Bài nghiên cứu giới thiệu kỹ thuật chuyển sinh khối thành viên nhiên liệu bằng cách nén trấu, mùn cưa dưới tác dụng nhiệt, viên nhiên liệu được đốt hoặc đồng đốt với than trong các lò hơ
Trang 1NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT VIÊN NHIÊN LIỆU
TỪ BIOMASS
RESEARCH MANUFACTURE OF PELLET FROM BIOMASS
SVTH: HOÀNG NGUYỄN THU HÀ
Lớp 03N2- Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng
GVHD: TS NGUYỄN THANH QUÁNG
Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng
Tóm tắt:
Việt nam là một nước nông nghiệp và hàng năm thải ra một lượng lớn đến hàng chục triệu tấn các chất phế thải(sinh kh ối) như trấu, bã mía, vỏ hạt điều, mùn cưa, rơm Sử dụng nguồn sinh khối này một cách thích hợp để sản xuất nhiệt và điện năng sẽ đem lại cơ hội mới cho Nông nghiệp, cải thiện an ninh năng lượng, và mang lại lợi ích cho môi trường và xã hội Bài nghiên cứu giới thiệu kỹ thuật chuyển sinh khối thành viên nhiên liệu bằng cách nén trấu, mùn cưa dưới tác dụng nhiệt, viên nhiên liệu được đốt hoặc đồng đốt với than trong các lò hơi, nhà máy điện hoặc sử dụng trực tiếp ở hộ gia đình
Abstract:
Vietnam is agricultural country and annual release of agricultural waste(Biomass), such as rice husk, bagasse, cashew shell, wood sawdust, straw… may be amount of many decade millions tones Using Biomass ressonable for heat and electricity will provide new opportunities for agricultural, improve energy security, and bring environmental and social benefits This research introduces a conversion technology biomass into pellets fuel, that are made by compressing rice husk, sawdust in the presence of heat to produce small blocks that can be fired, co-fired in boilers, power stations or used directly in home heating units
1 Mở đầu:
Sử dụng hiệu quả năng lượng sinh khối đang là vấn đề được quan tâm trên thế giới nhằm giảm một phần sức ép về sử dụng nhiên liệu Sinh khối ở nước ta có nhiều dưới dạng phế thải nông nghiệp (trấu, rơm,vỏ lạc ), phế thải của sản xuất, chế biến gỗ (mùn cưa, dăm bào, gỗ vụn ) Ngoại trừ mía đường thì các nguồn sinh khối khác ở Việt Nam vẫn chưa được khai thác sử dụng hiệu quả Hiện nay trên thế giới đã nghiên cứu và ứng dụng phát triển công nghệ sản xuất viên nhiên liệu và đã tìm được thị trường thương mại rộng lớn Sử dụng viên nhiên liệu từ Biomass vừa tận dụng lượng phế thải từ Nông Nghiệp, giảm chi phí vận chuyển
và lưu trữ, có thể sử dụng làm chất đốt cho nhiều loại lò công suất vừa và nhỏ, vừa cắt giảm năng lượng hoá thạch, tiết kiệm chi phí sản xuất, nhiệt trị cao, tăng chất lượng quá trình cháy, giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính Việc đầu tư nghiên cứu và ứng dụng phát triển công nghệ sản xuất tạo viên ở nước ta đang mở ra hướng sử
dụng năng lượng mới từ biomass trong các hệ thống cháy
cũng tốt như các nguồn năng lượng khí, hơi nước,nhiệt
…khác, mang lại lợi ích môi trường và đảm bảo an ninh
