BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP VŨ ĐẠI PHONG NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT VIÊN NHIÊN LIỆU TỪ BIOMASS Chuyên ngành Máy và thiết bị cơ giới hoá Nông Lâm nghiệp Mã Số 60 52[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP VŨ ĐẠI PHONG NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT VIÊN NHIÊN LIỆU TỪ BIOMASS Chuyên ngành: Máy thiết bị giới hố Nơng - Lâm nghiệp Mã Số: 60 52 14 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Lê Văn Thái Hà Nội, 2010 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình nghiên cứu sản xuất viên nhiên liệu từ BIOMASS 1.1.1 Trên giới Nhiên liệu sinh học (NLSH), tiếng Anh Bio – fuel, loại nhiên liệu hình thành từ hợp chất có nguồn gốc động, thực vật (sinh học) Ví dụ nhiên liệu chế biến từ chất béo động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa…), ngũ cốc (lúa mì, ngơ, đậu, tương…), chất thải Nơng nghiệp (rơm, rạ, phân), sản phẩm thải ngành Lâm nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải…) Nhiên liệu sinh khối dạng rắn, lỏng, khí… đốt để phóng thích lượng Sinh khối đặc biệt gỗ, than gỗ (charcoal) cung cấp phần lượng đáng kể giới nửa dân số giới dựa nguồn lượng từ sinh khối Con người sử dụng chúng để sưởi ấm nấu ăn cách hàng ngàn năm, với quy mơ nhỏ, mang tính chất gia đình cho hoạt động đun nấu có sản xuất nhỏ Việc sử dụng sinh khối dạng thô qui mơ cơng nghiệp khó khăn hiệu kinh tế nhiệt trị nhiên liệu thấp (15-18 MJ/kg củi, gỗ 12-15MJ/kg rơm, trấu), khối lượng riêng thấp, nguồn cung cấp thiếu tập trung dẫn đến việc vận chuyển, khai thác công nghệ sử dụng tương đối khó khăn Tuy nhiên nay, gỗ sử dụng làm nhiên liệu phổ biến nước phát triển [4] Theo dự tính chuyên gia, việc tiêu thụ lượng tồn cầu tăng thêm 1/3 vịng 15 năm tới Mức tiêu thụ lượng ngày gia tăng, phần lớn nước phát triển, nguồn lượng truyền thống (thuỷ điện, than đá, dầu mỏ…) lại ngày khan Vì vấn đề cấp thiết đặt phải tiến hành cách mạng tìm nguồn lượng lượng tái sử dụng Tình hình giá dầu giới bất ổn buộc nhiều quốc gia mang tính đột phá việc tìm kiếm nguồn nhiên liệu thay xăng dầu truyền thống Nguồn NLSH xem lĩnh vực mẻ Một dạng lượng mà giới sử dụng lâu dài thời gian tới Biomass (năng lượng sinh khối, hay lượng từ vật liệu hữu cơ) Biomass - sinh khối nguồn lượng hoá học, tích luỹ từ nguồn lượng từ mặt trời thực vật qua trình quang hợp Sinh khối phế phẩm, phụ phẩm sau thu hoạch nông nghiệp, q trình chăn ni gia súc, gia cầm, phế liệu dây chuyền chế biến nông lâm sản như: rơm, rạ, trấu, bã mía, vỏ hạt cà phê, mùn cưa, phoi bào, rác thải, phân gia súc, gia cầm… Năng lượng sinh khối dạng rắn, lỏng khí, đốt để phóng thích lượng Đặc biệt sinh khối từ vật liệu gỗ cấp nguồn lượng chiếm tỷ trọng đáng kể Trên giới, có khoảng nửa dân số giới, tập trung nước phát triển, sử dụng nguồn lượng từ sinh khối Sinh khối trở thành dạng nhiên liệu lỏng metanol etanol dùng cho động đốt trong, thành dạng khí sinh học Bioga dùng đun nấu hộ gia đình Biomass thay đổi tình trạng khí hậu, biến chất thải, phế phẩm ngành Nông lâm nghiệp thành nhiệt lượng Theo chuyên gia lượng, nguồn lượng - cịn có tên “vàng xanh” Tại 30 quốc gia trồng cây, hàng