Nghiên cứu một số thông số của lò đốt phế thải nông nghiệp bằng công nghệ tầng sỏi nền cát

Luận văn, thạc sỹ, tiến sĩ, cao học, kinh tế, nông nghiệp

Lời Mở đầu Trong hơn 10 năm qua, từ khi chuyển sang cơ chế thị trờng, ngành chế biến nông sản Việt Nam đợc quan tâm đầu t và có bớc phát triển đáng kể với tốc độ phát triển hàng năm 10 ữ 11% và đã chiếm trên 40% tổng giá trị sản lợng nông nghiệp. Đã hình thành nhiều vùng sản xuất nguyên liệu tập trung cho chế biến nh các vùng sản xuất thóc gạo, chè, cà phê, mía đờng, rau quả Nhiều nhà máy chế biến đợc xây dựng đã tạo ra nhiều sản phẩm có sức cạnh tranh trên thị trờng đáp ứng đợc yêu cầu tiêu dùng ngày càng cao của thị trờng trong nớc cũng nh xuất khẩu. Từ đó dẫn đến yêu cầu về năng lợng là rất lớn và giải quyết lợng lớn chất thải từ phụ phẩm của nông lâm nghiệp nh trấu, mùn ca, vỏ cà phê, cùi ngô, bã mía, xơ dừa, rơm rạ là nguồn nhiên liệu khổng lồ và ngày càng tăng cùng với sự tăng diện tích canh tác và năng suất của cây trồng. Hàng năm nớc ta có khoảng 6 triệu tấn trấu, nửa triệu tấn vỏ cà phê, hàng trăm ngàn tấn bã mía, cùi ngô, xơ dừa và mùn ca thải ra từ các cơ sở sản xuất và chế biến lâm- nông sản. Một phần nhỏ trong số đó đợc sử dụng làm nhiên liệu đốt, thức ăn gia súc, phân bón, phần lớn hiện tại đang thải ra các ao hồ, cống rãnh làm ảnh hởng đến môi trờng sinh thái và lãng phí nguồn nhiên liệu một cách đáng kể. Việc sử dụng các phế thải lâm nông nghiệp trong sinh hoạt nông thôn ngày nay càng giảm đi do tính không thuận tiện và dần dần đợc thay thế bằng các nguồn nhiên liệu thuận lợi hơn nh than, củi, điện, gasTrong khi đó, các cơ sở sản xuất, chế biến nông lâm sản lại cần rất nhiều năng lợng dạng nhiệt năng mà hiện tại đang phải sử dụng các loại nhiên liệu đắt tiền và phải nhập từ nớc ngoài. Vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng phế thải nông lâm nghiệp tạo nguồn nhiệt năng phục vụ công nghiệp chế biến nông lâm sản là một việc làm rất cần thiết. Đề tài Nghiên cứu một số thông số của lò đốt phế thải nông nghiệp bằng công nghệ đốt tầng sôi nền cát là một trong những giải pháp công nghệ để thực hiện nhiệm vụ đặt ra ở trên. 1 Tổng quan 1.1. Tầm quan trọng của năng lợng Năng lợng có ý nghĩa to lớn đối với con ngời cũng nh đối với mọi hoạt đông sản xuất kinh doanh. Tất cả các ngành nông - công nghiệp đều cần sử dụng tới năng lợng. Từ mọi hoạt động nghiên cứu khoa học kỹ thuật đến triển khai các dự án phát triển kinh tế đều cần năng lợng. Do đó năng lợng là vấn đề quan trọng trong sự phát triển kinh tế của mỗt quốc gia. Từ lâu ngời ta đã đánh giá tiềm năng kinh tế của một quốc gia qua chỉ số năng lợng. Nhiều sản phẩm giá năng lợng chiếm tỷ trọng cao trong giá thành. Con ngời luôn luôn tìm những nguồn năng lợng mới để nâng cao chất lơng và sản lợng năng