Nghiên cứu phát triển hệ thống sản xuất than sinh học hiệu suất cao giảm thiểu ô nhiễm môi trường

Tổng quan về than sinh học, công nghệ sản xuất than sinh học; tính toán, thiết kế dây chuyền sản xuất than sinh học; thực nghiệm trên mô hình thí nghiệm và hệ thống sản xuất than trong thực tế; đánh giá các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và môi trường của hệ thống sản xuất than sinh học.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu phát triển hệ thống sản xuất than sinh học hiệu suất cao, giảm thiểu ô nhiễm môi trường VÕ HỒNG NAM CH2018B – CB180163 Chuyền ngành: Cơng nghệ Năng lượng Nhiệt điện Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Tiến Cương Viện: Khoa học Công nghệ Nhiệt – Lạnh HÀ NỘI, 08/2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu phát triển hệ thống sản xuất than sinh học hiệu suất cao, giảm thiểu nhiễm mơi trường VÕ HỒNG NAM CH2018B – CB180163 Chuyền ngành: Công nghệ Năng lượng Nhiệt điện Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Tiến Cương Viện: Khoa học Công nghệ Nhiệt – Lạnh HÀ NỘI, 08/2020 GVHD CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Võ Hoàng Nam Đề tài luận văn: Nghiên cứu phát triển hệ thống sản xuất than sinh học hiệu suất cao, giảm thiểu ô nhiễm môi trường Chuyên ngành: Công nghệ Năng lượng Nhiệt điện Mã số SV: CB180163 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 27/07/2020 với nội dung sau: + Hiệu chỉnh hình ảnh, vẽ trích dẫn luận văn theo chuẩn; + Bổ sung trích dẫn tài liệu tham khảo; + Hiệu chỉnh nội dung để đảm bảo tính logic luận văn; + Chỉnh sửa lỗi tả luận văn Hà Nội, ngày 27 tháng 08 năm 2020 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Tiến Cương, người tận tình hướng dẫn truyền đạt kiến thức kinh nghiệm q báu để tơi hồn thiện chi tiết Luận văn Thạc sĩ Xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô thuộc Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt – Lạnh tận tình giảng dạy cho tơi thời gian nghiên cứu Do giới hạn kiến thức khả lý luận thân nhiều thiếu sót hạn chế, kính mong dẫn đóng góp Thầy, Cơ để tơi hoàn thiện Luận văn Xin chân thành cảm ơn! Học viên thực Võ Hoàng Nam Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt Lạnh MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC BẢNG iii DANH MỤC HÌNH v Chương Nghiên cứu tổng quan .1 1.1 Tổng quan chung 1.1.1 Đặt vấn đề .1 1.1.2 Mục tiêu đề tài 1.1.3 Nội dung phạm vi nghiên cứu 1.2 Giới thiệu than sinh học 1.2.1 Khái niệm .1 1.2.2 Phân loại than sản xuất .3 1.2.3 Ứng dụng than sinh học đời sống sản xuất 1.3 Nguyên liệu để sản xuất than sinh học đặc tính nguyên liệu 1.3.1 Nguyên liệu để sản xuất than .6 1.3.2 Phân loại nguồn sinh khối 1.3.3 Các dạng thành phần sinh khối 1.4 Lý thuyết nhiệt phân 1.4.1 Khái niệm .9 1.4.2 Phân loại phương pháp nhiệt phân sản phẩm chúng 10 1.4.3 Các giai đoạn trình nhiệt phân .12 1.4.4 Các kiểu lò nhiệt phân 14 1.5 Các công nghệ sản xuất than sinh học .19 1.5.1 Công nghệ sản xuất than Thế giới .19 1.5.2 Công nghệ sản xuất than Việt Nam 24 1.5.3 Đề xuất công nghệ để sản xuất than sinh học phù hợp .26 Chương Tính tốn, thiết kế dây chuyền sản xuất than sinh học .27 2.1 Xác định cấu trúc .27 2.2 Tính tốn cân vật chất lò nhiệt phân 28 2.3 Tính tốn cân nhiệt lò nhiệt phân .30 2.4 Tính tốn cân vật chất cân nhiệt buồng lửa .36 2.4.1 Tính tốn cân vật chất cân nhiệt buồng lửa - giai đoạn a: 36 2.4.2 Tính tốn cân vật chất cân nhiệt buồng lửa - giai đoạn b: 44 2.5 Tính tốn cân vật chất cân nhiệt buồng lửa tận dụng nhiệt khói thải 55 i Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt Lạnh 2.6 Tính chọn thiết bị cho dây chuyền sản xuất than 62 2.6.1 Tính chọn buồng lửa cấp nhiệt cho lị nhiệt phân .62 2.6.2 Tính chọn buồng sấy ngun liệu tận dụng khói thải 65 2.6.3 Tính chọn quạt hút khói thải đường ống khói 67 2.6.4 Tính chọn hệ thống Palang cầu trục 68 Chương Thực nghiệm mơ hình thí nghiệm hệ thống sản xuất than thực tế 76 3.1 Thực nghiệm mơ hình thí nghiệm 76 3.1.1 Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ tới hiệu suất nhiệt phân .77 3.