Nghiên cứu đánh giá tiềm năng và phương án công nghệ sử dụng năng lượng sinh khối các phụ phẩm nông nghiệp tỉnh Hải Dương

Nghiên cứu đánh giá tiềm năng và phương án công nghệ sử dụng năng lượng sinh khối các phụ phẩm nông nghiệp tỉnh Hải Dương

Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009 Trần Thị Quỳnh DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Phân loại dạng sinh khối Bảng 1.2 Năng lượng sinh khối so với nguồn lượng tái tạo khác Bảng 1.3 Năng suất sinh nhiệt nhiên liệu SK nhiên liệu hoá thạch 10 Bảng 1.4 Tiềm gỗ lượng 15 Bảng 1.5 Tiềm phụ phẩm nông nghiệp .15 Bảng 1.6 Vai trò lượng sinh khối tổng tiêu thụ lượng 16 Bảng 1.7 Sử dụng sinh khối theo lĩnh vực 16 Bảng 1.8 Sử dụng sinh khối theo lượng cuối .16 Bảng 1.9 Dân số trung bình tỉnh Hải Dương qua năm từ 1995  2007 24 Bảng 1.10 Tăng trưởng GDP giai đoạn 1996  2005 24 Bảng 3.1 Diện tích đất tỉnh Hải Dương 32 Bảng 3.2 Diện tích đất sử dụng nông nghiệp tỉnh Hải Dương .32 Bảng 3.3 Diện tích, cấu đất đai năm 2010 33 Bảng 3.4 Diện tích lúa qua năm 1995  2008 .34 Bảng 3.5 Năng suất, sản lượng lúa qua năm 1995  2008 35 Bảng 3.6 Năng suất, sản lượng lúa dự đoán năm 2010 36 Bảng 3.7 Diện tích, suất, sản lượng lúa vụ đông xuân số địa phương tỉnh năm 2008 36 Bảng 3.8 Diện tích, suất, sản lượng lúa vụ mùa số địa phương tỉnh năm 2008 37 Bảng 3.9 Cơ cấu giống, lúa giống vụ Đông Xuân 2008 .38 Bảng 3.10 Cơ cấu giống, lúa giống vụ Mùa 2008 40 Bảng 3.11 Diện tích, suất, sản lượng canh tác ngơ qua năm 1995 ÷ 2008 dự đoán năm 2010 41 Bảng 3.12 Diện tích, suất, sản lượng canh tác ngô vụ Đông Xuân phân bố theo huyện thành phố Hải Dương .42 Khoa học Môi trường Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009 Trần Thị Quỳnh Bảng 3.13 Diện tích, suất, sản lượng canh tác ngơ vụ Mùa phân bố theo huyện thành phố Hải Dương .42 Bảng 3.14 Diện tích, sản lượng lạc qua năm 1995  2008 dự đoán năm 2010 .43 Bảng 3.15 Diện tích canh tác lạc vụ Đơng Xuân phân bố theo huyện, thành phố Hải Dương năm 2008 43 Bảng 3.16 Diện tích, suất, sản lượng canh tác lạc vụ Mùa phân bố theo huyện thành phố Hải Dương .44 Bảng 3.17 Khối lượng phụ phẩm lúa tỉnh Hải Dương diễn biến qua năm 45 Bảng 3.18 Khối lượng phụ phẩm ngô tỉnh Hải Dương diễn biến qua năm 45 Bảng 3.19 Khối lượng phụ phẩm lạc tỉnh Hải Dương diễn biến qua năm 47 Bảng 3.20 Kết phân tích hàm lượng khí CH 4, CO, CO2 theo giai đoạn canh tác lúa cánh đồng lúa vụ Đông Xuân năm 2009 50 Bảng 3.21 Kết phân tích hàm lượng khí CH 4, CO, CO2 theo giai đoạn cánh đồng lúa vụ Mùa năm 2009 .52 Bảng 3.22 Năng suất phát thải CH4 loại phụ phẩm khác 53 Bảng 3.23 Nhiệt trị phụ phẩm lúa, ngô, lạc 54 Bảng 3.24 Thành phần tro trấu q trình đốt theo cơng nghệ truyền thống công nghệ FBC 59 Bảng 3.25 Lượng khí thải đốt phụ phẩm lúa than đá 60 