lợng của mình. Các nguồn năng lợng chủ yếu từ than, dầu mỏ, thuỷ điên, năng lợng nguyên tử và các nguồn năng lợng từ gió, thuỷ triều, năng lợng mặt trời . đang đợc con ngời sử dụng ở nhiều quy mô khác nhau. Nhiên liệu cho sản suất năng lợng đáng kể đầu tiên là than. Từ cuối thế kỷ 18, đầu thế kỷ 19, than dùng trong động cơ hơi nớc đã đẩy nền công nghiệp châu Âu phát triển nên một bớc nhảy vọt. Than cung cấp năng lợng chủ yếu là nhiệt năng đợc sử dụng hầu hết trong các ngành công nghiệp. Tiếp theo là dầu lửa, nhờ kỹ thuật thăm dò và khai thác phát triển, ngời ta đã khai thác đợc nguồn nhiên liệu quý giá này, cho đến nay nó vẫn là nguồn nhiên liệu chủ yếu cho các loại động cơ. Song trữ lợng của những tài nguyên lên trên không phải là vô hạn, trong khi đó nhu cầu về năng lợng của con ngời tăng lên không ngừng. Việc khai thác các tài nguyên đó cũng đang ngày càng trở nên khó khăn hơn, chi phí tốn kém hơn. Các nớc nghèo vẫn phải khai thác vội vã để trả nợ và tồn tại, trong khi đó các n ớc giàu thì khai thác dè dặt nguồn tài nguyên trên đất nớc họ. Nguồn năng lợng tiếp 2 theo là thuỷ điện. Đây là nguồn năng lợng lớn trớc đây vẫn đợc coi là ít ảnh hởng tới môi trờng, song vốn đầu t yêu cầu rất lớn. Những năm sau này, ngời ta phát hiện ra rằng không hoàn toàn không ảnh hởng tới môi trờng, nó tác động âm thầm, chậm chạp song hậu quả môi trờng lại rất lớn. Các nguồn năng lợng nguyên tử và hạt nhân lớn song không an toàn khi sử dụng, yêu cầu trình độ sử dụng cao, các nguồn năng lợng loại này mới chỉ có ở một số nớc công nghiệp phát triển. Ngoài ra còn có các nguồn năng lợng khác nh gió, sóng biển, thuỷ triều, năng lợng mặt trời . là những dạng năng lợng sạch, song sử dụng nguồn năng lợng này phải đầu t lớn, mặt khác không ổn định, phụ thuộc nhiều vào thiên nhiên và vị trí địa lý. Trớc nguy cơ thiếu hụt năng lợng, con ngời buộc phải tìm những nguồn năng lợng mới và song song với nó là sử dụng triệt để nguồn năng lợng tái tạo nhằm tăng hiệu suất và giảm thất thoát ra môi trờng. Một trong những nguồn năng lợng đã đợc các nớc trên thế giới quan tâm là phế thải trong nông - lâm nghiệp. Sử dụng phế thải trong nông nghiệp, ngoài hiệu quả về năng lợng còn có hiệu quả tích cực là bảo vệ môi trờng sinh thái. 1.2. Phế thải và tình hình sử dụng phế thải ở Việt Nam Trấu Vỏ cây Lá cây Hình 1.1: Một số loại phế thải nông nghiệp 3 Các chất phế thải từ phụ phẩm của nông - lâm nghiệp nh trấu, mùn ca, vỏ cà phê, cùi ngô, bã mía, xơ dừa, rơm rạ . là nguồn nhiên liệu khổng lồ và ngày càng tăng cùng với sự tăng diện tích canh tác và năng suất cây trồng. ở nớc ta hiện nay, các nguồn phế thải nông nghiệp đợc sử dụng chủ yếu làm nhiên liệu phục vụ đời sống nh rơm rạ, lõi ngô, trấu, . song việc sử dụng còn ít, cha mang tính công nghiệp nên hiệu quả thấp và ô nhiễm