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng thời gian tới hiệu suất nhiệt phân 78 3.1.3 Đánh giá hiệu suất nhiệt phân 79 3.1.4 Kết luận mơ hình thực nghiệm .80 3.2 Thực nghiệm hệ thống sản xuất than thực tế 81 3.2.1 Quy trình vận hành dây chuyền sản xuất than 81 3.2.2 Thiết bị đo lường 85 3.3.3 Thu thập đánh giá số liệu thực nghiệm 85 Chương Đánh giá tiêu kinh tế kỹ thuật môi trường hệ thống sản xuất than sinh học 94 4.1 Đánh giá số tiêu kỹ thuật tiềm phát triển hệ thống sản xuất than .94 4.2 Đánh giá số tiêu kinh tế công nghệ sản xuất than 96 4.2.1 Tính tốn tiêu kinh tế dự án đầu tư lò than thủ cơng 96 4.2.2 Tính toán tiêu kinh tế dự án đầu tư dây chuyền sản xuất than 97 4.2.3 So sánh, đánh giá tiêu kỹ thuật dự án .102 4.3 Đánh giá số tiêu môi trường công nghệ sản xuất than 103 Chương Kết luận đề xuất .108 5.1 Kết luận 108 5.2 Đề xuất .109 Phụ lục 110 Tài liệu tham khảo 113 ii Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt Lạnh DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Các biến thể nhiệt phân sinh khối 11 Bảng 1.2 Thành phần nguyên liệu sản phẩm phương pháp nhiệt phân sinh khối 12 Bảng 2.1 Thành phần công nghệ gỗ bạch đàn 28 Bảng 2.2 Thơng số kỹ thuật ban đầu lị nhiệt phân 29 Bảng 2.3 Thành phần công nghệ than thành phẩm 29 Bảng 2.4 Tính tốn khối lượng loại thành phần công nghệ sau nhiệt phân 30 Bảng 2.5 Tính tốn cân nhiệt lị nhiệt phân 32 Bảng 2.6 Thành phần hóa học sinh khối 36 Bảng 2.7 Tính tốn thể tích, enthalpy khơng khí sản phẩm cháy – giai đoạn a 38 Bảng 2.8 Tính tốn cân nhiệt buồng lửa - giai đoạn a 42 Bảng 2.9 Thành phần khí sản phẩm q trình nhiệt phân 44 Bảng 2.10 Tính tốn thể tích khơng khí sản phẩm cháy đốt nhiên liệu khí 46 Bảng 2.11 Tính tốn thể tích khơng khí sản phẩm cháy đốt hỗn hợp nhiên liệu rắn - khí 47 Bảng 2.12 Tính tốn cân nhiệt buồng lửa - giai đoạn b 53 Bảng 2.13 Tính tốn cân trao đổi nhiệt cân vật chất sấy nguyên liệu 55 Bảng 2.14 Tính tốn cân nhiệt lò nhiệt phân 56 Bảng 2.15 Tính tốn enthalpy khói thải đốt nhiên liệu rắn 58 Bảng 2.16 Tính tốn cân nhiệt buồng lửa đốt nhiên liệu rắn (có tận dụng nhiệt khói thải) 59 Bảng 2.17 Tính tốn enthalpy khói thải đốt hỗn hợp nhiên liệu 60 Bảng 2.18 Tính tốn cân nhiệt buồng lửa đốt hỗn hợp nhiên liệu (có tận dụng nhiệt khói thải) 61 Bảng 2.19 Tính kiểm tra buồng lửa cấp nhiệt cho lò nhiệt phân 63 Bảng 2.20 Tính kiểm tra buồng sấy nguyên liệu tận dụng nhiệt khói thải 65 Bảng 2.21 Tính chọn quạt khói kích thước đường ống khói 68 Bảng 2.22 Tính chọn tải trọng hệ thống Palang cầu trục 69 Bảng 3.1 Thành phần cơng nghệ mẫu thí nghiệm 77 Bảng 3.2 Quy trình vận hành thực tế dây chuyền sản xuất than sinh học 82 Bảng 3.3 Bảng theo dõi q trình sản xuất than (khơng tận dụng nhiệt khói thải) 86 Bảng 3.4 Bảng theo dõi trình sản xuất than (tận dụng nhiệt khói thải để sấy nguyên liệu) 87 iii Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt Lạnh Bảng 3.5 Bảng tổng kết trình sản xuất than (không tận dụng nhiệt) 89 Bảng 3.6 Bảng tổng kết trình sản xuất than (tận dụng nhiệt) 89 Bảng 4.1 Bảng so sánh ưu nhược điểm 94 Bảng 4.2 Bảng tính chi tiết phân tích tài đầu tư (trường hợp khơng vay vốn) 96 Bảng 4.3 Bảng tính chi tiết phân tích kinh tế đầu tư lị thủ cơng sản xuất than 97 Bảng 4.4 Bảng tính chi tiết phân tích tài đầu tư (trường hợp không vay vốn) 99 Bảng 4.5 Bảng tính chi tiết phân tích kinh tế đầu tư dây chuyền sản xuất than 100 Bảng 4.6 Bảng tính chi tiết phân tích tài đầu tư (trường hợp không vay vốn) 101 Bảng 4.7 Bảng tính chi tiết phân tích kinh tế đầu tư dây chuyền sản xuất than 102 Bảng 4.8 Bảng so sánh lợi đầu tư dự án 103 Bảng 4.9 Bảng tính phát thải CO đơn vị sản phẩm 105 iv Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học Cơng nghệ Nhiệt Lạnh DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Than sinh học (charcoal) Hình 1.2 Cấu trúc rỗng, xốp than hoạt tính Hình 1.3 Than cục (lump charcoal) Hình 1.4 Than đen than trắng Hình 1.5 Than bánh hình gối Hình 1.6 Than bánh mùn cưa Hình 1.7 Ứng dụng than sinh học đời sống sản xuất Hình 1.8 Sự phân tách hydrocarbon phức tạp trình nhiệt phân 10 Hình 1.9 Mơ hình Broido-Shafizadeh biến đổi cellulose (có thể