Nghiên cứu sử dụng vỏ hạt mắc ca làm chất Đốt

Nghiên cứu sử dụng vỏ hạt mắc ca làm chất Đốt Nghiên cứu sử dụng vỏ hạt mắc ca làm chất Đốt Nghiên cứu sử dụng vỏ hạt mắc ca làm chất Đốt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN HOÀNG KHÁNH

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VỎ HẠT MẮC CA LÀM CHẤT ĐỐT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HÀ NỘI –2023

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN HOÀNG KHÁNH

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VỎ HẠT MẮC CA LÀM CHẤT ĐỐT

Chuyên ngành : Kĩ thuật môi trường

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Nguyễn Hồng Lân PGS TS Nguyễn Mạnh Khải

HÀ NỘI – 2023

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Hồng Lân và PGS.TS Nguyễn Mạnh Khải đã giao đề tài, nhiệt tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Xin bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể các thầy, cô công tác trong Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã truyền đạt những kiến thức quý báu và tạo điều kiện học tập cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu tại trường

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Tài Nguyên và Môi trường, Viện hàn lâm khoa học Công Nghệ Việt Nam và Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hỗ trợ nhiệt tình trong quá trình thực hiện nghiên cứu tại đây

Hà Nội, ngày tháng năm 2023

Nguyễn Hoàng Khánh

1.2.Tổng quan về năng lượng sinh khối 14

1.2.1.Khái niệm và phân loại nhiên liệu sinh khối 14

1.2.2.Lợi ích của năng lượng sinh khối 16

1.2.3.Công nghệ sản xuất viên nén sinh khối 21

1.2.4.Các loại bếp sử dụng chất đốt sinh khối 25

1.2.5.Hiện trạng sử dụng nhiên liệu sinh khối trên thế giới và ở Việt Nam 31

1.3.Nhu cầu năng lượng trên thế giới trong tương lai 41

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 42

2.1 Mục tiêu nghiên cứu 42

2.2 Nội dung nghiên cứu 42

2.2.1 Nghiên cứu về quá trình sản xuất viên nén 42

2.2.2 Nghiên cứu đánh giá hiệu quả viên nén 42

2.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 42

2.4 Đối tượng nghiên cứu 43

2.5 Phương pháp nghiên cứu 43

2.5.1 Phương pháp sử dụng trong phòng thí nghiệm 43

2.5.2 Phương pháp chế tạo viên nén 46

2.5.3 Phương thức đánh giá hiệu quả viên nén 46

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 49

3.1 Đặc tính sinh khối của vỏ hạt mắc ca 49

3.2 Tiềm năng sử dụng vỏ hạt mắc ca làm chất đốt 52

3.3 Quá trình chế tạo viên nén vỏ hạt mắc ca 56

3.4 Đánh giá khối lượng riêng của viên nén 63

3.5 Đánh giá nhiệt trị của viên nén 64

3.6 Đánh giá độ tro và thành phần hóa học của viên nén 66

3.7 Đánh giá khí thải sinh ra khi đốt viên nén 66

3.8 Đánh giá khả năng chịu nước của viên nén 69

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70

DANH MỤC THAM KHẢO 72

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

1 SIDA : Swedish International Development Cooperation Agency ( Tổ chức hợp tác phát triển quốc tế Thụy Điển)

2 NLSK : Năng lượng sinh khối

3 TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam

4 SEM : scanning electron microscope ( Kính hiển vi điện tử quét)

Hình 5 Các sản phẩm của cây mắc ca tại Nam Phi 13

Hình 6 Các sản phẩm nhiên liệu sinh khối phổ biến 16

Hình 7 Năng lượng sinh khối 18

Hình 8 Nhà máy sử dụng năng lượng sinh khối 19

Hình 9 Một số loài cây có thể sử dụng làm năng lượng sinh khối 20

Hình 10 Quy trình sản xuất nhiên liệu sinh khối 22

Hình 11 Máy sản xuất viên nén sinh khối 23

Hình 12 Máy nén thủy lực 25

Hình 13 Nguyên lý khí hóa 26

Hình 14 Một số bếp được cải tạo để sử dụng củi trấu 27

Hình 15 Bếp khí hóa hoàn toàn 28

Hình 16 Sơ đồ nguyên lý của bếp khí hóa hoàn toàn 29

Hình 17 Sơ đồ cấu tạo của bếp khí hóa không hoàn toàn 30

Hình 18 Một số loại bếp đun viên nén 30

Hình 26 Máy đo khí thải Testo 350 48

Hình 27 Viên nén được phun nước xung quanh 49

Hình 28 Hoa và quả Mắc ca non 49

Hình 29 Bên trong quả mắc ca đã trưởng thành 50

Hình 30 Hình ảnh SEM bề mặt vỏ hạt mắc ca 51

Hình 31 Vườn mắc ca 52

Hình 32 Bản đồ phân bố diện tích trồng Mắc ca tại Việt Nam năm 2021 54

Hình 33 So sánh năng suất hạt Mắc ca 55

Hình 34 Vỏ hạt mắc ca được thu hoạch đã tách khỏi từ nhân 57

Hình 35 Vỏ hạt mắc ca sau khi nghiền 57

Hình 43 Mô phòng kích thước viên nén 63

Hình 44 Biểu đồ so sánh nhiệt trị của một số nhiên liệu 65

Hình 45 Hình ảnh 3 viên nén vỏ hạt mắc ca được phun nước xung quanh mới lượng nước từ trái qua phải lần lượt là 20 ml, 30 ml và 40 ml 69

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Tính chất hoá - lý của đất ở các khu vực khảo nghiệm 8

Bảng 2 Đặc điểm của quả mắc ca 10

Bảng 3 Thành phần hóa học của quả mắc ca theo thời điểm thu hoạch 11

Bảng 4 Tiềm năng sinh khối gỗ năng lượng 20

Bảng 5 Tiềm năng sinh khối phụ phẩm nông nghiệp 21

Bảng 6 Tổng sản lượng năng lượng sinh khối của một số nước qua các năm 31

Bảng 7 Đặc tính lý hóa của vỏ hạt mắc-ca 51

Bảng 8 Diện tích trồng Mắc ca tính đến tháng 5/2021 53

Bảng 9 Sản lượng mắc ca theo vùng (tấn) 55

Bảng 10 Kết quả đo độ bền cơ học theo từng điều kiện 62

Bảng 11 Thành phần khối lượng của một số loại viên nén có trên thị trường [16] 64Bảng 12 Kết quả nhiệt trị và thành phần tại vỏ hạt mắc ca 64

Bảng 13 Kết quả hàm lượng tro và thành phần hóa học của vỏ hạt mắc ca và một số loại năng lượng khác có trên thị trường 66