môi trờng. Một trong những loại phế thải mang tính tập trung cao là bã mía. Trong những năm vừa qua (1995 - 2002), ngành công nghiệp mía đờng phát triển rất mạnh. Cả nớc có tới 40 nhà máy đờng đang hoạt động. Lợng bã mía sau khi ép đợc sử dụng làm nhiên liệu cho nồi hơi và cấp hơi cho công đoạn nấu và cô đặc. Buồng đốt của nồi hơi hình trụ thẳng đứng, bã mía đợc thổi vào ngang thân. Do đợc đầu t với quy mô lớn và công nghệ sản xuất đờng cần nhiều năng lợng nên bã mía trong nhà máy đợc sử dụng triệt để. Hình 1.2: Bã mía thừa không sử dụng hết ở nhà máy đờng Lam Sơn Trong các loại phụ phẩm nông nghiệp thì trấu là lợng phụ phẩm đáng quan tâm nhất, với trữ lợng nhiều hơn cả. Hiện nay sản lợng thóc của cả nớc là 32 4 triệu tấn/năm. Với tỷ lệ trấu là 20% tơng đơng khoảng 6,4 triệu tấn/năm. Theo tính toán cho thấy năng lợng cần thiết cho quá trình xay sát một tấn lúa chỉ bằng 40% năng lợng sinh ra khi đốt lợng trấu của một tấn lúa. Nh vậy lợng trấu luôn d thừa so với yêu cầu của xay sát. Trấu chỉ dùng làm chất đốt và phân bón, một phần rất nhỏ cho công nghiệp hóa chất để sản xuất Fufuron, than hoạt tính, chất độn trong công nghiệp và chất tẩy rửa. Trấu là phế liệu sau một quá trình gia công nên có tính tập trung. Hiện nay trấu đợc sử dụng làm nhiên liệu đốt và phân bón ở quy mô gia đình, còn trấu sử dụng làm nhiên liệu ở quy mô lớn thì cha phát triển. Một số nhà máy xay sát cỡ nhỏ sử dụng một phần trấu cho sấy lúa trớc khi xay, phần còn lại bán cho nông dân vùng trồng cây công nghiệp làm phân bón. Hình 1.3: Vỏ trấu ở Đồng bằng sông Cửu Long Ngoài sản xuất lúa gạo, cây cà phê đứng ở vị trí thứ hai về kim ngạch xuất khẩu. Hiện nay cây cà phê tập trung nhiều ở các tỉnh phía Bắc và vùng Tây Nguyên nh Lai Châu, Sơn La, Đắc Lắc, Gia Lai . trữ lợng cà phê ngày một tăng: chẳng hạn nh Sơn La (năm 1998 đạt hơn 4000 tấn, với diện tích canh tác tới 5300 ha). ở Đắc Lắc, diện tích cà phê lên tới trên 165 000 ha, năng suất trung 5 bình là 24 tạ /ha. Với sản lợng nh vậy trữ lợng vỏ cà phê là một con số khá lớn. Hiện nay vỏ cà phê chủ yếu dùng để ủ làm phân sau đó lại bón lại cho cây cà phê. Trong khi đó cà phê thu hoạch vào mùa ma ở những vùng miền núi, việc vận chuyển nhiên liệu nh than, dầu từ miền xuôi lên khó khăn, việc phá rừng đang bị cấm. Vì vậy rất thiếu nguồn nhiên liệu để sấy cà phê nên lợng mất mát tổn thất sau thu hoạch lớn. Nếu tận dụng đợc vỏ cà phê làm nhiên liệu sấy cà phê sẽ mang lại hiệu quả kinh tế rất lớn cho ngời trồng cà phê. Nếu chế biến cà phê theo phơng pháp ớt, vỏ cà phê dùng để làm nhiên liệu đốt chiếm 20% ữ 30% trọng lợng quả cà phê, tơng đơng khoảng 450.000 ữ 600.000 tấn/năm. Nếu chế biến cà phê theo phơng pháp khô, trấu làm nhiên liệu cao hơn, chiếm 35% ữ 45%, tơng đơng khoảng 700.000 ữ 100.000 tấn/ năm. Đây là một