áp dụng hợp lý cho toàn sinh khối) 13 Hình 1.10 Thiết kế lị nhiệt phân kiểu tầng sơi 15 Hình 1.11 Thiết kế lị nhiệt phân kiểu tầng sơi tuần hoàn 16 Hình 1.12 Thiết kế lị nhiệt phân nhanh 16 Hình 1.13 Thiết kế lị nhiệt phân kiểu đĩa quay 17 Hình 1.14 Thiết kế lị nhiệt phân kiểu nón quay 18 Hình 1.15 Thiết kế lị nhiệt phân chân không 18 Hình 1.16 Lị hầm than kiểu tổ ong (FAO 1987) 20 Hình 1.17 Lị hầm than Missouri 20 Hình 1.18 Dây chuyền sản xuất than Carbo Twin 21 Hình 1.19 Dây chuyền sản xuất than Waggon 21 Hình 1.20 Dây chuyền sản xuất than Reichert 22 Hình 1.21 Dây chuyền sản xuất than Lambiotte 23 Hình 1.22 Dây chuyền sản xuất than eGenesis CR-2 23 Hình 2.1 Cấu trúc sơ module lò nhiệt phân 28 Hình 2.2 Kết cấu buồng lửa cấp nhiệt cho lò nhiệt phân 65 Hình 2.3 Kết cấu buồng sấy nhiên liệu tận dụng nhiệt khói thải 67 Hình 2.4 Bản vẽ phân bổ mặt dây chuyền sản xuất than 70 Hình 2.5 Bản vẽ phân bổ mặt dây chuyền sản xuất than (Tiếp) 71 Hình 2.6 Bản vẽ phân bổ mặt dây chuyền sản xuất than (Tiếp) 72 Hình 2.7 Bản vẽ thiết kế lị nhiệt phân (Tiếp) 74 Hình 2.8 Bản vẽ bố trị cụm Lị nhiệt phân - Buồng sấy (Tiếp) 75 v Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học Cơng nghệ Nhiệt Lạnh Hình 3.1 Cấu tạo lò nhiệt phân gia nhiệt điện trở 76 Hình 3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ đến khối lượng sản phẩm 77 Hình 3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ đến hàm lượng chất bốc carbon cố định sản phẩm 78 Hình 3.4 Ảnh hưởng nhiệt độ tới nhiệt trị sản phẩm 78 Hình 3.5 Ảnh hưởng thời gian tới khối lượng sản phẩm 79 Hình 3.6 Ảnh hưởng thời gian tới hàm lượng chất bốc carbon cố định sản phẩm 79 Hình 3.7 Hiệu suất lượng nhiệt độ 300ºC 80 Hình 3.8 Hiệu suất lượng khoảng thời gian 80 Hình 3.9 Hình ảnh thiết bị đo nhiệt độ - can nhiệt kiểu K 85 Hình 3.10 Tốc độ gia nhiệt (không tận dụng nhiệt) 90 Hình 3.11 Tốc độ gia nhiệt (tận dụng nhiệt) 91 Hình 3.12 Biểu đồ tiêu thụ nhiên liệu theo thời gian 91 Hình 3.13 Biểu đồ tiêu tổng lượng tiêu thụ 92 vi Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt Lạnh Tuổi thọ dự án kéo dài năm với hệ số chiết khấu 10% Ta có bảng tính chi tiết phân tích tài đầu tư sau (đơn vị tính: Triệu VNĐ): Bảng 4.4 Bảng tính chi tiết phân tích tài đầu tư (trường hợp khơng vay vốn) Năm thứ TT Tổng đầu tư ban đầu Tổng chi phí hàng năm ước tính (tăng dần 5%/năm) Tổng thu nhập hàng năm ước tính từ dự án (giả sử giá trị sản phẩm tăng bình quân 5%/năm) 0.0 1,364.8 1,433.0 1,504.6 1,579.9 1,658.9 1,741.8 1,828.9 0.0 1,912.7 2,008.3 2,108.7 2,214.2 2,324.9 2,441.1 2,563.2 600 Dòng tiền năm -600 547.9 575.3 604.1 634.3 666.0 699.3 734.3 Hệ số quy đổi 1.00 0.91 0.83 0.75 0.68 0.62 0.56 0.51 Dòng tiền năm quy -600 498.1 475.5 453.9 433.2 413.5 394.7 376.8 -600 -101.9 373.6 827.4 1,260.7 1,674.2 2,068.9 2,445.7 0.0 1,738.8 3,398.6 4,982.9 6,495.2 7,938.8 9,316.7 10,632.0 600 1,840.7 3,025.0 4,155.5 5,234.5 6,264.6 7,247.8 8,186.3 -8.7 53.7 77.4 87.3 91.8 94.0 95.1 0.9 1.1 1.2 1.2 1.3 1.3 1.3 10 11 12 Cộng dồn tới năm thứ i tương ứng (NPV sau i năm) Dịng thu nhập quy PV(B) tính tới năm thứ i dồn tương ứng Dòng chi phí quy PV(C) tính tới năm thứ i dồn tương ứng Suất hoàn vốn nội (Internal Rate of Return) Thời gian hồn vốn tính với hệ số chiết khấu (=10%), năm PV(B) / PV(C) 1.2 0.0 99 Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt Lạnh Các tiêu kinh tế dự án đầu tư dây chuyền sản xuất than suất 3,75 tấn/ngày: Bảng 4.5 Bảng tính chi tiết phân tích kinh tế đầu tư dây chuyền sản xuất than THÔNG SỐ TT ĐƠN VỊ GIÁ TRỊ triệu VNĐ 600.0 Tổng đầu tư Tổng thu nhập hàng năm triệu VNĐ/năm 1,912.7 Tổng chi phí hàng năm (nhân công, nguyên - nhiên liệu, sửa chữa - bảo dưỡng) triệu VNĐ/năm 1,364.76 Tuổi thọ tính tốn dự án đầu tư (tính trịn theo năm) năm Hệ số chiết khấu % 10.0 Thời gian hoàn vốn giản đơn tháng 3.8 Thời gian hoàn vốn chiết khấu tháng 14.6 Suất hoàn vốn nội (IRR) % 95.1 Giá trị (NPV) triệu VNĐ 2,446 10 Tỉ số lợi ích/chi phí (B/C) 1.30  TH2: Khi có tận dụng nhiệt khói thải: Lúc này, chi phí đầu tư ban đầu dây chuyền sản xuất than ước tính 750 triệu VNĐ Khi chi phí liên quan