Bảng 14.Kết quả đo của viên nén vỏ hạt mắc ca 66

Bảng 15 Nồng độ bụi và các chất vô cơ theo QCVN 19: 2009 67

Bảng 16 Nồng độ tối đa cho phép áp dụng tại thành phố Hà Nội 68

Bảng 17 Thông số ô nhiễm của một số loại nhiên liệu khác 68

Tình hình giá dầu trên thế giới bất ổn nhất là từ sau cuộc chiến tranh giữa Nga

và Ukraine đã buộc nhiều quốc gia mang tính đột phá trong việc tìm kiếm nguồn nhiên liệu thay thế xăng dầu truyền thống Nguồn năng lượng sinh học được xem là một lĩnh vực mới mẻ Một dạng năng lượng mà thế giới có thể sử dụng lâu dài trong thời gian tới là Biomass (năng lượng sinh khối, hay năng lượng từ vật liệu hữu cơ) Biomass - sinh khối là nguồn năng lượng hoá học, tích luỹ từ nguồn năng lượng từ mặt trời trong thực vật qua quá trình quang hợp Sinh khối là các phế phẩm, phụ phẩm sau thu hoạch nông nghiệp, trong quá trình chăn nuôi gia súc, gia cầm, các phế liệu của các 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…

Loại nhiên liệu này có nhiều ưu điểm với các loại nhiên liệu truyền thống (dầu khí, than đá…) đó là: tính chất thân thiện với môi trường, chúng sinh ra ít hàm lượng khí gây hiệu ứng nhà kính (một hiệu ứng làm trái đất nóng lên) và ít gây ô nhiễm môi trường như các loại nguồn nhiên liệu truyền thống, loại nhiên liệu tái sinh, các loại nhiên liệu này lấy từ hoạt động sản xuất nông lâm nghiệp và có thể tái sinh Chúng giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn tài nguyên nhiên liệu không tái sinh truyền thống Tuy nhiên, hiện nay vấn đề sử dụng năng lượng sinh học vào đời sống còn nhiều hạn chế do chưa hạ được giá thành sản xuất xuống thấp hơn so với nhiên liệu truyền thống Trong tương lai khi nguồn nhiên liệu truyền thống cạn kiệt, thì nó có thể là nguồn nhiên liệu thay thế cho nguồn nhiên liệu truyền thống đó

Hiện nay, hạt mắc ca đang được trồng nhiều là ở Việt Nam vì có nhiều lợi ích đến sức khỏe con người Tuy nhiên vỏ hạt của loại hạt này thường bỏ đi chưa được

2 tận dụng những lợi ích mà chúng có thể đem lại Vậy nên luận văn này sẽ đưa ra quá trình thử nghiệm chế tạo viên nén từ vỏ hạt cây mắc ca và đánh giá hiệu quả của viên nén này mang lại Việc áp dụng được năng lượng sinh khối này có thể giúp giảm giá thành hạt mắc ca trong tương lai và giảm được lượng rác thải ra môi trường

3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về cây mắc ca

1.1.1 Giới thiệu về cây mắc ca

a) Giới thiệu chung về cây mắc ca

Mắc ca tên khoa học là Macadamia, thuộc chi Macadamia, họ Proteaceae là

cây thực phẩm, quả khô, thân gỗ có giá trị kinh tế cao, gồm hai loài là: loài vỏ hạt

trơn (Macadamia integrifolia Maiden & Betche) và loài vỏ hạt sần (Macadamia

tetraphylla L Jhonson) và giống lai giữa hai loài này Cũng có thể phân biệt giữa 2

loài mắc ca này dựa vào số lá trên một đốt thân: với loài vỏ láng (Macadamia

integrifolia), trên mỗi đốt thân thường có 3 lá; loài vỏ nhăn (Macadamia tetraphylla)

thường có 4 lá trên mỗi đốt thân [14] Cây này là một loại có trái thương mại, có giá trị kinh tế cao, hạt chứa dầu cho thương phẩm gần giống hạt điều Đây là cây lấy quả nổi tiếng và đang trở thành cây trồng được quốc tế hoá như cà phê, ca cao, cao su… Hiện nay, nhu cầu sử dụng hạt mắc ca trên thế giới rất lớn và giá thành của loại sản phẩm này khá đắt Theo tính toán của các nhà khoa học, trồng mắc ca có thể đem lại lợi nhuận cao gấp 2 lần so với trồng chè, gấp 3 lần so với cây cà phê [15]

Hình 1 Quả mắc ca trên cây [1]

4 Cây mắc ca (Macadamia) được phát hiện từ cây hoang dại ở vùng rừng mưa nhiệt đới ven biển vùng Đông Nam bang Queensland và miền Bắc bang New South Wales trong phạm vi 250 - 310 vĩ độ Nam của Australia

Vào đầu năm 1857, nhà thực vật học nổi tiếng của Australia là B.F Von Mueller và nhà thực vật học Scotlen Walter Hill đã phát hiện loài cây này trong rừng cây bụi ở gần sông Pine của vịnh Moreton của Queensland, đặt tên là cây quả khô Australia ba lá (Macadamia temifolia F.Mueler), xếp các cây này thành một chi mới

là Mắc ca để kỷ niệm người bạn của ông là John Macadam

Mắc ca là loài thân gỗ, hệ rễ cọc kém phát triển, thân thẳng chia cành nhiều, trên thân có nhiều bì khổng (khi nhân giống bằng giâm hom có khả năng phát rễ từ các bì khổng); lá cứng, mép lá lượn sóng hoặc có răng cưa cứng nhọn như gai; hoa

tự bông đuôi sóc mọc ra từ cành 1,5 đến 2 tuổi, hoa lưỡng tính Macadamia ra hoa có

3 thời kỳ phát dục: thời kỳ ngủ nghỉ của mầm, thời kỳ vươn dài hoa và thời kỳ ra hoa Thời kỳ ngủ nghỉ biến động khoảng 50-96 ngày, thời kỳ vươn dài, kéo dài khoảng 60 ngày Thời điểm nở hoa sau khi phân hoá mầm hoa 136-153 ngày Ở Trung Quốc thời điểm nở hoa vào khoảng tháng 2 đến tháng 3, một số giống chậm hơn có thể đến tháng 4 [8]

Hình 2 Cây Mắc ca

5 Quả macadamia phát dục chia làm 5 giai đoạn, thời gian đầu sau ra hoa 30 ngày, quả non đường kính dưới 1 cm, phía ngoài vỏ quả màu xanh, bên trong xanh nhạt; thời gian sau ra hoa 40-50 ngày, đường kính 1,5 cm; thời gian sau ra hoa 50-60 ngày, đường kính quả khoảng 2 cm, lớp bên trong vỏ quả màu nâu nhạt, nhân quả đã nhìn rõ, màu trắng sữa; thời gian sau ra hoa 60-70 ngày, đường kính 2,5 cm,

vỏ quả dày, nhân hạt đã đậm đặc, màu trắng sữa; sau ra hoa 110-140 ngày, đường kính 3 cm, vỏ ngoài của quả mỏng đi, có lớp trong màu nâu vàng, quả cứng lên, đỉnh chóp có lỗ nảy mầm màu trắng, nhân quả màu trắng, cứng (dẫn theo Nguyễn Công Tạn, 2003) [8]

Quả hình trái đào, hoặc tròn như hòn bi, khi chín vỏ quả chuyển từ xanh sang nâu, vỏ khô tự nứt, bên trong chứa một hạt, hiếm khi có 2 hạt Nếu quả chỉ chứa 1 hạt thì hạt tròn như hạt nhãn Vỏ quả cứng và láng bóng như hạt sở, đường kính hạt khoảng 2-3 cm, trọng lượng tươi hạt khoảng 8-9 gam, tỷ lệ nhân 30-50%, tỷ lệ dầu trong nhân 71-80%