loạt nông lâm nghiệp chế nguồn nhiên liệu thay xăng, dầu từ dầu mỏ Theo chuyên gia lượng, nguồn nhiên liệu phong phú vơ tận, mà lồi người khơng cịn ám ảnh khủng hoảng nhiên liệu Loại nhiên liệu có nhiều ưu điểm với loại nhiên liệu truyền thống (dầu khí, than đá…) là: tính chất thân thiện với mơi trường, chúng sinh hàm lượng khí gây hiệu ứng nhà kính (một hiệu ứng làm trái đất nóng lên) gây nhiễm môi trường loại nguồn nhiên liệu truyền thống, loại nhiên liệu tái sinh, loại nhiên liệu lấy từ hoạt động sản xuất nông lâm nghiệp tái sinh Chúng giúp giảm lệ thuộc vào nguồn tài nguyên nhiên liệu không tái sinh truyền thống Tuy nhiên, vấn đề sử dụng NLSH vào đời sống nhiều hạn chế chưa hạ giá thành sản xuất xuống thấp so với nhiên liệu truyền thống Trong tương lai nguồn nhiên liệu truyền thống cạn kiệt, nguồn nhiên liệu thay cho nguồn nhiên liệu truyền thống [11] Kỹ thuật đốt rác phát điện có lịch sử nghiên cứu phát triển 30 năm trở lại đây, nhiều nhà máy Đức (32% lượng rác xử lý đốt rác phát điện), Đan Mạch (70%), Bỉ (29%), Pháp (38%)… trở thành hình mẫu cho ngành cơng nghệ “năng lượng bảo vệ môi trường” Ở Châu Á, Singapore (100% lượng rác xử lý đốt rác phát điện) Nhật Bản (72,8%) hai nước đầu kỹ thuật đốt rác phát điện Quy trình cơng nghệ nhà máy điện rác tương tự nhà máy nhiệt điện, khác chỗ nhiên liệu không giống phải trang bị thêm hệ thống sử lý làm khói, khí phức tạp Tính ưu việt nhà máy điện rác so với lò đốt rác thơng thường chỗ giảm trọng lượng thể tích nhờ q trình đốt, cịn có tác dụng “tài ngun hố”, biến rác trở thành nhiên liệu sản xuất lượng, “vơ hại hố” rác Tro bụi từ lò thiêu phân tuyển từ tính, sau trở thành vật liệu phủ mặt đường san lấp để lấn biển Trên giới, Mỹ lượng sinh khối chiếm 4% tổng lượng tiêu thụ 45% lượng tái sinh, quốc gia sản xuất điện từ Biomass lớn giới với 350 nhà máy điện sinh học, sản xuất 7.500MW điện năm, đủ cung cấp cho hàng triệu hộ gia đình, tạo việc làm cho 60.000 người lao động Tại Anh, Uỷ ban môi trường hoàng gia (RCEP) Anh tin tới năm 2050, Biomass cung cấp 10% – 15% tổng lượng Anh RCEP cho biết, Biomass khác với dạng lượng tái sinh khác hai khía cạnh: thứ khơng giống lượng gió sóng, Biomass kiểm sốt Thứ hai Biomass vừa cung cấp nhiệt vừa sản xuất điện Mới ý tưởng nhà máy lượng sinh khối Biomass đề xuất, nguồn lượng cung cấp nhiên liệu khí đốt cho hộ gia đình Anh Tại nước có công nghiệp chế biến nông lâm sản phát triển nghiên cứu thành công công nghệ tạo viên nhiên liệu từ mùn cưa, phoi bào, gỗ ứng dụng vào sản xuất quy mô công nghiệp lớn Khối lượng sử dụng viên nhiên liệu sinh khối nước lớn Ví dụ Thuỵ Điển 1.400.000 tấn/năm, Canada 650.000 tấn/năm, Italia 550.000 tấn/năm, Đức Đan Mạch 400.000 tấn/năm [11] 8 Thực tế, nước châu Á như: Nhật Bản, Ấn Độ, Thái Lan… nhiều Công ty sử dụng lò đốt lượng sinh khối Trung Quốc quốc gia có chủ trương thay dầu mỏ NLSH Quốc gia có kế hoạch đến năm 2020 sử dụng NLSH để thay 10 triệu chế phẩm dầu mỏ nhằm giảm bới sức ép nguồn lượng nước Phát biểu diễn đàn giải pháp lượng bền vững phi tập trung hoá tổ chức tháng 5/2006, Phó giám đốc Viện Nghiên cứu Năng lượng Uỷ ban phát triển cải cách Trung quốc (NDRC), Han Wenken cho biết, Trung