năng lượng cho các quá trình phát triển kinh tế bền vững
2 Nội dung:
2.1 Sử dụng sinh khối và viên nhiên liệu trên thế giới và
ở Việt Nam:
Phụ phẩm thừa từ Nông nghiệp bao gồm: vỏ trấu
(100 triệu tấn), mùn cưa(250 triệu tấn), vỏ lạc (4,5 triệu
Bảng 1.2 Sử dụng viên nhiên liệu ở một số nước trên thế giới
Thụy Điển 1.400.000
Trang 2rơm rạ… (số liệu thế giới năm 1987) Theo thống kê 60% lượng này là ở các nước đang phát triển và hầu hết bị thải ra môi trường Nén tạo viên nhiên liệu là cách biến hàng triệu tấn biomass này thành năng lượng để sản xuất phục vụ đời sống, sản xuất vừa và nhỏ cho thương mại và sản xuất điện với quy mô vài trăm MWh, thị trường viên năng lượng ngày càng sôi động ở nhiều quốc gia trên thế giới
Việt Nam từ khi gia nhập
WTO đã mở rộng thị trường hợp tác
đầu tư, mở ra cơ hội thách thức cho
tất cả các ngành kinh tế, đặc biệt là
Nông Nghiệp với nhiều mặt hàng
xuất khẩu chủ lực: thóc gạo, gỗ, cà
phê… Do đó lượng phế thải sẽ tập
trung quy mô lớn và nhu cầu cần xử
lý sao cho có hướng tốt nhất để phát
triển tiềm năng sinh khối từ đó
mang lại Lượng phụ phẩm sinh ra ở
một số vùng do tác giả tính toán ở
bảng 2.2 Khoảng 10% phụ phẩm
này được sử dụng làm chất đốt tại chỗ như ở lò gạch, lò nấu nướng hộ gia đình nông thôn, 5%
là nhiên liệu công nghiệp (trấu, bã mía) để sản xuất nhiệt cục bộ trong lò hơi, hệ thống sấy,3% làm thức ăn gia súc, làm hương liệu, phân bón cho đất… Hơn 80% còn lại là thải ra môi trường, đổ xuống kênh, sông, hoặc đốt trụi hoàn toàn Tại ĐBằng SCL việc đốt trấu để lấy nguyên liệu sản xuất điện được một số tỉnh thành như Cần Thơ, An Giang tính đến vì sản xuất 1KW điện cần 2kg trấu, hoặc sử dụng thay dầu FO tiết kiệm chi phí 3 lần, trong khi đó giá nhiên liệu trấu, mùn cưa cực rẻ khoảng 100-300 đ/kg so với than đá là 2.400 đ/kg Công suất phát nhiệt tương đương của một số nhiên liệu biomass so với than, các giá trị chỉ rõ để sinh ra 1kWh nhiệt thì cần bao nhiêu kg nhiên liệu được tính toán ở bảng 3.2
Bảng 3.2 Công suất nhiệt phát ra tương đương
mía
điều
Mùn cưa Rơm Than
cám Phát nhiệt tương đương b,
kg/kWh
Hiện nay đơn vị Calofic Cần thơ đặt hàng thiết bị nén viên nhiên liệu từ trấu sản xuất theo công nghệ Nhật Bản đang mở ra thị trường cho viên nhiên liệu
2.2 Đặc điểm viên nhiên liệu:
Nếu tập trung lại trấu, mùn cưa là nguồn năng lượng mới có thể thay thế cho than (bảng 4):
+ Lượng nhiệt sinh ra đủ lớn để sử dụng cho mục đích phát nhiệt điện liên tục
+ Có thành phần cháy như năng lượng truyền thống
+ Có thể xác định các thiết bị kỹ thuật để tận dụng nhiệt của nó
Bảng 4.2 Thành phần phế phẩm và so sánh than
Thành phầnKL Qtlv
(MJ/kg)
(kg/m3)
Bảng 2.2 Lượng phụ phẩm ở Việt Nam Phụ phẩm Tổng cả nước >11 triệu tấn
ĐBsông Cửu Long 3,7 triệu tấn
ĐB Bắc Trung Bộ 0,76 triệu tấn
DH Nam Trung
Bộ
0,68 triệu tấn
Miền Trung 1,15 triệu tấn Tây Nguyên 2,5 triệu tấn
Cà phê Tây Nguyên 0,3 - 0,5 triệu tấn