Hình 3 Bên trong quả Mắc ca

6

Đặc điểm sinh học

Cây mắc ca là cây ưa sáng, được trồng ở các quốc gia có khí hậu ẩm, cận nhiệt đới Cây có khả năng chịu hạn tốt, trong điều kiện thiếu nước tưới vẫn có thể sinh trưởng và phát triển bình thường Cây có biên độ sinh thái rộng, có thể chịu lạnh tới

- 4°C đối với cây con và – 6°C đối với cây trưởng thành, có thể chịu nóng tới 38°C

và chịu được sương giá 20 ngày Nhiệt độ tốt nhất để cây sinh trưởng và phát triển tốt nhất là từ 18 - 25°C Hầu hết các giống Mắc ca đều ngừng quang hợp ở 38°C Lượng mưa thích hợp từ 1.200 - 2.500 mm và phân bố đều Mắc ca ưa đất thịt nhẹ đến trung bình, đất ẩm đều quanh năm Đất có tầng canh tác sâu 1m, tơi xốp, thoát nước tốt, độ pH thích hợp từ 5 - 6 (Cây không ưa đất kiềm, đất phèn mặn, đất đá vôi, đất mắc galít, đất đá ong hoá hoặc thoái hoá nghiêm trọng) Vì vậy, từ xích đạo đến

vĩ tuyến 340 nếu chế độ mưa ẩm tốt, cây Mắc ca đều có thể mọc nhưng không hẳn là nơi nào cũng sinh trưởng tốt và cho sản lượng cao

Theo báo cáo của Trung tâm đa dạng Úc, Macadamia chịu đựng khô hạn, độ dốc và gió Theo nghiên cứu sinh thái của cây Macadamia sống ở nơi có nhiệt độ hàng năm 15-25°C, lượng mưa hàng năm 700-2600mm, pH từ 4,5-8 Macadamia phát triển tốt nhất trong khu vực rừng nhiệt đới, dọc theo bờ biển với độ ẩm cao và mưa nhiều Macadamia mọc tốt trên nhiều loại đất, nhưng không thành công trên bãi cát ven biển bạc màu, đất sét nặng hoặc rặng núi sỏi Sản lượng tốt trên đất sét pha mùn, thoát nước tốt và đất sét pha mùn cát Cây mắc ca được trồng trên khắp thế giới Theo thống kê năm 2006, có 8 quốc gia trồng nhiều nhất là: Australia (21.500ha), Nam Phi (8.579ha), Hawaii (7.408ha), Malawi (5.995ha), Goatamala (5.500ha), Brazil (4.722 ha), Kenya (4.348ha), Costa Rica (800ha) Mắc ca còn lại được trồng ở một số quốc gia khác như: Srilanca, Veneduela, Mexico, Zimbabue, Peru, Indonesia, Thái Lan, v.v

Nước láng giềng Trung Quốc bắt đầu nhập mắc ca vào trồng ở Đài Loan vào năm 1910 Năm 1940, nhập và trồng thử ở Quảng Đông Sau đó, có trồng thử ở Quảng Tây, Hải Nam, Vân Nam, Tứ Xuyên, Chiết Giang, Tô Giang Viện nghiên cứu cây Á

7 nhiệt đới Quảng Tây đưa Mắc ca vào nghiên cứu từ năm 1974, đến năm 1987 phát triển với diện tích đạt 200 ha Khu tự trị Quảng Tây có 400 ha cây Mắc ca, sản lượng hàng năm trên 60 tấn Tỉnh Vân Nam bắt đầu phát triển mạnh từ năm 1994, đến nay diện tích đã có tới 2.000ha Tỉnh Tứ Xuyên đã trồng được 200 ha (Nguyễn Công Tạn, 2003) [8]

Như vậy, cây mắc ca có phân bố khá rộng từ Nam bán cầu đến Bắc bán cầu Cây có thể sinh trưởng phát triển được trên rất nhiều quốc gia và vùng lãnh thổ từ châu

Úc, châu Mỹ, châu Á và thậm chí cả châu Phi Đặc biệt, cây Mắc ca được trồng khá nhiều ở Trung Quốc (nước láng giềng với Việt Nam) Mắc ca trồng ở Trung Quốc sinh trưởng và phát triển tốt, nhất là vùng sinh thái phía Nam Trung Quốc giáp với Việt Nam Đặc điểm phân bố này là một trong những cơ sở quan trọng trong việc lựa chọn giống Mắc ca thích nghi ở Lai Châu

b) Yêu cầu về sinh thái của cây Mắc ca

• Đất đai

Cây Mắc ca ưa đất thịt nhẹ đến trung bình, không chịu được điều kiện ngập úng, thời hạn úng ngập không quá 10 ngày, đất ẩm đều quanh năm, tầng đất sâu trên 1m, hơi chua, nếu giàu hữu cơ thì đỡ phải bón nhiều phân Mắc ca có thể sinh trưởng trên nhiều loại đất khác nhau như đất sét mùn pha cát, đất đỏ bazan, đất có nguồn gốc núi lửa, đất có lẫn đá ong và đất sét nặng; không ưa đất kiềm, đất phèn mặn, đất đá vôi, đất mắc ga lít, đất đá ong hoá hoặc thoái hoá nghiêm trọng Độ pH tối ưu cho cây sinh trưởng và phát triển từ 5 - 5,5 (theo Nguyễn Công Tạn, 2003) [8]

Độ dày tầng đất là một yếu tố quan trọng giúp bố trí cây trồng hợp lý và đây

là yếu tố ảnh hưởng đến khả năng sinh trưởng, phát triển và sản lượng quả của cây Mắc ca Tầng đất càng dày càng thuận lợi cho sinh trưởng phát triển của cây; là điều kiện để bộ rễ phát triển sâu, rộng đảm bảo được nước, nguồn dinh dưỡng và giá đỡ cho cây sinh trưởng và phát triển tốt

Theo một số kết quả nghiên cứu về cây mắc ca thì tiêu chuẩn đất trồng loài cây này có độ dày tốt nhất là >1 m và không có những yếu tố gây trở ngại cho sự phát

8 triển của bộ rễ như đá tảng, đá ong dày đặc

Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam thực hiện nghiên cứu khảo nghiệm cây Mắc ca trên 9 địa điểm: Ba Vì (Hà Nội), Uông Bí, Hoành Bồ (Quảng Ninh), Mai Sơn (Sơn La), Đại Lải (Vĩnh Phúc), Krong Năng (Đăk Lắc), Đăk Plao (Đăk Nông), Đồng Hới (Quảng Bình), Nam Đàn (Nghệ An), Cầu Hai (Phú Thọ) Đặc điểm đất đai trong các khảo nghiệm cây Mắc ca trên các vùng sinh thái là đất đồi, có độ dốc từ 5-100, thực bì chủ yếu cỏ tranh, cây bụi, Sim, Mua,… thuộc nhóm đất Feralit (Sơn La, Phú Thọ, ), đất đỏ Bazan (Đăk Nông, Đăk Lắc) riêng ở Ba Vì (Hà Nội) và Đại Lải (Vĩnh Phúc) trên đất sạn sỏi kết, tầng đất mỏng Các số liệu phân tích đất cho thấy đất chủ yếu đất chua (pH = 3,46-4,62), thiếu lân, kali và canxi Trong 9 địa điểm trồng tác giả đánh giá các chất dinh dưỡng như: đạm, lân, kali, canxi và magie đều thấp [4]