quốc phấn đấu đến năm 2020 nguồn lượng chiếm 10% lượng lượng hàng năm Sản lượng nhiên liệu lỏng sinh học Ethanol hay Diesel sinh học lên tới 12 triệu thay khoảng 12 triệu chế phẩm từ dầu mỏ 1.1.2 Ở Việt nam Việt nam nước có nơng nghiệp phát triển hàng năm thải lượng lớn đến hàng chục triệu phế thải như: trấu, bã mía, vỏ hạt điều, mùn cưa, rơm (Biomass)… Sử dụng nguồn phế thải cách thích hợp sản xuất nhiệt điện đem lại hội cho ngành nông, lâm nghiệp, cải thiện an ninh lượng mang lại lợi ích cho mơi trường xã hội đặc biệt hiệu kinh tế cao Những loại chất thải tưởng bỏ (mùn cưa, vỏ trấu, lõi ngơ, bã mía…) sản xuất lượng điện tương đối lớn cho người Hiện nay, phế phụ phẩm từ nông lâm nghiệp nước ta với tổng sản lượng lên tới hàng triệu (nếu tập trung lại) Riêng sản lượng trấu thu gom khu vực đồng sông Cửu Long lên tới 1,4 – 1.6 triệu Ngồi Đồng sơng Cửu Long, khu vực khác Tây Nguyên cho lượng chất thải sinh khối đạt 0,3 – 0,5 triệu từ Cà phê Còn vùng Tây Bắc đem lại tới 55.000 – 60.000 mùn cưa từ việc khai thác chế biến gỗ Đặc biệt chất thải từ nhà máy mía đường, nhà nước có đến 10 - 15% tổng lượng bã mía không sử dụng, vừa gây ô nhiễm môi trường, vừa không tận dụng Để tận dụng phế phẩm ngành Nông lâm nghiệp Tại Việt Nam, cụ thể Thành phố Hồ Chí Minh, nhà nghiên cứu khoa học Trung tâm nghiên cứu lọc hoá dầu (trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia thành phố HCM) với đề án “Công nghệ Biomass – hướng tới nông nghiệp không chất thải phát triển bền vững”, tinh chế chất thải từ nông thôn rơm rạ, trấu, mùn cưa,…thành nguồn lượng sinh học Hiện nhóm nghiên cứu Trung tâm tiến hành xây dựng sở liệu trình sản xuất sinh khối lĩnh vực trồng trọt chăn nuôi xã Thái Mỹ huyện Củ Chi, nghiên cứu công nghệ sản xuất cồn sinh học từ rơm rạ… Theo thống kê, gỗ nguồn lượng Biomass nhiều giới Đối với ngành Lâm nghiệp, đặc biệt ngành Công nghiệp khai thác gỗ phế phẩm ngành mùn cưa, phoi bào, gỗ phế liệu Để tận dụng phế phẩm này, số quốc gia xây dựng nhà máy thu gom, nhà máy chế biến để thu nguồn lượng sinh khối Biomass, đưa vào bổ sung thay dần cho nguồn nhiên liệu lấy từ dầu mỏ Bên cạnh đó, nguồn lượng Biomass đưa vào sản xuất để cung cấp nhiệt cho nhà máy nhiệt điện Đặc biệt, vùng nông thôn Việt Nam số nơi giới đưa nguồn lượng Biomass vào sản xuất khí đốt (Bioga) phục vụ sinh hoạt gia đình Cụ thể người dân tận dụng nguồn phân từ gia súc để xây dựng hầm Bioga để lấy khí đốt Để cung cấp nhiệt cho nhà máy nhiệt điện cung cấp chất đốt cho sinh hoạt người dân Năng lượng Biomass sử dụng dạng 10 viên nhiên liệu Từ sản phẩm phụ ngành Nông lâm nghiệp (trấu, mùn cưa, phoi bào ) người ta chế tạo thiết bị, máy móc để ép phế phẩm lại, tạo củi tiện cho việc vận chuyển, bốc dỡ dễ dàng, sử dụng củi khả cấp nhiệt nhiều so với ban đầu Tại vựa lúa đồng sông Cửu Long, vào mùa thu hoạch lúa lượng vỏ trấu thải nhiều Có nơi sau thu hoạch lượng vỏ trấu cịn thải xuống kênh, rạch… gây ô nhiễm môi trường Đang loay hoay với toán rác thải từ trấu sản phẩm “củi trấu” đời Đây nghiên cứu Trung tâm nghiên cứu thực nghiệm đa dạng sinh học Hoà An (sản xuất củi trấu dài 21cm, nặng 1kg đủ nấu bữa ăn cho người) Hình 2.1 – Thanh nhiên liệu