung cấp nhiệt cho trình sấy tinh bột Tuy nhiên, hầu hết lò dầu truyền nhiệt sử dụng nguồn nhiên liệu truyền thống như: than đá dầu FO DO Trong thời gian gần đây, chương trình quốc gia tiết kiệm lượng sản xuất xây dựng áp dụng cho doanh nghiệp sản xuất nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí sản xuất, bảo vệ môi trường tăng lực cạnh tranh sản phẩm Đối với ngành chế biến tinh bột sắn, chi phí lượng tiêu hao cho q trình sấy khơ sản phẩm lớn, chiếm tới 75% tổng lượng cung cấp cho toàn nhà máy [4] Thêm vào đó, lượng nước thải từ trình sản xuất lớn (từ 20 đến 30 m3 nước cho sản phẩm tinh bột sắn [4]) Để giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước thải, hầu hết nhà máy tinh bột sắn Việt Nam đầu tư hệ thống hồ phủ bạt nhựa HDPE để sản xuất khí sinh học, gọi tắt hồ biogas Ở số nhà máy, biogas sinh sử dụng để cung cấp cho lò dầu truyền nhiệt chạy máy phát điện [5] Tuy nhiên, lượng biogas sinh thường không ổn định, tùy thuộc vào điều kiện nhiệt độ, độ ẩm nhiều yếu tố khác Do đó, việc sử dụng biogas làm nhiên liệu đốt cho loại lò dầu truyền nhiệt nhà máy chế biến tinh bột sắn Việt Nam chưa thực có hiệu Mặc dù ngành chế biến tinh bột sắn có bước tiến mạnh mẽ, lại có tài liệu nghiên cứu việc nâng cao hiệu sử dụng lượng cho nhà máy chế biến tinh bột sắn Chính vậy, báo tác giả mạnh dạn sâu vào phân tích đặc tính lị dầu Hình Sản lượng sắn Việt Nam qua năm [2] Trong ngành công nghiệp chế biến tinh bột sắn, trình sấy tinh bột công đoạn quan trọng bậc nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng giá thành sản phẩm Tác nhân sấy cần trì khoảng nhiệt độ ổn định, không cao để tránh tượng hồ hóa tinh bột, khơng q thấp để tăng hiệu suất sấy Nhiệt ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(102).2016 truyền nhiệt hành đánh giá tiềm sử dụng mơ hình lị dầu truyền nhiệt đốt hỗn hợp than đá biogas nhà máy chế biến tinh bột sắn Việt Nam Tình hình sản xuất biogas nhà máy chế biến tinh bột sắn Ở Việt Nam có khoảng 100 nhà máy chế biến tinh bột sắn với qui mô công nghiệp, công suất từ 50 đến 240 tấn/ngày 4000 nhà máy chế biến qui mô nhỏ, công suất 50 tấn/ngày [1] Cần ý rằng, nhà máy chế biến tinh bột sắn, lượng nước u cầu cho qui trình cơng nghệ lớn, khoảng từ khoảng 20 30 m3 nước cho sản phẩm Theo tài liệu [6], lượng nước thải môi trường chiếm tới 80% - 90% tổng lượng nước sử dụng Do nước thải nhà máy có độ pH thấp, hàm lượng chất hữu vô cao, phù hợp để ứng dụng cơng nghệ kỵ khí sản xuất biogas Ở điều kiện nhiệt độ phòng (25 °C) độ ẩm 85%, kg nước thải tinh bột sắn tạo từ 0,2 đến 0,3 m3 [1,3, 7] Do đó, hầu hết nhà máy chế biến tinh bột sắn Việt Nam ứng dụng cơng nghệ kỵ khí cho nước thải để tạo biogas sử dụng cho trình sấy phát điện Do lưu lượng nước thải lớn, cộng với chi phí đầu tư thấp, vận hành đơn giản dễ bảo trì, nên cơng nghệ hồ 117 biogas hay cịn gọi hồ CIGAR (Covered In-Ground Anaerobic Reactor) sử dụng hầu hết nhà máy tinh bột sắn Việt Nam Bảng thể công suất, tổng sản lượng dung tích hồ biogas số nhà máy chế biến tinh bột sắn khu vực Miền Trung - Tây Nguyên Hầu hết nhà máy xây dựng hồ biogas với dung tích lớn, 20.000 m3 Tuy nhiên, qua khảo sát thấy số trạng chung cần phải nghiên cứu xử lý để nâng cao hiệu suất sử dụng biogas là: - Chất lượng biogas thấp: Hàm lượng khí Metan (CH4) thường đạt 50%, làm giảm đáng kể nhiệt trị biogas - Biogas thường không xử lý (ví dụ: tách nước, tách H2S…) trước đưa vào buồng đốt, dẫn đến làm giảm hiệu suất tuổi thọ hệ thống trao đổi nhiệt - Cơng nghệ cung cấp biogas cho lị dầu truyền nhiệt thô sơ: Chủ yếu dùng quạt ly tâm để thổi biogas vào buồng đốt, vịi phun tự chế khơng có điều khiển, dẫn đến hiệu suất cháy thấp - Hầu hết lò dầu truyền nhiệt đốt biogas chuyển đổi từ lò dầu đốt than đốt dầu sang đốt biogas Thêm vào đó, lượng biogas sinh không ổn định, làm ảnh hưởng không nhỏ đến cơng suất nhiệt lị dầu q trình vận hành chúng Bảng Cơng suất dung tích hầm biogas số nhà máy [1] Nhà máy Tinh bột sắn Công suất (tấn/ngày) Tổng sản lượng (tấn/năm) Lượng nước thải Dung tích bể biogas (m3/ngày) (m3) Như Xuân 150 24.000 3450 8.000 Yên Thành 80 12.000 1680 25.000 Hà Tĩnh 100 16.000 2200 35.00 Sê Pôn 160 32.000 3920 23.000 Fococev Huế 150 21.600 2640 18.000 Fococev Quảng Nam 120 21.600 2520 20.000 Tịnh Phong 150 30.000 3450 54.000 Tầm quan trọng thiết bị cấp nhiệt cho trình sấy tinh bột sắn Như phân tích trên, cơng đoạn sấy tinh bột cơng đoạn đóng vai trị định đến chất lượng sản phẩm giá thành sản phẩm Năng lượng tiêu thụ cho trình sấy tinh bột chiếm tới 75% tổng lượng tiêu thụ toàn nhà máy Vì vậy, việc nghiên cứu giải pháp làm tăng hiệu q trình sấy đóng vai trị then chốt việc nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí sản xuất giảm chi phí nhiên liệu tiêu thụ, đồng thời giảm thiểu phát thải khí nhà kính mơi trường Trong q trình sấy, tác nhân sấy cần phải có nhiệt độ độ ẩm thích hợp để làm giảm độ ẩm tinh bột xuống cịn 12,5 ÷ 13,5% đảm bảo bảo quản lâu dài sản phẩm Bên cạnh đó, nhiệt độ tác nhân sấy cần trì ổn định khoảng nhiệt độ định nhằm tối ưu hóa suất chất lượng sản phẩm sấy Nếu nhiệt độ tác nhân sấy cao dẫn đến làm tinh bột bị cháy, vón cục hay bị hồ hóa, cịn thấp sản phẩm không đạt độ ẩm chất lượng yêu cầu Do đó, thiết bị cấp nhiệt thiết bị quan trọng, nhân tố ảnh hưởng lớn đến q trình sấy sản phẩm Một thiết bị cấp nhiệt tốt đòi hỏi đáp ứng yêu cầu cơng nghệ để có chất lượng sản phẩm cao, mà cịn phải có hiệu suất cao, chi phí vận hành thấp, bảo trì bảo dưỡng dễ dàng, vv… Các loại thiết bị cấp nhiệt Các thiết bị cấp nhiệt ứng dụng q trình sấy sản phẩm bao gồm: lò nhiệt, lò lò dầu truyền nhiệt 4.1 Lò nhiệt Đối với lò nhiệt, chi phí đầu tư ban đầu thấp, hiệu thấp (do truyền nhiệt khói với khí) nên khơng ứng dụng ứng dụng cho sở chế biến công suất nhỏ 4.2 Lị Khơng thể phủ nhận việc sử dụng nước từ lò để gia nhiệt cho tác nhân sấy có nhiều ưu điểm như: hệ số trao đổi nhiệt cao nên diện tích trao đổi nhiệt gọn hơn, việc điều chỉnh nhiệt độ nước dễ dàng vv Tuy 118 Trần Văn Vang nhiên, cần ý rằng, nhà máy tinh bột sắn nhiệt độ tác nhân sấy thích hợp để sấy tinh bột từ khoảng 180 °C - 220 °C [3] Với khoảng nhiệt độ (nhiệt độ chất tải nhiệt thường lớn nhiệt độ tác nhân sấy 10°C), sử dụng lị áp suất nước bão hịa nhiệt độ tương ứng từ 12 bar - 25 bar (Hình 2) Ở quy mô nhà máy công nghiệp, việc sử dụng cơng nghệ lị cơng nghiệp khó đáp ứng dải áp suất lớn Vì vậy, sử dụng lò để cấp nhiệt cho nhà máy tính bột sắn tỏ khơng hiệu mặt kinh tế lẫn kỹ thuật 4.3 Lò dầu truyền nhiệt Khác với lò hơi, lò dầu truyền nhiệt có ưu điểm vượt trội làm việc dải nhiệt độ cao Mặc dù nhiệt độ lò dầu tăng cao, áp suất làm việc lị dầu khơng thay đổi (Hình 2) Thêm vào đó, theo tài liệu [8] hạn chế nguy rị rỉ dầu truyền nhiệt sử dụng hệ thống lị dầu truyền nhiệt có ưu điểm vượt trội so với hệ thống lò hiệu suất cao hơn, khơng bị ăn mịn chất khí hịa tan nước, vận hành an toàn hơn, vv Thực tế cho thấy, hầu hết nhà máy tinh bột sắn Việt Nam giới thường sử dụng lò dầu truyền nhiệt để cung cấp nhiệt cho trình sấy trường sinh thái rò rỉ xả bỏ Ở Việt Nam chúng ta, loại dầu truyền nhiệt sử dụng phổ biến Shell S2, Seriola 1510 BP Transcal N Các thông số vật lý loại dầu thể Bảng Bảng So sánh tính chất loại dầu truyền nhiệt Đặc tính vật lý dầu Đơn truyền nhiệt vị Áp suất (bar) Hình Đồ thị so sánh áp suất theo nhiệt độ nước dầu truyền nhiệt [8] Lò dầu truyền nhiệt nhà máy chế biến tinh bột sắn Như phân tích trên, lị dầu truyền nhiệt thiết bị nhiệt quan trọng nhà máy tính bột sắn Vì vậy, việc phân tích đánh giá loại lò dầu truyền nhiệt nhà máy vô cấp thiết để nâng cao hiệu sản xuất hạ giá thành sản phẩm 5.1 Dầu truyền nhiệt Hiệu suất cơng suất lị dầu truyền nhiệt phụ thuộc nhiều vào loại dầu truyền nhiệt sử dụng Do đó, khơng thể khơng phân tích đặc tính dầu truyền nhiệt sử dụng lò dầu Khi lựa chọn dầu truyền nhiệt cần đảm bảo tính chất: khơng độc hại, khơng dễ cháy khơng ăn mịn kim loại; hệ số truyền nhiệt cao; độ nhớt động học thấp; khơng bị oxy hóa bền nhiệt giúp tuổi thọ dầu cao; áp suất bay thấp, nhiệt độ sôi dầu cao; không độc hại với môi Seriola BP 1510 Transcal N Kg/m3 868 870 872 Điểm chớp cháy COC °C 220 225 221 Điểm cháy °C 255 250 - Điểm đông đặc °C -12 -12 -15 Tỉ trọng 15°C Độ nhớt động học: - Tại 400C - Tại mm2/s 1000C 25 30,6 30 4,7 5,2 5,1 Điểm sôi ban đầu °C 355 280 - Điểm sôi tự bốc cháy °C 360 300 350 Trị số trung hòa (kiềm -OH) mg/g < 0,05 -