Bảng 1 Tính chất hoá - lý của đất ở các khu vực khảo nghiệm

%

Chất dễ tiêu

Cation trao đổi (1đl/100mg)

Thành phần cơ giới (%)

P205 K20

Ca ++

Mg ++

Al +++

2-0,02

0,02-0  0,002

Ba Vì 0-30 3,85 1,91 0,12 0,31 0,62 1,1 0,41 0,68 30,51 33,71 35,78 Uông Bí 0-30 4,11 2,12 0,8 0,37 0,79 0,1 0,58 3,86 62,02 14,37 4,61 Mai Sơn 0-30 3,91 3,15 0,12 3,32 7,2 0,81 0,67 4,26 7,15 22,1 70,84 Đại Lải 0-30 3,75 2,1 0,14 1,08 1,60 0,41 0,27 3,02 28,74 42,76 28,50 K.r Năng 0-30 4,29 3,77 0,14 5,15 4,47 0,45 2,21 1,31 22,32 24,5 52,92 Đắc Plao 0-30 3,77 2,89 0,18 0,92 5,97 0,38 0,31 3,69 23,96 31,51 44,53 Đồng Hới 0-30 4,62 1,03 0,07 0,92 0,68 0,41 0,13 0,21 4,46 37,25 18,2 Hoành Bồ 0-30 3,62 1,14 0,09 3,37 8,66 0,13 0,07 3,4 49,08 29,19 21,72 Nam Đàn 0-30 3,55 1,98 0,0 4,61 6,00 0,15 0,3 3,67 47,36 14,35 3,28 Cầu Hai 0-30 3,46 1,66 0,08 7,2 4,83 0,15 0,07 2,46 29,85 41,8 18,25

(Nguồn: Nguyễn Đình Hải, 2010 [4] )

Như vậy, qua một số kết quả nghiên cứu phân tích về đặc điểm thổ nhưỡng, đất đai ở các vùng khảo nghiệm trên cả nước cho thấy cây Mắc ca có thể sinh trưởng

và phát triển được ở những nơi có điều kiện đất xấu, nghèo chất dinh dưỡng Để nâng

9 cao khả năng sinh trưởng và đậu quả có thể bổ sung dinh dưỡng cho cây

• Địa hình

- Độ dốc là yếu tố quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả phát triển cây Mắc ca và ảnh hưởng đến bố trí cây trồng, sinh trưởng, sản lượng quả; tình trạng xói mòn, rửa trôi đất, việc áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật, chi phí sản xuất

- Độ cao: Cùng một vị trí nhưng độ cao khác nhau thì các điều kiện về môi trường khác nhau, ảnh hưởng của độ cao dễ dàng thấy được qua hiện tượng "song hành sinh học" theo độ cao Độ cao ảnh hưởng trực tiếp đến sinh trưởng, phát triển, sản lượng quả Mắc ca Mắc ca thích hợp với những vùng đất có độ cao từ 500-1.000

m so với mặt nước biển, tốt nhất ở độ cao khoảng 700 m (dẫn theo Nguyễn Công Tạn, 2003) [8]

• Khí hậu

- Khí hậu là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sinh trưởng, phát triển, sản lượng quả Mắc ca Trong nhân tố khí hậu thì các yếu tố nhiệt độ, lượng mưa đóng vai trò then chốt, ảnh hưởng trực tiếp đến sự ra hoa, kết quả của cây Mắc

ca, ngoài ra chế độ gió cũng ảnh hưởng đến bố trí vùng trồng Mắc ca

- Lượng mưa là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến sinh trưởng, phát triển cây trồng, là yếu tố ảnh hưởng đến sản xuất nên lượng mưa được lựa chọn là yếu tố để đánh giá tiềm năng phát triển trồng loài cây Mắc ca Theo một số kết quả nghiên cứu thì loài cây này thích hợp vùng có lượng mưa hàng năm trên 1.200 mm đến 2.500

mm và phân bố đều (dẫn theo Nguyễn Công Tạn, 2003) [8]

- Nhiệt độ được xem là yếu tố khí hậu quan trọng đối với cây trồng, nó quy định giới hạn tổng quát vùng thích nghi loài cây, đặc biệt là đối với quá trình sinh trưởng, ra hoa, đậu quả của cây Mắc ca Theo kết quả nghiên cứu thì khí hậu vùng trồng Mắc ca phải đảm bảo nhiệt độ trung bình tháng 10, 11 tốt nhất là 18°C, nhiệt

độ ban đêm tháng 10, 11 thấp hơn 12°C và cao hơn 22°C đều không thể hình thành

10 chồi hoa (Nguyễn Công Tạn, 2003) [8] Chế độ gió: Mắc ca là cây kỵ gió to và bão Mắc ca không có rễ cọc to, khoẻ, ăn sâu, chỉ có bộ rễ ngang tập trung ở tầng đất mặt nên độ bám kém, trong khi đó tán cây cao lớn, rất dễ bị đổ khi gặp gió to và bão Vì vậy, không nên trồng Mắc ca ở vùng có bão, sức gió từ cấp 7 trở lên

- Cây mắc ca được đưa vào trồng ở Việt Nam từ năm 1994, đến nay Việt Nam

là nước đứng thứ 11 trong số nước có diện tích Mắc ca lớn nhất thế giới [5]

- Khác với nhiều loại cây ăn quả khác như nhãn, vải, xoài…cây mắc ca ra quả bên trong tán cây chứ không mọc ở đầu cành Hoa của mắc ca có dạng hoa tự đuôi sóc phát dục qua 3 thời kỳ: thời kỳ hình thành mầm hoa, thời kỳ vươn dài của hoa và thời kỳ nở hoa Sau khi phân hóa mầm hoa đến khi mầm hoa lớn tới mức mắt thường nhìn thấy được, tùy từng vùng khác nhau thời kỳ này biến động từ 50 - 96 ngày Thời điểm nở hoa sau khi phân hóa mầm hoa thường là 136 - 153 ngày Số lượng hoa trên một cây đã thành thục (7 tuổi) khoảng 3 triệu hoa nhưng tỷ lệ đậu quả của mắc ca rất thấp chỉ đạt khoảng 0,3% - 0,4% [8] Quả mắc ca có đặc điểm như sau:

Bảng 2 Đặc điểm của quả mắc ca [9]

11

Hình 4 Quả mắc ca Bảng 3 Thành phần hóa học của quả mắc ca theo thời điểm thu hoạch [6]

hóa học (%)

Thời điểm thu hoạch

1.1.2 Giới thiệu về vỏ hạt mắc ca

Khi nói đến mắc ca không có gì là lãng phí, tất cả các phần của cây mắc ca đều

có thể được sử dụng ngay cả lớp vỏ hạt Ví dụ như ở Nam Phi sau khi thu hoạch hạt được tách khỏi vỏ mềm, hạt được sấy khô, đập vỡ vỏ cứng và thu lấy nhân để rang dầu hoặc rang khô Nhân thường được chế biến dưới dạng gói hạt snack và kẹo nhân mắc ca phủ sôcôla Toàn bộ các giá trị sử dụng của ngành mắc ca được ngành công nghiệp mắc ca của Nam Phi mô tả như sau:

13

Hình 5 Các sản phẩm của cây mắc ca tại Nam Phi [17]

Vỏ hạt mắc ca được sử dụng đầy đủ theo nhiều cách Nó có thể sử dụng như một cacbon hoạt động Nhờ hàm lượng dầu cao của mắc ca làm cho chúng cháy dần

và nóng có thể làm nhiên liệu nấu ăn tốt Vỏ hạt mắc ca được đốt ở nhiệt độ cao để tạo ra than và than hoạt tính Lớp vỏ cứng được xay nhỏ kết hợp với các chất hữu cơ khác tạo thành một thứ phân bón tuyệt vời, vừa có thể giữ ẩm, ngăn không cho cỏ dại phát triển và đồng thời cung cấp nguồn dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng Vỏ hạt Mắc ca được đốt ở nhiệt độ cao để tạo thành cacbon hoạt tính, thường được dùng để lọc nước và không khí [15]

Vỏ quả mắc ca có chứa hàm lượng chất xơ cao, đặc biệt là có chứa peptit nên

có khả năng ứng dụng vào sản xuất thức ăn chăn nuôi Vỏ quả mắc ca đặc biệt là vỏ quả khô có thành phần cellulose chiếm phần lớn, vỏ quả khô rất cứng, gây khó khăn trong việc nghiền nhỏ và cũng gây khó khăn trong quá trình tiêu hóa của vật nuôi Vì thế, có thể bổ sung thêm các loại enzyme cenllulase để phân giải bớt các thành phần

xơ cứng của vỏ mắc ca, giúp vật nuôi dễ tiêu hóa hơn [1]

14 Ngoài giá trị chính là nhân hạt có thể chế biến thành nhiều sản phẩm trong những ngành hàng khác nhau như thực phẩm, mỹ phẩm, thực phẩm chức năng… thì các sản phẩm từ các bộ phận khác của cây như vỏ mắc ca có thể làm phân bón, chất đốt… cũng mang lại nguồn lợi đáng kể, tạo thêm công ăn việc làm cho người sản xuất Toàn bộ các phần trong quả mắc ca đều có thể ứng dụng trong sản xuất Với giá trị dinh dưỡng như đã nêu trên, mắc ca nhanh chóng vương lên vị trí hàng đầu trong các loại hạt và được mạnh danh là “Hoàng hậu các loại hạt khô” Đặc biệt tại Việt Nam cây mắc ca được coi là “cây tỷ đô” đầy triển vọng, vì thế diện tích trồng mắc ca đang ngày càng được nhân rộng, hiện nay diện tích trông mắc ca đạt 2.000 ha và dự kiến đến năm 2020 sẽ có 30.000 ha tại Tây Bắc và 200.000 ha tại Tây Nguyên, đồng thời cũng cho sản lượng cao đạt đến 3 tấn/ha Nhưng hiện nay chúng ta chỉ tập trung vào nghiên cứu và khai thác sản phẩm chính là nhân mắc ca dẫn đến tình trạng là phần lớn các phụ phẩm còn lại của quả mắc ca như vỏ hạt và vỏ quả, chưa được khai thác và vận dụng một cách triệt để, vì vậy việc nghiên cứu xử lý và ứng dụng vỏ quả mắc ca là vô cùng cần thiết

Hiện nay có một số nghiên cứu trên thế giới sử dụng vỏ hạt mắc ca làm than hoạt tính [21] hay hỗ trợ quá trình làm pin lithium [27] giúp tận dụng nguyên liệu phong phú này

1.2 Tổng quan về năng lượng sinh khối

1.2.1 Khái niệm và phân loại nhiên liệu sinh khối

Nhiên liệu sinh khối [12] là năng lượng được tạo ra từ các vật chất nguồn gốc sinh học, chẳng hạn như cây cối tự nhiên, cây trồng công nghiệp, tảo và các loài thực vật khác, hoặc từ bã nông nghiệp, lâm nghiệp Ngoài ra, chất thải từ các hoạt động của con người như từ quá trình sản xuất thức ăn nước uống, bùn/nước cống, phân bón, sản phẩm phụ gia (hữu cơ) công nghiệp và các thành phần hữu cơ của chất thải sinh hoạt cũng là nguyên liệu sản xuất cho ngành này Nó được cấu tạo chủ yếu từ các hidrocacbon ( CxHyOz,…)

Hiện tại, nhiên liệu sinh khối được tạo thành từ hai nguồn:

• Một số dạng nhiên liệu sinh khối đang được sử dụng hiện nay:

− Phụ phẩm từ quá trình sản xuất nông nghiệp: Sau quá trình thu hoạch, các bộ phận của cây trồng sẽ được bỏ lại như rơm rạ, vỏ trấu, lõi ngô, Chúng có thể được

sử dụng bằng cách đốt trực tiếp, hoặc có thể chế biến thêm thành các dạng khác để

sử dụng

− Chất thải từ động vật: Trong quá trình chăn nuôi gia súc ( đặc biệt là nuôi heo), chất thải của chúng sẽ được thu gom lại Chúng sẽ được trải qua quá trình biến đổi yếm khí để tạo ra các chất khí có thể đốt được như metan ( CH4), etan ( C2H6)…

− Chất thải sinh hoạt của con người: Các hoạt động hàng ngày của con người phát sinh ra rất nhiều loại chất thải khác nhau, một trong số đó có thể được tái chế làm nhiên liệu sinh khối Tiêu biểu đó là rác thải sinh hoạt Chúng sẽ được sấy khô

và dùng làm nhiên liệu trong các nhà máy điện rác

Sinh khối là loại năng lượng đầu tiên mà con người sử dụng vì theo nguồn gốc của sinh khối, nguồn nguyên nhiên liệu để tạo ra chúng có ở khắp nơi trên Trái Đất Trong phần tiếp theo, chúng em xin phép đi vào tìm hiểu về công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh khối, cụ thể là các nhiên liệu sinh khối có nguồn gốc từ các phụ phẩm nông nghiệp

• Một số loại sản phẩm nhiên liệu sinh khối được sản xuất từ phụ phẩm

16

− Viên nén mùn cưa

Hình 6 Các sản phẩm nhiên liệu sinh khối phổ biến

a) Củi trấu ép b) Củi mùn cưa ép

c) Viên nén mùn cưa 1.2.2 Lợi ích của năng lượng sinh khối

Sinh khối chứa năng lượng hóa học, nguồn năng lượng tử mặt trời tích lũy trong thực vật qua quá trình quang hợp Sinh khối là các phế phẩm từ nông nghiệp (rơm rạ, bã mía, vỏ, xơ bắp v v ), phế phẩm lâm nghiệp (lá khô, vụn gỗ v.v…), giấy vụn, mêtan từ các bãi chôn lấp, trạm xử lý nước thải, phân từ các trại chăn nuôi gia súc và gia cầm Nhiên liệu sinh khối có thể ở dạng rắn, lỏng, khí… được đốt để phóng thích năng lượng Sinh khối, đặc biệt là gỗ, than gỗ (charcoal) cung cấp phần năng lượng đáng kể trên thế giới Ít nhất một nửa dân số thế giới dựa trên nguồn năng lượng chính từ sinh khối

Khác với các công nghệ năng lượng tái tạo khác, công nghệ năng lượng sinh khối không chỉ thay thế năng lượng hoá thạch mà nhiều khi còn góp phần xử lý chất