nguồn năng lợng có khả năng tái tạo khổng lồ cha đợc quan tâm, gây lãng phí và là vấn đề nhức nhối về ô nhiễm môi trờng cho những vùng dân c sống xung quanh các xí nghiệp, nhà máy chế biến cà phê của nớc ta hiện nay. Loại phế thải cần kể đến là mùn ca và phế thải từ quá trình chế biến gỗ. Cho đến nay, toàn Ngành Nông nghiệp và Phát triển nông thôn có 757 cơ sở chế biến gỗ, trong đó có 30 cơ sở làm ván dăm và ván sợi với công suất 150.000 m3 sản phẩm/năm. Theo kế hoạch sản xuất của ngành nông nghiệp - công nghiệp chế biến gỗ, đi đôi với việc trồng 5 triệu ha rừng, cần xây mới 32 nhà máy chế biến ván nhân tạo quy mô từ 5000 ữ 54.000 m 3 sản phẩm/năm và các dây chuyền sản xuất ván ghép thanh, ván tre luồng qui mô 1000 ữ 4000 m 3 sản phẩm năm. Nh vậy số lợng mùn ca, vỏ bào và phần thừa trong chế biến tre luồng hàng năm lên đến nhiều triệu tấn. Loại phế thải này có khả năng ứng dụng trong công nghệ đốt tầng sôi, nếu nơi có điều kiện thu gom tập trung, thì cả nớc có thể xây 6 khoảng hàng trăm dây chuyền công nghệ đốt tầng sôi sử dụng mùn ca, dăm bào với công suất vừa và lớn, nhiệt năng đợc sử dụng để xử lý, sấy gỗ và các sản phẩm từ gỗ. Bảng 1.1. và bảng 1.2 dới đây trình bày về giá và nhiệt trị của trấu, vỏ cà phê, bã mía và mùn ca, cũng nh của các nhiên liệu thông thờng có thể đợc thay thế bởi các chất đốt là phế thải nông nghiệp. Bảng 1.1. Nhiệt trị của chất thải sinh khối TT Chất thải sinh khối Độ ẩm (%) Nhiệt trị (MJ/kg) Đổi ra (Kcal/kg) 1 Gỗ (ớt, cắt cành) 40 10,9 2604 2 Gỗ (khô, để nơi ẩm thấp) 20 15,5 3703 3 Gỗ khô 15 16,6 3965 4 Gỗ thật khô 0 20 4778 5 Than củi 5 29 6928 6 Bã mía (với độ ẩm cao) 50 8,2 1960 7 Bã mía (khô) 13 16,2 3870 8 Vỏ cà phê (khô) 12 16,0 3823 9 Vỏ trấu (khô) 9 14,4 3440 10 Vỏ lúa mì 12 15,2 3631 11 Thân cây ngô 12 14,7 3512 12 Lõi ngô 11 15,4 3679 13 Hạt bông 24 11,9 2843 14 Thân cây bông 12 16,4 3918 15 Vỏ dừa 40 9,8 2341 16 Sọ dừa 13 17,9 4276 17 Rơm rạ 12 ữ 20 14,6 ữ 15 3488 ữ 3583 18 Mùn ca (gỗ) 12 ữ 20 18,5 ữ 19 4420 ữ 4778 19 Vỏ hạt điều 12 ữ 12 24,0 ữ 25,0 5056 20 Vỏ quả dứa 16 ữ 18 - - 7 Bảng 1.2. Nhiệt trị của các chất hoá thạch TT Nhiên liệu hoá thạch Độ ẩm (%) Nhiệt trị (MJ/kg) Đổi ra (Kcal/kg) 1 Than antracite 5 31,4 7502 2 Than bitum 5 29,3 7000 3 Than chứa nột số bitum 5 18,8 4491 4 Than nâu - 11,3 2700 5 Than bùn - 6 Than nâu viên - 20,1 4802 7 Gas - 40,0 8 Dầu diezel - 35,0 Nguồn: Biomass fuel various moder/non tradition a fuels FEA (1977) 1.3. một số loại lò đốt phế thải nông nghiệp đang đợc sử dụng ở Việt Nam và trên thế giới 1.3.1. Lò đốt trấu ghi nghiêng Lò đốt trấu ghi nghiêng là loại lò đợc dùng phổ biến của nớc ta hiện nay cho các nhà máy sấy thóc, đặc biệt là ở vùng đồng bằng sông Cửu Long. Lò có cấu tạo và nguyên lý làm việc nh sau : 1. Ghi lò 2. Phễu nạp liệu 3. Trần lò 