đến sửa chữa bảo dưỡng khấu hao thiết bị tăng lên, giá trị 37,5 triệu VNĐ/năm 112,5 triệu VNĐ/năm Tuy nhiên chi phí cho nhiên liệu đốt giảm đáng kể Cụ thể, tận dụng nhiệt khói thải, lượng tiêu thụ nhiên liệu cho lò mẻ 300 kg Tổng lượng nhiên liệu tiêu thụ 19,8 tấn/tháng Giá củi tạp không đổi 600 VNĐ/kg Chi phí nhiên liệu lúc cịn 11,88 triệu VNĐ/tháng (thay 31,68 triệu VNĐ/tháng TH1) Tổng chi phí tổng thu nhập 1.157,16 triệu VNĐ/năm 1.912,68 triệu VNĐ/năm Lợi nhuận hàng năm đạt 755,52 triệu VNĐ 100 Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt Lạnh Tuổi thọ dự án kéo dài năm với hệ số chiết khấu 10% Ta có bảng tính chi tiết phân tích tài đầu tư sau (đơn vị tính: Triệu VNĐ): Bảng 4.6 Bảng tính chi tiết phân tích tài đầu tư (trường hợp khơng vay vốn) TT Năm thứ Tổng đầu tư ban đầu Tổng chi phí hàng năm ước tính (tăng dần 10%/năm) Tổng thu nhập hàng năm ước tính từ dự án (giả sử giá trị sản phẩm tăng bình quân 5%/năm) Dòng tiền năm Hệ số quy đổi Dòng tiền năm quy 10 11 12 Cộng dồn tới năm thứ i tương ứng (NPV sau i năm) Dòng thu nhập quy PV(B) tính tới năm thứ i dồn tương ứng Dịng chi phí quy PV(C) tính tới năm thứ i dồn tương ứng Suất hoàn vốn nội (Internal Rate of Return) Thời gian hồn vốn tính với hệ số chiết khấu (=12%), năm PV(B) / PV(C) 0.0 1,157.2 1,215.0 1,275.8 1,339.6 1,406.5 1,476.9 1,550.7 0.0 1,912.7 2,008.3 2,108.7 2,214.2 2,324.9 2,441.1 2,563.2 -750.0 755.5 793.3 833.0 874.6 918.3 964.3 1,012.5 1.00 0.91 0.83 0.75 0.68 0.62 0.56 0.51 -750.0 686.8 655.6 625.8 597.4 570.2 544.3 519.6 -750.0 -63.2 592.5 1,218.3 1,815.6 2,385.9 2,930.2 3,449.7 0.0 1,738.8 3,398.6 4,982.9 6,495.2 7,938.8 9,316.7 10,632.0 750.0 1,802.0 2,806.1 3,764.6 4,679.6 5,552.9 6,386.5 7,182.3 0.7 64.9 88.3 97.7 101.9 103.9 104.8 1.0 1.2 1.3 1.4 1.4 1.5 1.5 750 1.1 0.0 101 Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt Lạnh Các tiêu kinh tế dự án đầu tư dây chuyền sản xuất than suất 3,75 tấn/ngày: Bảng 4.7 Bảng tính chi tiết phân tích kinh tế đầu tư dây chuyền sản xuất than THÔNG SỐ TT ĐƠN VỊ GIÁ TRỊ triệu VNĐ 750.0 Tổng đầu tư Tổng thu nhập hàng năm triệu VNĐ/năm 1,912.7 Tổng chi phí hàng năm (nhân cơng, ngun - nhiên liệu, sửa chữa - bảo dưỡng) triệu VNĐ/năm 1,157.16 Tuổi thọ tính tốn dự án đầu tư (tính trịn theo năm) năm Hệ số chiết khấu % 10.0 Thời gian hoàn vốn giản đơn tháng 4.7 Thời gian hoàn vốn chiết khấu tháng 13.2 Suất hoàn vốn nội (IRR) % 104.8 Giá trị (NPV) triệu VNĐ 3,450 10 Tỉ số lợi ích/chi phí (B/C) 1.48 4.2.3 So sánh, đánh giá tiêu kỹ thuật dự án Để khẳng định hấp dẫn dự án đầu tư, cần phải sử dụng tiêu chuẩn đánh giá dự án Khơng có tiêu chuẩn đánh giá mơ tả cách hồn hảo tính hấp dẫn dự án, dự án đầu tư thường phải sử dụng nhiều tiêu chuẩn để đánh giá khía cạnh khác dự án Các tiêu kinh tế tài bao gồm: + Giá trị NPV (Net Present Value): Là hiệu số dòng thu dòng chi dự án suốt thời kỳ phân tích quy đổi thành giá trị tương đương thời điểm Nó thể giá trị tăng thêm mà dự án đem lại cho nhà đầu tư NPV > 0: dự án có sinh lời, chấp nhận mặt kinh tế NPV = 0: dự án không sinh lời, không hấp dẫn mặt kinh tế NPV < 0: dự án lỗ, không chấp nhận mặt kinh tế + Hệ số chiết khấu (r): Là tỷ suất nhằm so sánh giá trị đồng tiền tương lai với đồng tiền Trong dự án đầu tư, r tỷ suất sử dụng vốn + Suất thu lợi nội IRR (Internal Rate of Return): Là suất chiết khấu làm cho giá trị dự án 0, hay nói cách khác lãi suất mà dự án tạo Khi NPV = 0, lãi suất dự án tạo vừa đủ để bù đắp chi phí sử dụng vốn IRR > r: dự án có suất sinh lời thực tế cao suất chiết khấu, chấp nhận IRR = r: dự án có suất sinh lời thực tế suất chiết khấu, chấp nhận hay không tùy vào mức độ quan trọng dự án IRR < r: dự án có suất sinh lời thực tế nhỏ suất chiết khấu, không chấp nhận 102 Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt Lạnh + Thời gian hoàn vốn (Thv): Là thời gian cần thiết để tổng lợi nhuận hàng năm bù đắp chi phí đầu tư, thời gian để chủ dự án thu hồi đủ vốn đầu tư ban đầu + Tỉ số lợi ích chi phí B/C (Benefit/Cost): Là tỉ số tổng giá trị quy doanh thu tổng giá trị quy chi phí dự án B/C > 1: dự án chấp nhận B/C < 1: dự án không