17 thải vì chúng tận dụng các nguồn chất thải để sản xuất năng lượng

Hiện nay trên quy mô toàn cầu, sinh khối là nguồn năng lượng lớn thứ tư, chiếm tới 14-15% tổng năng lượng tiêu thụ của thế giới Ở các nước đang phát triển, sinh khối thường là nguồn năng lượng lớn nhất, trung bình đóng góp khoảng 35%

trong tổng cung cấp năng lượng

(1) Lợi ích kinh tế:

Phát triển nông thôn là một trong những lợi ích chính của việc phát triển NLSK,

tạo thêm công ăn việc làm cho người lao động (sản xuất, thu hoạch…)

Thúc đẩy sự phát triển công nghiệp năng lượng, công nghiệp sản xuất các thiết

bị chuyển hóa năng lượng.v.v

Giảm sự phụ thuộc vào dầu, than, đa dạng hóa nguồn cung cấp nhiên liệu

(2) Lợi ích môi trường :

Đây là một nguồn năng lượng khá hấp dẫn với nhiều ích lợi to lớn cho môi trường

NLSK có thể tái sinh được

NLSK tận dụng chất thải làm nhiên liệu Do đó nó vừa làm giảm lượng rác vừa

biến chất thải thành sản phẩm hữu ích

Tuy nhiên, ta cần lưu ý rằng, nếu tăng cường sử dụng gỗ như một nguồn nhiên liệu sinh khối thì sẽ gây những tác động tiêu cực đến môi trường Khai thác gỗ dẫn đến phá rừng, xói mòn đất, sa mạc hóa và những hậu quả nghiêm trọng khác

Năng lượng sinh khối có nhiều dạng, và những ích lợi kể trên chủ yếu tập trung

vào những dạng sinh khối mang tính tái sinh, tận dụng từ phế thải nông lâm nghiệp

(3) Nguồn nguyên liệu dồi dào từ tự nhiên:

Trong tự nhiên, sinh khối bao gồm cây cối, cây trồng công nghiệp, tảo và các loài thực vật khác, hoặc là những bã nông nghiệp và lâm nghiệp (rơm rạ, bã mía, vỏ,

xơ bắp, lá khô, vụn gỗ v.v ), giấy vụn, mêtan từ các bãi chôn lấp, trạm xử lý nước thải, phân từ các trại chăn nuôi gia súc và gia cầm

18

Hình 7 Năng lượng sinh khối

Bên cạnh tiềm năng về phong điện, thủy điện, điện mặt trời, có thể nói, Việt Nam là nước có tiềm năng rất lớn về nguồn năng lượng sinh khối từ chất thải từ nông nghiệp, rác, nước thải đô thị phân bố rộng khắp trên toàn quốc, trong đó, một số dạng sinh khối có thể sản xuất điện hoặc áp dụng công nghệ đồng phát năng lượng (sản xuất cả điện và nhiệt) Lượng sinh khối khổng lồ này, nếu không được xử lý sẽ

là nguồn ô nhiễm lớn và phát sinh liên tục, gây nên những ảnh hưởng nghiêm trọng đến các hệ sinh thái (đất, nước và không khí) cũng như sức khỏe con người

19

Hình 8 Nhà máy sử dụng năng lượng sinh khối

Thêm vào đó, với sự phát triển sản xuất và đô thị hóa, sức chịu tải của các hệ sinh thái giảm đi, chắc chắn các xung đột môi trường liên quan sẽ gia tăng Với lợi thế một quốc gia nông nghiệp, Việt Nam có nguồn sinh khối lớn và đa dạng từ gỗ củi, trấu, bã cà phê, rơm rạ và bã mía

Phế phẩm nông nghiệp rất phong phú dồi dào ở vùng Đồng bằng sông Cửu Long, chiếm khoảng 50% tổng sản lượng phế phẩm nông nghiệp toàn quốc và vùng Đồng bằng sông Hồng với 15% tổng sản lượng toàn quốc Hằng năm tại Việt Nam

có gần 60 triệu tấn sinh khối từ phế phẩm nông nghiệp trong đó 40% được sử dụng đáp ứng nhu cầu năng lượng cho hộ gia đình và sản xuất điện, và theo số liệu tính toán, cứ 5 kg trấu tạo ra 1kWh điện, như vậy với lượng trấu hàng triệu tấn trấu mỗi năm thu lại được hàng trăm MW điện

20

Hình 9 Một số loài cây có thể sử dụng làm năng lượng sinh khối

Việt Nam có tiềm năng nhiên liệu sinh khối rất lớn đó là phụ phẩm chế biến nông lâm sản như rơm rạ, trấu, mùn cưa, bã mía …Ước tính trữ lượng của nhiên liệu sinh khối là 12GW/th Hiện nay các nhà máy đường đã sử dụng bã mía để đốt sinh hơi, tuy nhiên hết nguồn nhiên liệu sinh khối chưa được sử dụng hiệu quả Trên thế giới nhiên liệu sinh khối được khai thác và sử dụng rất hiệu quả nhằm giảm một phần sức ép về sử dụng nhiên liệu hóa thạch, giảm khí thải CO2…

Bảng 4 Tiềm năng sinh khối gỗ năng lượng

Nguồn cung cấp

Tiềm năng (triệu tấn)

Quy dầu tương đương (triệu tấn)

Tỷ lệ (%)

21

Bảng 5 Tiềm năng sinh khối phụ phẩm nông nghiệp

− Sử dụng cho các thiết bị công nghiệp, dân dụng, chủ yếu là làm nhiên liệu cho

lò hơi, qua đó tạo ra hơi để:

+ Sử dụng giặt là trong xưởng may

+ Hấp, sấy, thanh trùng, tiệt trùng trong các nhà máy thưc phẩm

+ Sử dụng trong nấu ăn họ gia đình bình thường hay nấu ăn trong công nghiệp + Sử dụng ở bể bơi bốn mùa, máng nước nóng cho khu vui chơi, và các khu nhà hàng khách sạn, trường học hay các khu phục hồi chức năng ở bệnh viện

+ Sử dụng trong các hệ thống làm bún, phở, bánh ướt và các loại thực phẩm khác

− Sử dụng thay thế rơm, rạ, trấu để lót chuồng trại, trang trại ( nuôi gà, lợn, bò, trâu,vv ) Tận dụng phần tro sau khi đốt xong để làm phân bón

1.2.3 Công nghệ sản xuất viên nén sinh khối [12]

a) Tổng quan về công nghệ sản xuất

Có nhiều loại sản phẩm nhiên liệu sinh khối được sản xuất từ phụ phẩm nông nghiệp, với hình dạng, đặc tính lý hóa khác nhau Do đó cũng có nhiều công nghệ

22 khác nhau để sản xuất ra chúng Hiện nay, những sản phẩm này gồm hai loại chính là: Củi sinh khối và viên nén sinh khối Các loại nhiên liệu này được sản xuất từ các dây truyền công nghệ với nguyên liệu đầu vào khác nhau Tuy nhiên, quy trình chung

để sản xuất chúng gồm ba công đoạn:

Hình 10 Quy trình sản xuất nhiên liệu sinh khối

− Công đoạn 1: Sấy khô nguyên liệu

+ Các loại phụ phẩm nông nghiệp trong tự nhiên thường có độ ẩm rất cao, khi đốt sẽ tạo ra nhiều khói và làm giảm hiệu suất Chính bởi vậy trước khi đưa vào sản xuất chất đốt sinh khối ta cần phải loại bỏ tối đa độ ẩm có trong nguyên liệu