Khoa học Môi trường Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009 Trần Thị Quỳnh DANH MỤC BIỂU ĐỒ Biểu đồ 3.1 So sánh hàm lượng khí CH4 khơng khí giai đoạn phát triển lúa .55 Biểu đồ 3.2 So sánh nồng độ khí CH4 khơng khí theo vụ canh tác 55 Biểu đồ 3.3 So sánh hàm lượng khí CO khơng khí giai đoạn khác .56 Biểu đồ 3.4 So sánh hàm lượng khí CO khơng khí theo vụ canh tác 57 Biểu đồ 3.5 So sánh hàm lượng khí CO2 khơng khí giai đoạn khác .58 Biểu đồ 3.6 So sánh hàm lượng khí CO2 khơng khí theo vụ canh tác 58 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ biến đổi nhiên liệu sinh khối Hình 1.2 Các đường biến đổi sinh khối thành nhiên liệu .5 Hình 1.3 Hàm lượng nước suất nhiệt sinh khối…………… .8 Hình 1.4 Lựa chọn trình chuyển đổi sinh khối hàm lượng nước……………………………………………………………………… …9 Hình 1.5 So sánh thành phần cấu tạo nguyên tử nhiên liệu hoá thạch sinh khối Hình 1.6 Hình dạng kích cỡ vài vật liệu sinh khối……………… 11 Hình 1.7 Bản đồ hành tỉnh Hải Dương…………………………… 23 Hình 2.1.Quy trình phân tích nhiệt trị phụ phẩm nơng nghiệp ………… Hình 3.1 Phụ phẩm lúa sau thu hoạch lúa……………………… …….46 Hình 3.2 Các phụ phẩm ngơ sau thu hoạch 49 Hình 3.3 Các phụ phẩm lạc sau thu hoạch 51 Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống lị đốt tấng sôi đồng phát nhiệt - điện…………….61 Hinh 3.5 Sơ đồ nguyên lý FBC…………………………………… ….64 Khoa học Môi trường Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009 Trần Thị Quỳnh LỜI MỞ ĐẦU Là quốc gia trình cơng nghiệp hố, đại hố đất nước, nhu cầu lượng sử dụng cho ngành công nghiệp cho sinh hoạt Việt Nam ngày tăng Trong nguồn lượng truyền thống (thủy điện, than đá, dầu mỏ ) ngày khan Theo dự báo, trữ lượng dầu thô giới cạn kiệt vào khoảng năm 2050 – 2060 Sự phụ thuộc nhiều vào lượng hoá thạch gây vấn đề: an toàn nguồn lượng, hiệu ứng nhà kính khí thải bất ổn trị chủ nghĩa khủng bố giới Những tiến khoa học công nghệ nhân loại đặt cho nước giới phải quan tâm đến việc sản xuất sử dụng nguồn lượng tái tạo (NLTT) quan tâm đến bảo vệ môi trường Một số nguồn NLTT lượng sinh khối Năng lượng sinh khối (NLSK) nguồn lượng cổ xưa người sử dụng bắt đầu biết nấu chín thức ăn sưởi ấm Ngành nơng nghiệp Việt Nam có vị trí vơ quan trọng với tỷ trọng chiếm 20,3% toàn kinh tế, 70% dân số làm nông nghiệp Hiện nay, Việt Nam nằm tốp nước xuất gạo lớn giới Trong trình canh tác nơng nghiệp, bên cạnh sản phẩm ln tạo lượng lớn phụ phẩm Nếu không quản lý tốt nguồn phụ phẩm chúng biến thành lượng rác thải lớn gây ô nhiễm môi trường Việc áp dụng đưa nguồn NLSK vào sử dụng khơng thay nguồn lượng hố thạch mà cịn góp phần xử lý chất thải rắn mơi trường Mặc dù ngành điện lực có nhiều cố gắng để cải thiện nhu cầu lượng phục vụ sinh hoạt sản xuất, tình trạng thiếu điện toàn quốc, Việt Nam cịn lớn Khoa học Mơi