chấp nhận B/C = 1: dự án chấp nhận hay không phụ thuộc vào mức quan trọng dự án Vậy, ta lập bảng so sánh lợi đầu tư dự án dựa tiêu đánh giá kinh tế sau: Bảng 4.8 Bảng so sánh lợi đầu tư dự án Lị hầm - ủ thủ cơng Dây chuyền sản xuất (khơng tận dụng) Dây chuyền sản xuất (có tận dụng) Giá trị (NPV) (triệu VNĐ) 1,184 2,446 3,450 Suất thu lợi nội (IRR) (%) 382.1 95.1 104.8 Thời gian hoàn vốn chiết khấu (tháng) 3.5 14.6 13.2 Tỉ số lợi ích/chi phí (B/C) 1.23 1.30 1.48 : Rất tốt : Tốt : Trung bình Các dự án nêu đem lại hiệu mặt kinh tế cho chủ đầu tư Khi lựa chọn dự án theo mức quan tâm tới vấn đề vốn đầu tư ban đầu (thông đánh giá số suất thu lợi nội IRR) thời gian hồn vốn (có chiết khấu) ta thấy việc đầu tư lò hầm ủ chiếm ưu chi phí đầu tư ban đầu thấp, lý khiến lị thủ cơng tiếp tục phát triển mạnh, quy mô nhỏ lẻ, sản xuất – kinh doanh kiểu hộ gia đình Tuy nhiên, xét đến dự án đầu tư dây chuyền sản xuất than hiệu suất cao, giảm thiểu ô nhiễm mơi trường (có tận dụng nhiệt khói thải) đem lại lợi nhuận vô lớn thể giá trị (NPV = 3.450 triệu VNĐ) lớn nhất, với tỷ lệ lợi ích/chi phí đạt xấp xỉ 1,5 Ngoài ra, quy định bảo vệ môi trường thắt chặt, chế tài xử phạt nguồn gây nhiễm khơng khí hình thành lị thủ cơng ngày gặp nhiều khó khăn để tồn tại, đặc biệt suốt thời gian tuổi thọ dự án lên tới đến 10 năm sau 4.3 Đánh giá số tiêu môi trường công nghệ sản xuất than Trong năm qua, với xu đổi hội nhập, Việt Nam tạo xung lực cho trình phát triển, vượt qua tác động suy thối tồn cầu trì 103 Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt Lạnh tỷ lệ tăng trưởng kinh tế hàng năm với mức bình quân 5,7 %/năm Tuy nhiên, nước ta phải đối mặt với nhiều thách thức, có vấn đề nhiễm mơi trường khơng khí Ơ nhiễm khơng khí khơng vấn đề nóng tập trung thị phát triển, khu, cụm công nghiệp… mà trở thành mối quan tâm tồn xã hội Nó xem tác nhân hàng đầu có nguy tác động nghiêm trọng sức khỏe cộng đồng Với mục đích cung cấp tranh tổng thể chất lượng mơi trường khơng khí, Bộ Tài ngun Môi trường xây dựng Báo cáo môi trường quốc gia năm 2013 với chủ đề Mơi trường khơng khí Báo cáo phân tích cụ thể trạng mơi trường khơng khí xung quanh (khơng bao gồm mơi trường khơng khí nhà khu vực sản xuất) giai đoạn 2008 - 2013, nguyên nhân gây ô nhiễm, từ đưa giải pháp khắc phục cho năm tới Chất lượng môi trường khơng khí chịu ảnh hưởng yếu tố khí hậu, thời tiết, độ che phủ xanh hoạt động kinh tế - xã hội Trong đó, hoạt động kinh tế xã hội trực tiếp gây tác động nguy hại nghiêm trọng đến chất lượng môi trường khơng khí Các nguồn nhiễm khơng khí từ hoạt động sản xuất cơng nghiệp có đặc thù phân bố cục quanh khu vực sản xuất có nồng độ chất độc hại cao Đặc biệt hoạt động sản xuất số nhóm làng nghề, có làng nghề sản xuất than củi lò hầm - ủ, tạo sức ép đáng kể lên môi trường Từ ngàn xưa, than củi nguồn lượng cung cấp nhiệt thiếu cho nhiều nước giới, đặc biệt nước nghèo nước phát triển Đối với số nước, ngành sản xuất than củi truyền thống không góp phần giải lượng lớn lao động mà quan trọng hơn, cịn góp phần phát triển kinh tế quốc gia Việc sản xuất than lò hầm - ủ điều kiện thiếu oxy sản sinh lượng lớn khí CO2, CO hạt bụi dạng hạt bụi PM10, PM2.5 Việt phát thải khí độc hại có tác động tiêu cực tới sức khỏe người suy giảm chức gây bệnh hô hấp, suy nhược thần kinh, tim mạch, làm giảm tuổi thọ gây bệnh ung thư Ngồi ra, chất gây nhiễm khơng khí thủ phạm gây tượng lắng đọng mưa acid, gây hủy hoại hệ sinh thái, giảm tính bền vững cơng trình xây dựng, phá hủy hệ sinh thái gây biến đổi khí hậu Nhìn chung, ngun nhân nhiễm chủ yếu từ ngành nghề lý giải công nghệ sản xuất chưa cải tiến đáng kể, hiệu suất sử dụng lượng tài nguyên chưa cao, đầu tư cho công tác bảo vệ môi trường hộ sản xuất, doanh nghiệp chưa trọng chế tài quản lý vấn đề ô nhiễm môi trường không khí chưa hiệu Coi lượng phát thải khí sản phẩm cháy nhiên liệu rắn (củi gỗ tạp) từ trình đốt cháy để cấp nhiệt cho trình sản xuất loại hình sản xuất (lị thủ cơng dây chuyền sản xuất than sinh học) Ta tập trung xét tới lượng khí sản phẩm q trình nhiệt phân phát thải ngồi mơi trường 104 Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt Lạnh Đối với lị hầm ủ thủ cơng, lượng khí sản phẩm cháy thải toàn bộ, kèm theo lượng ẩm giai đoạn sấy kiệt nguyên liệu khí nhiệt phân (bao gồm ngưng tụ tạo dầu nhiệt phân, tar khí khơng ngưng CO, CO2, CH4, H2, N2) Cuối giai đoạn đốt lò, lò hầm - ủ tiến hành om lò, tức hầu hết lỗ khói bị bịt kín đất sét, lò tiếp tục cháy âm ỉ lượng nhiên liệu cịn lại lượng khí nhiệt phân giữ lại giai đoạn Tuy nhiên lượng khí nhiệt phân tận dụng giai đoạn cuối ước tính đạt 20% so với tổng lượng khí nhiệt tạo thành Cịn lại 80% khí nhiệt phân thải ngồi mơi trường mà khơng qua công đoạn xử lý Đối với dây chuyền sản xuất than hiệu suất cao, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, lượng khí sản phẩm cháy sau tận dụng nhiệt sấy nguyên liệu xử lý tháp xử lý khói để giảm thiểu tối đa lượng bụi khí độc hại trước thải ngồi mơi trường Các khí nhiệt phân sau ngưng tụ để tách sản phẩm lỏng dầu nhiệt phân, tar,… cịn lại khí dễ cháy, nhiệt trị cao hầu hết đưa trở lại buồng đốt để tiếp tục đốt cháy cấp nhiệt cho lò nhiệt phân Lượng tận dụng ước tính lên tới 75% tổng lượng khí nhiệt phân sản xuất ra) Lượng khí nhiệt phân sản sinh q trình nhiệt phân phần lớn khí khơng ngưng, nhiên cịn khoảng 10% khí ngưng tụ Việc ngưng tụ khí giúp tạo thành sản phẩm lỏng dầu nhiệt phân loại bỏ tar khí thải Với suất sản xuất than thành phẩm dây chuyền sản xuất than sinh học cao so với lị thủ cơng, đồng nghĩa với việc để tạo lượng sản phẩm lị thủ cơng cần nguồn ngun liệu đầu vào lớn Khi lượng khí phát thải q trình nhiệt phân lớn tính cho đơn vị sản phẩm Với khí khơng ngưng chiếm tỷ trọng lớn khí sản phẩm nhiệt phân CO (36,4%), H2 (53,5%), CO2 (5,9%), N2 (3,2%), CH4 (0,8%), có CO, CO2 CH4 khí gây tác hại tiêu cực đến mơi trường khơng khí cần phải xử lý trước thải mơi trường Khí CO loại khí có độc tính cao, nguy hiểm Khí CO khơng màu, khơng mùi, hít phải lượng lớn CO vào thể gây tình trạng thiếu oxi máu, kéo dài dẫn đến tử vong Trong khí kể trên, CO khí độc hại chiếm tỷ trọng lớn Tính cho đơn vị sản phẩm, lượng khí CO phát thải ngồi mơi trường lị thủ cơng dây chuyền sản xuất than sinh học trình bày bảng sau: Bảng 4.9 Bảng tính phát thải CO đơn vị sản phẩm TT Thông số Lượng nguyên liệu cấp vào tháng Giá trị Công thức – Ký hiệu Đơn vị Lị thủ cơng (1) D/c sản xuất than sinh học (2) Gnlc 100 82.5 105 Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt Lạnh Giá trị TT Thông số Công thức – Ký hiệu Lượng than thành phẩm tháng Gsp 22 22.8 Hiệu suất sản xuất than ηsxt = Gsp/Gnlc % 22 27.6 Tổng lượng khí khơng ngưng thoát mkkn 35.3 29.1 Phần trăm tận dụng khí khơng ngưng εkkn % 20.0 75.0 Lượng tận dụng khí khơng ngưng mkkn' = mkkn.ηsxt 7.1 21.9 Lượng khí khơng ngưng cịn lại thải ngồi mơi trường mkkn'' 28.3 7.3 Khối lượng riêng khí khơng ngưng ρkkn kg m3 Vkkn = mkkn''/ρkkn nghìn m3 εkCO % VkCO = Vkkn.εkCO nghìn m3 10 Thể tích khí khơng ngưng thải ngồi mơi trường Phần trăm thể tích khí CO khí thải ngồi mơi trường Đơn vị Lị thủ công (1) D/c sản xuất than sinh học (2) 0.627 45.1 11.6 36.4 11 Thể tích khí CO thải ngồi mơi trường 12 Khối lượng riêng khí CO ρkCO kg m3 13 Khối lượng khí CO thải ngồi mơi trường mkCO 18.8 4.8 14 Lượng phát thải khí CO đơn vị sản phẩm σ CO/ than 0.9 0.2 16.4 4.2 1.145 Qua đó, thấy, việc đốt tận dụng khí sản phẩm q trình nhiệt phân khơng giúp giảm tiêu hao nhiên liệu giúp giảm đáng kể lượng phát thải khí CO (tính đơn vị sản phẩm) Cụ thể, giúp giảm 0,7 CO/tấn than thành phẩm so với lị thủ cơng Ngồi khí CO, khí khác CH4, C2H4, C3H6, C2H6, C3H8, axetic acid vòng benzel chiếm tỷ trọng nhỏ nhiên chất dễ cháy gây ngộ độc người Việc phát thải khí độc hại từ q trình sản xuất than lị hầm - ủ thủ cơng địa bàn nhiều tỉnh khắp nước phản ánh nhiều qua truyền thông phương tiện thơng tin đại chúng Đặc biệt có số báo đánh giá nguy ô nhiễm khơng khí sức khỏe cơng đồng lị hầm ủ, cụ thể đăng Tạp chí 106 Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt Lạnh Khoa học Trường Đại học Cần Thơ (tập 55, số 2A – 2019) tác giả Lê Thị Thùy Như vấn đề nêu địa bàn huyện Châu Thành, tỉnh Hậu Giang Vấn đề nghiên cứu hoạt động lò than