sản xuất từ Trấu Dựa sở máy sử dụng Rulô, sử dụng máy ép thuỷ lực để ép củi, viên nhiên liệu Trong đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hưởng số yếu tố đến thông số công nghệ sản xuất viên nhiên liệu từ Biomass (mùn cưa, trấu) 11 1.2 Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu - Trên giới, sử dụng Biomass để sản xuất lượng phục vụ công nghiệp đời sống sinh hoạt nhiều quốc gia (Mỹ, Anh, Pháp, Đan Mạch, Pháp, Ấn Độ, Singapore, Nhật Bản, Trung Quốc…) quan tâm, nghiên cứu sử dụng phổ biến Nhiệt lượng tạo từ Biomass (chủ yếu từ phế tái thải sản xuất nông lâm nghiệp) sử dụng phục vụ công nghiệp đời sống sinh hoạt chiếm tỷ lệ đáng kể khoảng (4 – 10)% tổng lượng tiêu thụ hàng năm Do nhiều cơng trình đề cập đến vấn đề Tuy nhiên nghiên cứu đề cập đến sản xuất viên nhiên liệu từ phế thải từ sản xuất nông lâm nghiệp để tạo lượng thay nguồn nhiên liệu truyền thống cịn Ở nước ta, việc nghiên cứu sử dụng Biomass sản xuất nhiệt phục vụ công nghiệp đời sống sinh hoạt số trường Đại học (Đại học Bách khoa Đà Nẵng, Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh…) nghiên cứu số sở vùng đồng sông Cửu Long sản xuất thử Các nghiên cứu tập trung vào hướng sinh hóa để biến Biomass thành nhiên liệu lỏng phục vụ cơng nghiệp Thực tế có số sở tư nhân thuộc đồng sông Cửu Long sản xuất thành công nhiên liệu từ vỏ hạt để làm củi đốt phục vụ sinh hoạt, song việc sản xuất sở chủ yếu dựa theo kinh nghiệm, chưa có sở khoa học nên kết thu cịn hạn chế, nguyên nhân kìm hãm phát triển sử dụng nguồn lượng phục vụ công nghiệp sống sinh hoạt Để khắc phục vấn đề đó, thực luận văn tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu sản xuất viên nhiên liệu từ Biomass” cần thiết cấp bách 12 Chương MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu xác định thông số công nghệ tối ưu thử nghiệm sản xuất viên nhiên liệu từ mùn cưa (gỗ Keo gỗ Bạch đàn) để thay nguồn nhiên liệu truyền thống phục vụ công nghiệp đời sống sinh hoạt nhằm tận dụng phế thải từ nông lâm nghiệp góp phần bảo vệ mơi trường mang lại lợi ích cho người 2.2 Đối tượng nghiên cứu Phế thải từ sản xuất nông lâm nghiệp để lại 2.3 Phạm vi nghiên cứu Do điều kiện thời gian có hạn nên đề tài tập trung nghiên cứu loại phế thải nông lâm nghiệp mùn cưa 2.4 Nội dung nghiên cứu 2.4.1 Nghiên cứu lý thuyết a Nghiên cứu thành phần, tính chất cơ, lý, hóa nguyên liệu Nghiên cứu thành phần cơ, lý hoá nguyên liệu sở để xác định độ kết dính viên nhiên liệu từ tìm khoảng cho phép yếu tố (áp suất, độ ẩm, thời gian, nhiệt độ ) để viên nhiên liệu đạt chất lượng b Nghiên cứu xác định thông số công nghệ tối ưu phục vụ sản xuất Từ việc kế thừa nghiên cứu đề tài [7] từ thiết bị ép thiết kế mục 3.3 (chương 3) Chúng xác định thơng số ảnh hưởng đến q trình ép, từ phân tích giải tốn tối ưu để xác định 13 số thông số cơng nghệ tối ưu để phục vụ cho việc tính toán, thiết kế thiết bị ép, máy ép tạo viên nhiên liệu đạt chất lượng cao, đảm bảo yêu cầu c Thử nghiệm sản xuất Sau thiết kế xong thiết bị ép, xác định số thông số công nghệ tối ưu Chúng tiến hành sản xuất thử nghiệm số viên nhiên liệu theo kích thước thiết kế 2.4.2 Nghiên cứu thực nghiệm a Nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố Nhiệm vụ thực nghiệm đơn yếu tố xác định thơng số ảnh hưởng phân tích để xem thông số thực ảnh hưởng đến tiêu đánh giá, xác định mức độ quy luật ảnh hưởng chúng đến tiêu quan tâm Thực nghiệm đơn yếu tố tiến hành theo bước sau: Bước 1: Thực thí nghiệm với thông số thay đổi với số mức không nhỏ 4, khoảng thay đổi lớn lần sai số bình phương trung bình phép đo giá trị thơng số Số thí nghiệm lặp lại n = [1] Bước Sau thí nghiệm xong, tiến hành xác định độ tin cậy ảnh hưởng yếu tố đầu vào (áp suất, nhiệt độ thời gian) đến yếu tố đầu (độ bền học viên nhiên liệu, mật độ viên nhiên liệu) Đánh giá tính phương sai trình thí nghiệm, để chứng tỏ ảnh hưởng khác thơng số cần xét khơng có khơng đáng kể Thuật tốn phân tích phương sai phần (2.5.2.1) trình bày a Nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố Nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố nghiên cứu xác định ảnh hưởng đồng thời yếu tố đầu vào (áp suất, nhiệt độ thời gian) đến yếu tố đầu (độ bền học viên nhiên liệu, mật độ viên nhiên liệu) 14 2.5 Phương pháp nghiên cứu 2.5.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết Nguyên lý làm việc máy ép mùn cưa lựa chọn sở phân tích tài liệu mẫu máy có ngồi nước Các thơng số ảnh hưởng đến q trình ép viên nhiên liệu xác định sở phân tích, kết hợp với tính tốn lựa chọn kết nghiên cứu thực nghiệm 2.5.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 2.5.2.1 Quy hoạch hóa thực nghiệm đơn yếu tố Nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố nhằm xác định mức độ ảnh hưởng riêng yếu tố (các yếu tố khác cố định) đến số tính chất cơ, hoá học viên nhiên liệu, để làm sở cho việc tính tốn, thiết kế, chế tạo thiết bị sản xuất viên nhiên liệu cách hiệu Nguyên tắc chung phương pháp thực nghiệm đơn yếu tố là: Cố định yếu tố khác, thay đổi yếu tố để xác định ảnh hưởng yếu tố biến thiên tới thơng số mục tiêu, qua thăm dị khoảng nghiên cứu cho phép yếu tố ảnh hưởng tới giá trị cực trị thơng số mục tiêu Q trình thực đơn yếu tố tiến hành theo bước sau: Bước 1: Thực thí nghiệm với thông số thay đổi với số mức không nhỏ 4, khoảng thay đổi lớn lần sai số bình phương trung bình phép đo giá trị thơng số Số thí nghiệm lặp lại n = [1] Bước 2: Sau thí nghịêm xong, tiến hành xác định độ tin cậy ảnh hưởng yếu tố tới suất chi phí lượng riêng Đánh giá tính phương sai q trình thí nghiệm, để chứng tỏ ảnh hưởng khác thơng số cần xét khơng có khơng đáng kể 15 Thuật tốn phân tích phương sai để xác định độ tin cậy tính [3] sau: Đánh giá đồng phương sai Kiểm tra tính đồng phương sai theo tiêu chuẩn Kohren Gtt S max N S u 1 (2.1) u S max - Phương sai lớn N thí nghiệm mu S (Yui Yu ) mu i 1 u (2.2) mu - Số lần lặp lại điểm thí nghiệm yui – Giá trị thông số điểm u Yui - Giá trị trung bình thơng số điểm u y mu mu y i 1 ui u = 1,2,3, N (2.3) Ứng với N điểm thí nghiệm kế hoạch thực nghiệm ta có N phương sai S u2 Trong ln có giá trị S max Gtt - Chuẩn Kohren tính tốn theo thực nghiệm Trong bậc tự tử số m mẫu số K = N(m-1) M - số lần lặp lại thí nghiệm (có phương sai cực đại, m = mu) Giá trị thống kê chuẩn Kohren tính sẵn theo mức ý nghĩa α, bậc tự γ kí hiệu Gb tra bảng [3] Nếu Gtt