trường Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009 Trần Thị Quỳnh Do đó, việc nghiên cứu đưa phương án hợp lý để sử dụng hiệu phụ phẩm sinh khối nông nghiệp làm nguồn lượng cần thiết, không góp phần đảm bảo an ninh lượng mà cịn làm giảm sức ép đến mơi trường Hải Dương tỉnh có điều kiện tự nhiên thuận lợi cho việc phát triển nơng nghiệp lượng phụ phẩm nông nghiệp lớn Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu thống kê cụ thể số lượng, thành phần, đặc biệt nghiên cứu đề xuất phương án sử dụng nguồn sinh khối cách hiệu Xuất phát từ thực tế trên, lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu đánh giá tiềm phương án công nghệ sử dụng lượng sinh khối phụ phẩm nông nghiệp tỉnh Hải Dương” với mục tiêu: Đánh giá tiềm NLSK phụ phẩm nông nghiệp sau thu hoạch từ canh tác lúa (trấu, rơm, rạ), từ sản xuất ngô (thân, lá, lõi bắp) từ sản xuất lạc (thân, lá, vỏ củ) địa bàn tỉnh Hải Dương; sở đề xuất phương án cơng nghệ sử dụng hiệu nguồn lượng sinh khối Nội dung luận văn bao gồm: Tìm hiểu trạng sản xuất số nông nghiệp (lúa, ngô, lạc) địa bàn tỉnh Hải Dương; Nghiên cứu trạng thu gom sử dụng phụ phẩm sau thu hoạch từ nông nghiệp này; Đánh giá tiềm NLSK phụ phẩm địa bàn tỉnh; Đo đạc, phân tích số tiêu mơi trường khơng khí (CH 4, CO2, CO) theo thời vụ theo giai đoạn phát triển lúa; Đề xuất phương án công nghệ sử dụng hiệu nguồn sinh khối Khoa học Môi trường Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009 Trần Thị Quỳnh CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Khái quát sinh khối lượng sinh khối Sinh khối (SK) vật liệu hữu có nguồn gốc từ sinh vật có khả tái tạo cối, phân gia súc, … đốt cháy lượng sinh học giải phóng dạng nhiệt SK xem phần chu trình cacbon Cacbon từ khí biến đổi thành vật chất sinh học qua trình quang hợp thực vật Khi phân giải đốt cháy, cacbon quay trở lại khí đất Vì cacbon khí giữ mức tương đối ổn định Năng lượng sinh khối (NLSK) lượng sản sinh từ nguồn SK Bản chất NLSK lượng Mặt trời lưu giữ SK thông qua trình quang hợp cối để biến đổi CO thành hiđratcacbon (đường, tinh bột, xenlulô) hợp chất cấu tạo nên SK Khi sử dụng SK xảy q trình giải phóng lượng tích trữ hiđratcacbon phát thải CO2 vào khí SK bao gồm nhiều dạng thức ăn động vật, rơm rạ, vỏ trấu, gỗ vụn, chất thải từ thực phẩm phân thành loại Bảng 1.1 Bảng 1.1 Phân loại dạng sinh khối [3] Phân loại Dạng Nguồn từ mùa màng Thức ăn nuôi đông vật tinh bột Sinh khối chưa sử dụng Rơm, vỏ trấu, gỗ vụn chất thải từ gỗ Chất thải từ giấy, phân động vật, chất thải từ Chất thải sinh khối thực phẩm, chất thải từ xây dựng, chất thải lỏng bùn cống Trong cách dùng phổ biến nay, hiểu theo nghĩa nhiên liệu sinh khối (biomas) nhiên liệu rắn sở SK, nhiên liệu sinh học (biofuel) nhiên liệu lỏng lấy từ SK khí sinh học (biogas) sản