địa bàn tỉnh làm giảm suất ăn trái (giảm khoảng 20 – 30% so với vườn lị than lân cận), khoảng 35% người dân lân cận khu vực lò than thường xuyên mắc bệnh phổi, viêm mũi, bệnh mắt, bệnh liên quan đến da khớp Các thông số ô nhiễm CO, SO2 vượt QCVN 19:2009/BTNMT Trong điều kiện làm việc thời gian tiếp xúc 70 năm tỷ lệ người có nguy ung thư 21 nam giới 35 nữ giới tổng số 100.000 người Hơn hết, quy định vị trí đặt sở sản xuất than, lắp đặt thiết bị xử lý khói thải để đảm bảo nồng độ chất độc hại trước thải môi trường dần siết chặt Việc làm tăng chi phí đầu tư cho lị thủ cơng, vốn có tuổi thọ ngắn lợi tốt so sánh với dây chuyền sản xuất than sinh học 107 Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt Lạnh Chương Kết luận đề xuất 5.1 Kết luận Với mục tiêu ban đầu đề tài là: “Phát triển thành công hệ thống sản xuất than sinh học có hiệu suất cao lị thủ công nay, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường sử dụng hiệu nguồn tài nguyên sinh khối”, luận văn nghiên cứu nội dung sau: + Nghiên cứu tổng quan; + Đề xuất, tính tốn thiết kế dây chuyền sản xuất than; + Tiến hành thực nghiệm mơ hình thí nghiệm hệ thống sản xuất than thực tế; + Đánh giá tiêu kinh tế, kỹ thuật môi trường hệ thống sản xuất than Từ nghiên cứu lý thuyết nhiệt phân, với trọng tâm phương pháp nhiệt phân chậm nguyên liệu sinh khối để sản xuất than, luận văn tính tốn thiết kế hồn thiện hệ thống sản xuất than với khả tận dụng khí sản phẩm nhiệt phân, qua giúp tiết kiệm chi phí vận hành, nâng cao suất giảm thiểu ô nhiễm môi trường Khi tiến hành thực nghiệm mô hình thí nghiệm hệ thống sản xuất than cho kết tương đương với lượng sai số nằm khoảng cho phép Qua cho thấy, kết tính tốn lý thuyết thơng số lựa chọn phù hợp, chấp nhận áp dụng vào sản xuất thực tế Việc đánh giá tiêu kinh tế, kỹ thuật môi trường làm rõ khả cạnh tranh dây chuyền sản xuất than so với lị than thủ cơng Vì vậy, coi tiền đề để tiếp tục nghiên cứu, phát triển cải tạo dây chuyền sản xuất than sinh học sau Tuy nhiên, ngồi kết đạt trên, cịn có số hạn chế cần nghiên cứu sâu sau: + Các tài liệu nghiên cứu, tính tốn thiết kế lị nhiệt phân cơng bố nghiên cứu tương tự cịn hạn chế Vì q trình tính tốn thiết kế, số cơng thức thực nghiệm tính tốn lý thuyết cịn sử dụng hệ số lựa chọn, dẫn tới thơng số thiết kế chưa mang tính phổ qt, phù hợp cho việc tính tốn dây chuyền tương tự + Các trình ghi chép số liệu thực nghiệm thực thủ cơng mơ hình sản xuất công nghiệp nên xuất sai số thực nghiệm Ngoài ra, nguyên liệu nhiên liệu sử dụng từ nhiều nguồn khác nhau, chất lượng thành phần khác Việc không đảm bảo nguồn cung ứng nguyên, nhiên liệu vấn đề tồn thực tế vận hành sản xuất cần tính tốn kỹ lượng trước thiết kế Tiềm phát triển dây chuyền sản xuất than quy mô công nghiệp, bán công nghiệp lớn, nhiên vấn đề chi phí đầu tư trở ngại lớn lĩnh vực Chính vậy, hướng phát triển nhằm cải tiến công nghệ giúp gia tăng 108 Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt Lạnh suất sản xuất than, đồng thời giúp giảm thiểu vấn đề ô nhiễm môi trường trước nhu cầu thị trường than tăng trưởng mạnh đề xuất mục sau 5.2 Đề xuất Trước vấn đề nêu trên, luận văn đưa số đề xuất nhằm giải vấn đề tồn cơng nghệ vấn đề nằm ngồi phạm vi nghiên cứu sau: + Cần tiến hành phân tích liệu thị trường cung ứng nguyên, nhiêu liệu, đảm bảo số lượng chất lượng nguyên, nhiên liệu đầu vào so với tính tốn thiết kế ban đầu + Việc tính tốn truyền nhiệt trao đổi chất trình nhiệt phân sinh khối xây dựng chi tiết tăng thêm nguồn tài liệu tham khảo đáng tin cậy, kết hợp với phần mềm mô để kết tính tốn thiết kế xác + Luận văn phần tác động nguy hại lị than thủ cơng tới mơi trường, đồng thời so sánh giảm tác động có hại chuyển đổi sang dây chuyền sản xuất than cơng nghệ Qua cho thấy, sách mơi trường lĩnh vực sản xuất than cần sớm hồn thiện có chế tài phù hợp để dần hạn chế quy mô lị than thủ cơng Đồng thời, đề sách khuyến khích hộ sản xuất chuyển đổi công nghệ + Hiện tại, dây chuyền thiết kế vận hành theo hình thức bán liên tục, tương lai, dây chuyền sản xuất liên tục phát triển cải tiến để nâng cao suất vận hành tiết kiệm, hiệu + Nghiên cứu, ứng dụng dạng vật liệu kết hợp với công nghệ xây dựng, lắp đặt đại giúp giảm chi phí đầu tư ban đầu + Nghiên cứu cải tạo bề mặt trao đổi nhiệt buồng lửa buồng sấy để tăng hiệu trao đổi nhiệt + Hiện tại, dây chuyền sản xuất hướng tới nâng cao suất sản phẩm rắn (than), đồng thời tận dụng lượng sản phẩm khí khơng ngưng để cung cấp nhiệt cho q trình nhiệt phân Tuy nhiên, lượng đáng kể chất khí ngưng tụ tạo thành sản phẩm lỏng dầu sinh học (bio-oil) Vì vậy, việc nghiên cứu theo hướng sản xuất đa sản phẩm (rắn, lỏng) hoàn toàn khả thi + Vấn đề trữ lượng nguyên liệu cung cấp cho dây chuyền quy mô công nghiệp, bán cơng nghiệp vơ quan trọng Có thể tiếp tục nghiên cứu phát triển công nghệ đáp ứng loại nguyên liệu khác giúp giải vấn đề thơng số tính tốn thiết kế chưa mang tính phổ qt đề tài 109 Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học Cơng nghệ Nhiệt Lạnh Phụ lục Phụ lục hình ảnh mơ hình thí nghiệm Hình ảnh thiết bị nhiệt phân Thân lị Đỉnh lị bảng điều khiển Bình cấp nito Mặt nắp lò Mặt nắp lò Mặt bên nắp lị Hình ảnh ngun liệu Ngun liệu cắt nhỏ Nguyên liệu bảo quản túi 110 Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học Cơng nghệ Nhiệt Lạnh Hình ảnh sản phẩm a 250⁰C 4h b 250⁰C 6h c 250⁰C 8h d 300⁰C 2h e 300⁰C 4h f 300⁰C 6h g 300⁰C 8h h 350⁰C 2h i 350⁰C 4h k 350⁰C 6h l 350⁰C 8h m 400⁰C 2h n 400⁰C 4h o 400⁰C 6h p 400⁰C 8h Phụ lục hình ảnh hệ thống sản xuất than thực tế Không gian xưởng bố trí lị nhiệt phân 111 Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt Lạnh Nhân viên vận hành tro Nhân viên vận hành làm kín lò đất sét Các buồng sấy nguyên liệu Thiết bị đo nhiệt độ, kèm đồng hồ theo dõi số liệu Buồng nhiệt phân Các buồng nhiệt phân chờ sấy Than thành phẩm buồng nhiệt phân Các giỏ than thành phẩm lấy 112 Hệ thống palang dịch chuyển giỏ nguyên liệu than thành phẩm Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt Lạnh Tài liệu tham khảo Nguyễn Tiến Cương, Nghiên cứu phát triển hệ thống khí hóa sinh khối để cung cấp lượng quy mô nhỏ Việt Nam, Luận án Tiến sĩ, 2015 Prabir Basu, Biomass Gasification and Pyrolysis – Practical design and Theory, Elsevier Inc., 2010 Phạm Văn Trí, Giáo trình Lị cơng nghiệp, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 1999 Nguyễn Sỹ Mão, Giáo trình lị tập I, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2006 Đặng Quốc Phú, Giáo trình Truyền Nhiệt, Nhà xuất giáo dục, 2004 Dong Ho Lee, Prediction of gaseous products from biomass pyrolysis through combined kinetic and thermodynamic simulations, Elsevier Inc., 2006 Nguyễn Tiến Cương cộng sự, Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ vận hành đến hiệu suất q trình nhiệt phân sinh khối, Tạp chí Năng lượng nhiệt, 2017 V.C.H Thư, Đánh giá khả đốt kèm sinh khối với than atraxit, Luận văn thạc sĩ, 2013 H.K.Jun Han, The reduction and control technology of tar during biomass pyrolysis: An overview, Renewable and Sustainable Energy Reviews 12., 2008 10 Colomba Di Blasi, Modeling chemical and physical processes of wood and biomass pyrolysis, 2007 11 D.J Frederick, Wood basic density and moisture content of yuong eucalyptus regnans grown in New Zealand, 1982 12 Dekui Shen, The overview of thermal decomposition of Cellulose in Lignocellulosic biomass, 2013 13 Phạm Duy Hữu, Giáo trình Vật liệu xây dựng(chương – Vật liệu gỗ), Trường đại học giao thông vận tải, 2007 14 https://phyllis.nl/Browse/Standard/ECN-Phyllis#eucalyptus 15 https://www.engineeringtoolbox.com/ 16 https://www.egenindustries.com/ 113 ... thống sản xuất than hiệu suất cao, giảm thiểu ô nhiễm môi trường để dần thay lò thủ công giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường, sử dụng hiệu nguồn tài nguyên sinh khối 1.1.2 Mục tiêu đề tài Phát triển. .. (2009) - Nghiên cứu phát triển công nghệ sản xuất than sinh học chi phí thấp, giảm nhiễm môi trường; I.Ahmed (2012) - Nghiên cứu phát triển công nghệ tận dụng lượng từ trình sản xuất than đước;...TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu phát triển hệ thống sản xuất than sinh học hiệu suất cao, giảm thiểu ô nhiễm môi trường VÕ HỒNG NAM CH2018B