+ Độ ẩm có thể được loại bỏ thông qua quá trình phơi sấy tự nhiên và sấy bằng máy Nguyên liệu đạt yêu cầu thường có độ ẩm nhỏ hơn 15%

− Công đoạn 2: Nghiền nguyên liệu

+ Trước khi được nén tạo hình thì nguyên liệu phải được nghiền nhỏ tới kích thước thích hợp (thường nhỏ hơn 1 mm) Các loại phụ phẩm nông nghiệp thường có kích thước không giống nhau nên quá trình nghiền sẽ giúp tạo ra sản phẩm đồng đều

23 b) Công nghệ sản xuất viên nén sinh khối

Viên nén sinh khối thường được sản xuất từ mùn cưa, dăm bào… có kích thước nhỏ (đường kính khoảng 6- 50 mm, độ dài từ 3-4 cm) Tùy thuộc vào nguyên liệu đầu vào mà công nghệ sản xuất khác nhau Nếu nguyên liệu là trấu thì dùng công nghệ nén trục vít; nguyên liệu là mùn cưa thì sử dụng công nghệ nén thủy lực

• Công nghệ sản xuất trục vít

❖ Nguyên lý hoạt động

Nguyên liệu được ép qua các ống khuôn có kích thước nhỏ bằng vừa đúng kích thước viên nén, các ống khuôn đều được gia nhiệt (đốt nóng) để tăng thêm nhiệt lượng cho mỗi viên nén được sản xuất, nguyên liệu được ép xuống các khuôn bằng con lăn,

Công nghệ này bao gồm 2 quá trình: Quá trình nén và quá trình gia nhiệt

− Nguyên liệu sẽ được nghiền nhỏ, sau đó được trải lên một mặt phẳng có những lỗ nhỏ

− Một con lăn lớn sẽ lăn trên bề mặt đó, nén nguyên liệu xuống những lỗ nhỏ

− Mặt phẳng này đồng thời được đốt nóng để gia nhiệt cho nguyên liệu

− Nguyên liệu sẽ được nén qua các lỗ nhỏ và tạo thành hình viên nén

Hình 11 Máy sản xuất viên nén sinh khối

24

❖ Mội số lưu ý khi sử dụng công nghệ nén trục vít

− Củi trấu thanh có lỗ ở giữa để thoát ẩm trong quá trình gia nhiêt Tuy nhiên

ở một vài trường hợp, trong quá trình nén thì lỗ thoát hơi ẩm bị bít lại khiến cho củi trấu thanh ở đầu nòng sẽ bay ra kèm theo tiếng nổ, vận tốc của thanh củi bay ra là rất lớn nên rất dễ gây ra nguy hiểm đối với con người Do đó khí lắp đặt các loại máy

ép củi trấu thì phải quay đầu máy vào tường để không gây nguy hiểm cho con người khi xảy ra sự cố

− Do hàm lượng silic trong trấu rất cao nên rất dễ gây bào mòn cho cánh trục vít Vì vậy mà phải thường xuyên thực hiện bảo dưỡng cho trục vít bằng cách dùng que hàn chuyên dùng hàn đắp lại

− Đối với máy ép trấu có nòng ép dài thì sau khi đắp cánh vít xong là có thể đưa vào chạy được, nhưng năng suất lúc đấy giảm đi một phần tư, sau một giờ đồng

hồ thì chỉnh lại thì máy đạt 100% sản lượng

− Đối với máy ép củi trấu có nòng ngắn thì các cánh vít khi đắp xong phải được mài lại cho nhẵn trước khi đưa vào chạy máy

• Công nghệ sản xuất nén thủy lực

Do đặc tính của mùn cưa là độ ẩm cao, chất Lignin để kết dính có hàm lượng

ít Vì vậy, công nghệ nén pittong thường được sử dụng trong nén viên mùn cưa hay những phụ phẩm nông nghiệp

Máy ép củi thủy lực thường thiết kế dạng trục ngang, cho khả năng ép nén công suất lớn

❖ Nguyên lý hoạt động

Máy nén thủy lực được chế tạo và hoạt động dựa trên định luật truyền áp suất trong chất lỏng, chỉ cần tác động lực nhỏ, nó có thể sản sinh một áp lực vô cùng lớn, giúp nén ép hiệu quả các loại củi trấu với năng suất cực cao

Nguyên liệu sẽ được đưa vào khuôn Sau đó pittong máy ép sẽ nén xuống để

ép chặt nguyên liệu vào thành dạng thanh dài

25

Hình 12 Máy nén thủy lực

• So sánh giữa công nghệ nén trục vít và nén thủy lực

− Công nghệ trục vít tiêu hao nhiều nhiên liệu hơn vì công nghệ này vừa phải

sử dụng trục quay để nén (cơ năng) và trục vít để gia nhiệt (nhiệt năng)

− Công nghệ pittong có chi phí đầu tư cao gấp 5 lần so với công nghệ trục vít nhưng lượng nhiên liệu tiêu hao để sản xuất củi lại giảm đi đáng kể

− Công nghệ pittong thủy lực có độ tự động hóa cao, vận hành đơn giản, tiêu tốn ít nhân công hơn

1.2.4 Các loại bếp sử dụng chất đốt sinh khối

Chất đốt sinh khối gồm nhiều loại khác nhau Một số có thể sử dụng thông qua các loại bếp đun truyền thống như: củi trấu,củi mùn cưa Một số loại có kích thước nhỏ như viên nén mùn cưa lại cần có các loại bếp chuyên dụng để phản ứng cháy xảy

ra với hiệu suất cao nhất

26 Nguyên lý chung của các loại bếp đốt nhiên liệu sinh khối là nguyên lý khí hóa “Khí hóa là biến đổi năng lượng rắn hoặc lỏng thành năng lượng khí (chất bốc)

và đốt cháy chúng để giải phóng năng lượng Trong quá trình khí hóa, chất đốt được gia nhiệt đến một nhiệt độ cao, dẫn đến thay đổi tính chất vật lý và hóa học, tạo ra các sản phẩm dễ bay hơi như CO, H2, CH4.”

Hình 13 Nguyên lý khí hóa

a) Các loại bếp sử dụng củi sinh khối

Củi trấu và củi mùn cưa là sản phẩm chất đốt sinh khối có kích thước lớn, độ bén cao, có thể sử dụng trực tiếp bằng các loại bếp đun than truyền thống hoặc sử dụng các loại bếp chuyên dụng để đạt hiệu suất cao hơn

Bếp đun thường có dạng hình trụ tròn, miệng bên trên hở, có hệ thống kiềng

đề đỡ xoong, nồi Gần bên dưới đáy có một lỗ thông khí để cung cấp không khí cho quá trình cháy Chúng ta có thể sử dụng quạt khò để ngọn lửa cháy mạnh hơn

❖ Nguyên lý hoạt động

Nguyên liệu sẽ được cho vào lòng bếp, sau đó được nhóm lửa Không khí sẽ được cung cấp thông qua lỗ thông khí bên dưới Quá trình cháy diễn ra và tạo ra nhiệt lượng

Do củi sinh khối có kích thước lớn nên khi sử dụng sẽ thường được đập nhỏ

ra để tiện sử dụng và cũng giúp tăng hiệu quả của quá trình cháy

Khác với việc đốt than – than có thể cháy trong thời gian dài mà không cần thay, củi sinh khối cháy rất nhanh và đòi hỏi phải thay liên tục Do đó, khi sử dụng các loại bếp có sẵn, ta nên cải tạo một phần bếp để nâng cao hiệu quả sử dụng Ví dụ như mở rộng lòng bếp để xếp được nhiều chất đốt, giúp giảm thiểu tối đa số lần thay năng lượng, hoặc xây viền bao xung quanh trên mặt bếp để ngăn hiện tượng bức xạ

27 nhiệt ra môi trường bên ngoài làm giảm hiệu suất Tùy vào điều kiện cũng như nhu cầu sử dụng, các hộ gia đình có thể cải tạo bếp sao cho phù hợp

Ngoài ra, trên thị trường hiện nay cũng sản xuất một số loại bếp được thiết kế riêng để sử dụng củi sinh khối, đa phần chúng được áp dụng nguyên lý khí hóa Các loại bếp này được thiết kế với công suất khác nhau phù hợp với từng nhu cầu sử dụng

So với các loại bếp truyền thống thì bếp đun chuyên dụng có hiệu suất cao hơn

do được áp dụng nguyên lý khí hóa, nhiệt năng ít bị thất thoát ra bên ngoài Tuy nhiên chi phí đầu tư của các loại bếp này là khá cao

Hình 14 Một số bếp được cải tạo để sử dụng củi trấu [11]

b) Các loại bếp đun viên nén sinh khối

Viên nén sinh khối được làm chủ yếu từ mùn cưa, dăm bào, bã mía…, được nén với kích thước nhỏ thích hợp cho việc sử dụng trong gia đình để nấu ăn, đun nước nóng… Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều loại bếp thiết kể để sử dụng viên nén sinh khối Nguyên lý chung của các loại bếp này đều là nguyên lý khí hóa Có hai loại bếp chính hiện nay là bếp khí hóa hoàn toàn và khí hóa không hoàn toàn

• Bếp khí hóa hoàn toàn

Khí hóa hoàn toàn tức là toàn bộ nhiên liệu tham gia phản ứng cháy đều được chuyển thành chất bốc Ưu điểm của các loại bếp này là hiệu suất cao, lượng tro còn lại thấp, tiêu hao ít năng lượng tuy nhiên chi phí đầu tư khá lớn

Cấu tạo của bếp khí hóa hoàn toàn gồm 4 bộ phận chính:

28

− Bình chứa nhiên liệu (hay còn gọi là lò sinh gas): Là nơi nạp năng lượng và đốt yếm khí gây phản ứng ô-xy hóa ở nhiệt độ cao sinh ra các chất bốc

− Bếp đốt: Dùng để đốt cháy chất bốc tạo ra nhiệt lượng

− Hệ thống ống van để khống chế tỉ lệ chất bốc và không khí giúp điều chỉnh ngọn lửa theo ý muốn

− Quạt thổi gió để cung cấp một lượng không khí mới vừa đủ để duy trì sự cháy yếm khí ở dưới đáy lò, tạo phản ứng ô-xy hóa sinh ra chất bốc trong nồi lò

Hình 15 Bếp khí hóa hoàn toàn

1.Bình chứa nhiên liệu 2.Bếp đốt 3.Hệ thống ống van 4.Quạt thổi gió

Tùy dung tích bình chứa mà giá bán các loại bếp này dao động từ 2-3 triệu đồng/bếp

❖ Nguyên lý hoạt động của bếp [13]

29

Hình 16 Sơ đồ nguyên lý của bếp khí hóa hoàn toàn

− Viên nén sẽ được cho vào buồng khí hóa, tại đây sẽ diễn ra quá trình cháy yếm khí Chất đốt sẽ được chuyển hóa thành chất bốc

− Chất bốc này sẽ được dẫn qua ống dẫn khí tới bếp đun đế tham gia vào quá trình đốt cháy hoàn toàn, sinh nhiệt lượng

• Bếp khí hóa không hoàn toàn

Khí hóa không hoàn toàn tức là chất tham gia phản ứng cháy không chỉ gồm chất bốc mà còn có cả chất cốc của năng lượng So với khí hóa hoàn toàn thì các loại bếp khí hóa không hoàn toàn có hiệu suất thấp hơn tuy nhiên cấu tạo lại đơn giản hơn, giá thành sản xuất thấp hơn

Cấu tạo của bếp khí hóa không hoàn toàn:

− Lòng bếp: Dùng để chứa năng lượng, tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng mà lòng bếp được thiết kế với các kích thước khác nhau Lòng bếp thường có một hàng

lỗ dưới đáy để cung cấp oxi cho quá trình khí hóa và hàng lỗ phía trên để cung cấp oxi cho quá trình cháy

− Quạt gió: Dùng để cung cấp oxi cho quá trình cháy và điều chỉnh ngọn lửa

− Vỏ bếp: Là phần cách nhiệt bao quanh long bếp, giúp bảo vệ long bếp và

an toàn cho người sử dụng

❖ Nguyên lý hoạt động:

30

− Viên đốt sẽ được cho vào lòng bếp, sau đó được nhóm lửa

− Quạt sẽ thổi gió từ dưới và xung quanh lòng bếp vào Quá trình cháy yếm khí sẽ diễn ra

− Viên đốt sẽ được chuyển hóa thành chất bốc, bay lên, gặp ngọn lửa và bị

cháy hoàn toàn tạo ra nhiệt lượng

Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều loại bếp khí hóa không hoàn toàn dùng

để đun viên nén sinh khối Chúng thường có kích thước nhỏ dùng để đun nấu thức

ăn, nước nóng trong gia đình

Hình 17 Sơ đồ cấu tạo của bếp khí hóa không hoàn toàn

Hình 18 Một số loại bếp đun viên nén

31 Nhiên liệu sinh khối là một loại năng lượng mới Do đó hiện nay chúng vẫn chưa được sử dụng rộng rãi Phần tiếp theo, em sẽ trình bày thực trạng sử dụng nhiên liệu sinh khối trên thế giới và ở Việt Nam

1.2.5 Hiện trạng sử dụng nhiên liệu sinh khối trên thế giới và ở Việt Nam

a) Trên thế giới

Hiện nay việc sử dụng năng lượng sinh khối chỉ chiếm 14,1% tiêu thụ năng lượng cuối cùng nên năng lượng sinh khối chưa được sử dụng phổ biến và rộng rã trong sinh hoạt cũng như sản xuất

Hiện nay trên thế giới hiện nay có khoảng 50 nước sử dụng năng lượng sinh khối với các mức độ khác nhau [20]

Các cường quốc trên thế giới chủ yếu đầu tư vào phát triển các chế phẩm sinh học được sản xuất từ sinh khối ( hạt ngô, hạt cọ, tảo biển) như xăng ethanol, dầu diesel sinh học,…Còn các quốc gia có thế mạnh về nông nghiệp hoặc chưa có đủ tiềm lực thì sẽ tập trung vào sản xuất các nhiên liệu sinh khối từ phụ phẩm nông nghiệp Dưới đây là sản lượng nhiên liệu sinh khối của một số quốc gia trên thế giới qua các năm:

Bảng 6 Tổng sản lượng năng lượng sinh khối của một số nước qua các