phẩm Khoa học Môi trường Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009 Trần Thị Quỳnh q trình phân giải yếm khí chất hữu Trong luận văn đề cập đến nhiên liệu rắn từ phụ phẩm số trồng 1.1.2 Những đường biến đổi sinh khối  Các nhiên liệu SK sử dụng theo đường (Hình 1.1) là: oĐốt cháy trực tiếp để sinh nhiệt điện; oBiến đổi thành loại nhiên liệu khác tiện dụng SINH KHỐI §èt ch¸y trùc tiÕp NHIỆT Động nhiệt CƠNG CƠ HỌC Động điện, máy phát điện Biến đổi Đốt cháy NHIÊN LIỆU Pin nhiªn liƯu ĐIỆN Hình 1.1 Sơ đồ biến đổi nhiên liệu sinh khối [3]  Nguồn SK đa dạng phong phú cơng nghệ NLSK đa dạng Các cơng nghệ NLSK chia làm loại: - Công nghệ biến đổi trực tiếp SK thành lượng hữu ích việc đốt trực tiếp SK để phục vụ sinh hoạt phục vụ sản xuất; - Cơng nghệ SK biến đổi thành nhiên liệu thứ cấp khác như: đóng bánh SK, sản xuất than gỗ, khí hố  Các công nghệ thực thông qua q trình vật lý, nhiệt hố sinh học (Hình 1.2) Khoa học Mơi trường Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Các trình Sinh học Sinh khối Trần Thị Quỳnh Nén chặt, sấy Viên,bó, bánh Giảm kích cỡ Gỗ vụn, mùn cưa trấu,… Dầu thực vật Ép Đốt Các q trình Nhiệt hố Các q trình Vật lý Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009 Khí hố Khí tổng hợp Nhiệt phân Khí, dầu, cốc Lên men rượu Etanol Phân giải kỵ khí Khí sinh học Sử dụng lượng cuối Hình 1.2 Các đường biến đổi sinh khối thành nhiên liệu [2]  Quá trình vật lý: Thường sử dụng chất thải SK dạng gốc (vỏ dừa, chất hữu phơi khơ: mùn cưa, vỏ trấu…) đóng bánh với đường kính viên ép 55 ÷ 65 mm, trọng lượng bánh từ ÷ 50 kg Chất lượng cháy, hiệu suất thu hồi nhiệt cao đốt củi đốt than hầm Về phương diện kinh tế giá thành cao so với đốt vật liệu trước ép Tuy nhiên, trình tạo thuận lợi cho việc vận chuyển thể tích chất phế thải thu nhỏ  Q trình nhiệt hố - Đốt cháy: Đốt trình xử lý biến đổi SK chất thải thành nhiệt nước Năng lượng sản xuất thường sản phẩm thứ cấp bên cạnh trình Mặt khác nhiệt nước sản xuất biến đổi sang điện trực tiếp sử dụng nguồn lượng Các hệ thống đốt SK Khoa học Môi trường Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009 Trần Thị Quỳnh chủ yếu thiết kế cho gỗ phụ phẩm nông nghiệp Trong nhiều nước công nghiệp phát triển, chất thải rắn đốt để giảm lượng chất thải sử dụng lượng tạo Đây cơng nghệ đại chi phí đầu tư cao; - Khí hố: Nhiệt độ q trình khí hố tương đối cao Lượng khơng khí cung cấp vào q trình hạn chế (oxy hố phần) biến SK thành nhiên liệu khí (50% N, 20% CO 15% H 2) Khí tạo với nhiệt trị thấp, sử dụng làm khô, kéo tuốcbin khí làm nhiên liệu cho động đốt trong; - Nhiệt phân: Là trình biến đổi SK thành phần: nhiên liệu lỏng, hỗn hợp khí gọi “khí phát sinh” chất thải rắn Quá trình nhiệt phân SK với nhiệt độ cao, mức độ oxy hố thấp, khơng cháy hồn tồn nhiệt