Trang 3Viên nhiên liệu được tạo từ phụ phẩm là viên hình trụ đưòng kính 6- 8mm, dài không quá 38mm, độ ẩm cao hơn 2 lần, nhiệt trị thấp hơn 1,2 lần với các đặc điểm sau:
+Khối lượng riêng tăng 5-10 lần, giảm chi phí vận chuyển lưu trữ
+Tăng chất lượng quá trình cháy do độ ẩm thấp
+Giảm lượng CO2,SO2, giảm hiệu ứng nhà kính (xem bảng 5.2), lượng chất thải trung bình 1,2g so với tiêu chuẩn Mĩ là 7,5g/h
Bảng 5.2:Lượng CO2 tiết kiệm
+Sản xuất nhiệt hơn do nhiệt lượng trong viên nhiên liệu cao
88130 kCal/h so với than 17600- 22700 kCal/h
+Sử dụng chất đốt rất thuận lợi, chất lượng đồng nhất, có thể
đốt ở nhiều loại lò khác nhau từ đốt lấy nhiệt ở lò
hộ gia đình đến lò hơi công suất vừa và nhỏ,giá thành nhiên liệu
giảm
2.3 Đặc điểm công nghệ tạo viên:
Áp suất quá trình nén từ 30- 150 Mpa, áp suất cao sẽ giải
phóng lượng Lignin(chiếm khoảng 15% khối lượng vật liệu) liên kết các thành phần tế bào Nếu không đạt được áp suất thì có thể thêm
chất phụ gia, tuỳ loại sinh khối sử
dụng làm viên nhiên liệu.Phụ gia có thể là hợp
chất hữu cơ rẻ tiền như nước mật, bột…Tuỳ
thuộc thành phần vật liệu, kích thước, độ ẩm,
quá trình tạo viên mà áp suất khác nhau
Hình1 Quan hệ giữa áp suất và mật độ viên
-Áp suất thấp từ 1-5 Mpa
-Áp suất trung bình từ 5-100 Mpa
-Áp suất cao trên 100 Mpa
-Áp suất cao nhất của quá trình nén 450 Mpa
Mật độ viên nhiên liệu bị ảnh hưởng
bởi kích thước đầu vào, nguyên vật liệu càng
mịn, mật độ càng dày từ 700- 1200 kg/m3
Đường kính của nguyên vật liệu <1mm thì quá
trình tạo viên tiết kiệm năng lượng đến 3 lần
Độ ẩm cũng ảnh hưởng đến mật độ vì hơi nước trong vật liệu bay hơi tạo khoảng trống, giảm mật độ đột ngột dẫn đến tan rã viên, độ ẩm thích hợp là 13-15% tuỳ loại nhiên liệu
2.4 Dây chuyền sản xuất viên nhiên liệu từ Biomass:
Phương pháp sản xuất viên nhiên liệu đã được tiêu chuẩn hoá và xây dựng thành hệ thống hoàn chỉnh (hình2.2) và các quá trình và thiết bị chính để tạo viên trong bảng 6.2
Bảng 6.2.Các quá trình và đặc điểm
tăng nhiệt
độ vật liệu
Vật liệu có độ ẩm
<15%, nhiệt độ
>700C
Lò hơi, tbị sấy thùng quay, xiclon, quạt, đường ống gió
Lò hơi đốt bằng nhiên liệu biomass
thước vật liệu
vật liệu đường kính
<1mm,d*r <3*3mm
Thùng nghiền,quạt, đường ống gió, xiclon lọc bụi
lượng cho quá trình nén 3 lần
Nhiên liệu Tiết
kiệm
CO2
Khí Gas 549 lbs Viên NL 8872 lbs
densit
y
Trang 4Nén Tạo viên
nhiên liệu Viên nhiên liệu có đường kính từ 6-8
mm,chiềudài<38mm
Máy tạo viên, tbị gầu tải, thùng chứa liệu,cấp dầu tự động
quyết định chất lượng viên nhiên liệu
phẩm cuối cùng có chất lượng tốt
Viên nhiên liệu có
độ ẩm từ 10- 12 %
thiết bị tháp làm mát, xiclon khử bụi, máy sàng lọc
sản phẩm có hình thứcđẹp, thời gian lưu trữ dài
**Quá trình nén tạo viên yêu cầu sức ép rất lớn, lực tác dụng cần thắng được lực đàn
hồi của vật liệu, sau đó dưới tác dụng của sức ép và nhiệt nén tạo viên Đây là giai đoạn khó nhất quyết định chất lượng viên nhiên liệu Một số phương pháp nén trong bảng 7.2:
Bảng 7.2.PP nén viên nhiên liệu:
Áp suất QT Mô tả quá trình Nén bằng pittông
cơ khí
110 – 140 MPa
Nén bằng pittông
thuỷ lực
>30MPa
Nén bằng trục vít 60 – 100 MPa
Nén bằng rulô 206 – 448 MPa
Hình2.Sơ đồ hệ thống sản xuất viên nhiên liệu
Trang 52.5 Chế tạo thử nghiệm:
Hệ thống cấu tạo như hình 3.2, vật liệu liên tục được đưa qua phễu vào xylanh, pittơng chuyển động lên xuống nhờ cơ cấu địn bẩy nén vật liệu liên tục trong xylanh, dưới sức ép của pittơng, lớp vật liệu nén thành viên và ra ngồi
Các lực chính trong quá trình tạo viên:
+Lực pittơng(P2) : lực này do địn bẩy tác động lên pittơng nén vật liệu thành viên và đẩy vật liệu ra ngồi
+Lực ma sát của xylanh: lực này ngăn dịng vật liệu ra ngồi làm nĩ kết dính lại thành viên
Hình 3 Thiết bị nén tạo viên nhiên liệu L1=10cm
L2=73cm H1=3cm H2=8cm D1=8mm D2=16mm
Trong quá trình thực nghiệm, ta xác định được cùng lượng mùn cưa, khi lực tác dụng càng lớn thì mật độ viên càng tăng Hình 4 biểu diễn mật độ và độ vụn của viên phụ thuộc vào lực nén tác dụng vào pittơng khi cùng một lượng mùn cưa cho một lần nén tạo viên là 2g, độ
ẩm thích hợp cho quá trình nén là 15%
Độ vụn của viên phụ thuộc
vào lực nén
0
5
10
15
20
25
30
0
1000 2000 3000 4000 5000 6000Lực nén P (N)
Mật độ viên phụ thuộc vào lực nén
0 200 400 600 800 1000 1200
Lực nén P(N)
Hình4 Độ vụn và mật độ viên phụ thuộc vào lực nén
Sau quá trình nén tạo viên nhiên liệu, sản phẩm tạo ra cĩ hình dáng, kích thước như hình 5.2 Sản phẩm bền, khi thả từ độ cao 21cm khơng vỡ, khi đốt sản phẩm bắt lửa nhanh, cháy hồn tồn, khi đốt từ 10 viên trở lên sẽ tạo ngọn lửa vàng cháy rất mạnh và cao, thời gian cháy khoảng 5 phút
1 HT đòn bẩy
2 Cánh dẫn hướng
3 Pittông
4 Xylanh
5 Lỗ tạo viên
Trang 6Hình 5.2Viên nhiên liệu từ mùn cưa và quá trình cháy
3 Kết luận:
Với tốc độ tăng trưởng kinh tế hơn 8,5% năm 2007, thị trường cung cầu năng lượng ở Việt Nam đang ngày càng sôi động, viên nhiên liệu từ biomass với những đặc điểm hiệu quả cháy cao hơn, sản xuất nhiệt nhiều hơn, là nhiên liệu cháy sạch, không gây bụi bẩn, không gian lưu trữ nhỏ, dễ sử dụng, có thể đốt ở nhiều loại lò với công suất khác nhau, và do tận dụng nguồn phế thải từ Nông Nghiệp nên giá thành nhiên liệu rẻ, tiết kiệm chi phí nhiên liệu
…có khả năng thay thế cho các nguồn năng lượng hoá thạch trong các quá trình sản xuất Tuy nhiên, ở Việt Nam vẫn chưa có sự đầu tư và phát triển công nghệ sản xuất viên nhiên liệu từ biomass dạng công nghiệp Kết quả nghiên cứu này là cơ sở để xây dựng dây chuyền sản xuất viên nhiên liệu ứng dụng thực tế, chế tạo máy tạo viên và nắm bắt công nghệ sản xuất mang lại nhiều lợi ích kinh tế và góp phần lớn bảo vệ môi trường
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Trang web về pellet-process của FAO http://www.FAO.Org/Introduction
[2] Trang web về pelltizing của Đức http:// www.agico.com.cn
[3] Nguyễn Thanh Quang_ “Phát điện phụ phẩm Nông Nghiệp”_Tạp chí Khoa nhiệt