4. Vách ngăn 5. Cửa thoát khí A. Hố tro P. Buồng đốt C. Buồng lắng tro K. Đờng khí vào Hình 1.4: Lò đốt trấu ghi nghiêng 8 Nhiên liệu đợc cấp từ phễu nạp liệu 2, do cấu tạo của ghi hình bậc thang nên trong quá trình cháy trấu đợc trôi dần xuống phía dới trải suốt bề mặt nghiêng của ghi lò 1. Xuống đến bậc thang cuối cùng trấu đã cháy hết phần chất bốc, chỉ còn tro và một phần than cha cháy hết đợc cời ra khỏi cửa tháo, khói bốc lên mang theo một phần tro và than có kích thớc nhỏ. Vách ngăn 4 có tác dung gây trở lực cục bộ làm lắng đọng lại một phần than tro. Khí lò đợc hút qua cửa hút 5, một phần tro đợc lấy ra theo cửa C. Loại lò này, quá trình cháy không ổn định và trấu không đợc cháy hoàn toàn, khả năng điều chỉnh nhiệt độ khi sấy rất khó, khi hoạt động ở năng suất thấp thờng nhiên liệu không cháy hết. 1.3.2. Lò đốt trấu của viện lúa Philipin Đây là loại lò có sử dụng ống tâm có lỗ tiếp khí để tăng khả năng phối trộn khí lò với không khí, ống tâm có chiều cao lớn tạo nên sức hút lớn. Dạng côn của nó có tác dụng làm tăng cờng độ bc xạ từ vùng cháy sang vùng nhiên liệu mới đợc nạp vào, nâng nhiệt độ của trấu lên đến nhiệt độ bắt cháy. Không khí để đốt cháy hết nhiên liệu đợc chia làm hai dòng, dòng đầu đi từ dới đáy lên qua lớp than trấu thực hiện quá trình cháy lợng cacbon cố định trong trấu, lợng khí này chỉ là một phần trong lợng khí toàn bộ, do không làm giảm nhiệt độ hạt than xuống dới nhiệt độ cháy, duy trì nhiệt độ cho hạt than cháy tốt hơn, giảm lợng than theo tro. Dòng khí thứ hai tiếp vào vùng cháy qua mạng lỗ ở ống trung tâm. Cách chia dòng khí này đã tạo điều kiện cho quá trình cháy tốt hơn, tăng hiệu suất của lò, lò hoạt động ổn định, ít khói, dễ nhóm. Tuy nhiên loại lò này chỉ có kích thớc nhỏ, thích hợp với qui mô gia đình. Năng suất lò dới 3kg trấu /h. 9 Hình 1.5: Lò đốt trấu của Viện Lúa Philipin 1.3.3. Lò đốt trấu cải tiến của Đại học nông-lâm TP Hồ Chí Minh Lò có kết cấu hình trụ đợc sử dụng nh Xyclon lắng tro, không khí đốt đợc chia làm hai phần nh lò của viện lúa Philipin nhằm tạo đủ ôxi cho quá trình cháy, tăng hiệu suất của lò Hình 1.6: Lò đốt trấu cải tiến của Đại học nông-lâm TP.HCM 1- Đáy lò 2- Tờng dới 3- Guồng tháo tro 4- Cửa khí ra 5- Cửa khí thứ 6- Tờng trên 7- Ông trung tâm 8- Van tiếp liệu 9- Phễu nạp liệu 10- Ghi lò A- Hố đọng tro P- Buồng cháy C- Buồng lắng tro K- Không khí đầu E - Không khí thứ Phễu chứa liệu Buồng chứa tro ố ng trung tâm Chân đ ế háy Buồng c Kiềng 10 . Đề tài Nghiên cứu một số thông số của lò đốt phế thải nông nghiệp bằng công nghệ đốt tầng sôi nền cát là một trong những giải pháp công nghệ để thực hiện. cứu 1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu cơ sở khoa học nhằm chọn một số thông số chính của lò đốt trấu bằng công nghệ tầng sôi nền cát, đảm bảo sử dụng