phân nhanh phát sáng  Quá trình sinh học - Lên men rượu: Đường, cặn chất hữu xenlulô biến đổi nhờ vi khuẩn chuyển sang sản phẩm có gốc rượu cồn Sản phẩm êtanol tương đối tinh khiết sau chưng cất Cơng nghệ phát triển rộng rượu dùng phổ biến Do đòi hỏi vốn đầu tư lớn cần nhiều nguyên liệu đầu vào nên công nghệ lên men chưa có hiệu cao; - Phân giải yếm khí: Ủ chất thải hầm trình vi sinh tự nhiên làm phân huỷ chất hữu điều kiện yếm khí (thiếu oxy) Điều xảy hệ thống khơng kiểm sốt đống phế thải, bãi rác điều kiện có kiểm sốt (như lị khí sinh học, bãi rác có kiểm sốt v.v…) Mục đích cơng nghệ yếm khí tạo khí lượng cao (chứa đến 70% khí CH4); tạo phân làm giảm ô nhiễm môi trường Quá trình yếm khí sử dụng rộng rãi để xử lý nước thải công nghiệp chất thải dạng bùn sệt, phân dùng nông nghiệp Việc xử lý chất thải rắn (các chất hữu phân tách ra) ứng dụng tương đối mới, phổ cập nhanh có ưu điểm tạo lượng Khoa học Môi trường Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009 Trần Thị Quỳnh 1.1.3 Những ưu điểm hạn chế nhiên liệu sinh khối Ưu điểm: - Có khả tái tạo; - Được dự trữ nhiều nguồn; - Có khả lưu trữ: biến đổi thành dạng lượng khác ; - Hạn chế cạn kiệt nguồn lượng hố thạch; - Hạn chế gia tăng nhiễm mơi trường từ chất thải lượng hố thạch; - Việc sử dụng NLSK giúp tận dụng chất thải SK góp phần làm mơi trường Trong Bảng 1.2 đưa số tiêu so sánh NLSK với nguồn NLTT khác Bảng 1.2 Năng lượng sinh khối so với nguồn lượng tái tạo khác [3] Nguồn lượng Chỉ tiêu so sánh Mặt trời Gió Sinh khối Tổng đầu tư (triệu USD) Quy mô nhà máy (kW) Tỷ lệ hoạt động hàng năm (%) Công suất điện phát hàng năm 1.830 1.000.000 12 12.700 10.000.000 20 6.300 10.000.000 70 1.100 17.500 61.300 1,66 0,72 0,1 (M kw/h) Đơn vị đầu tư (USD/kW) Hạn chế: - Hiệu suất sinh lượng thấp (7 ÷ 11%) cơng nghệ sản xuất thân khả sinh lượng phụ phẩm SK; - Phụ thuộc vào mùa vụ, thời tiết, khí hậu; - Việc thu gom tập trung lưu trữ gặp khó khăn; - Q trình chuyển đổi lượng phức tạp; - Chịu sức ép từ nhu cầu sử dụng SK khác 1.1.4 Hàm lượng nước suất nhiệt sinh khối Khoa học Môi trường 10 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên ... xuất phương án sử dụng nguồn sinh khối cách hiệu Xuất phát từ thực tế trên, lựa chọn đề tài: ? ?Nghiên cứu đánh giá tiềm phương án công nghệ sử dụng lượng sinh khối phụ phẩm nông nghiệp tỉnh Hải Dương? ??... xuất phương án công nghệ sử dụng hiệu nguồn lượng sinh khối Nội dung luận văn bao gồm: Tìm hiểu trạng sản xuất số nông nghiệp (lúa, ngô, lạc) địa bàn tỉnh Hải Dương; Nghiên cứu trạng thu gom sử dụng. .. “Cơng nghệ Biomass - hướng đến nông nghiệp không chất thải phát triển bền vững” tinh chế phụ phẩm nông nghiệp thành nguồn lượng sinh học; o Viện Thổ nhưỡng Nơng hóa: nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông