Đặc tớnh Nhiờn liệu
Trấu Bó mớa Rơm rạ Phế thải gỗ Khối lƣợng riờng (kg/m3) 120 260 200 500 Nhiệt lƣợng (kJ/kg) 12560 7745 10467 14654 Độ ẩm trung bỡnh (%) 14 50 35 25 Độ tro (%) 16-18 2-5 10-12 1-3
Nguyờn liệu sinh khối nhƣ trấu lỳa, mớa đƣờng, gỗ, cọ dừa và ngũ cốc thu hoạch theo mựa vụ tự nhiờn. Chỳng ảnh hƣởng đến hoạt động của lũ hơi sinh khối. Hệ thống thu gom và lƣu trữ sinh khối cần đƣợc xỏc lập giữa cỏc bờn cung ứng, bờn bỏn và bờn sử dụng. Điều kiện thuận lợi là cỏc quốc gia vựng Mờ Kụng đều cú khớ hậu nhiệt đới rất phự hợp cho việc thu hoạch nhiều mựa vụ trong một năm.
36
Kớch cỡ của nhiờn liệu sinh khối cú thể định dạng: mựn cƣa, chất thải ngũ cốc nhƣng trong trƣờng hợp cần thiết chất thải gỗ và mớa đƣờng phải đƣợc cắt nhỏ. Nguyờn liệu sinh khối phần lớn đều cồng kềnh nờn cần lƣu ý đến vấn đề lƣu trữ và vận chuyển, thụng thƣờng nguyờn liệu sinh khối cần tiến hành một vài quỏ trỡnh sơ chế để khống chế kớch thƣớc thể tớch tự nhiờn nhƣ ộp thành bỏnh than hay dạng viờn nộn để thuận tiện cho lƣu trữ và vận chuyển. [15]
Mặc dự đặc tớnh cụng nghệ của sinh khối khụng tốt nhƣ cỏc nhiờn liệu húa thạch nhƣng trong tƣơng lai chắc chắn sinh khối sẽ là nhiờn liệu thay thế, do một số đặc điểm sau:
* Vai trũ của sinh khối
Sinh khối cú thể đƣợc xem nhƣ một dạng tớch trữ năng lƣợng mặt trời. Năng lƣợng mặt trời đƣợc “giữ” lại bởi cõy cối qua quỏ trỡnh quang hợp trong giai đoạn phỏt triển của chỳng.
Lợi ớch
- Trƣớc nhất, đõy là một nguồn năng lƣợng tỏi tạo, nếu chỳng ta cú thể bảo đảm đƣợc tốc độ trồng cõy thay thế.
- Sinh khối đƣợc phõn bố đồng đều hơn trờn bề mặt trỏi đất so với cỏc nguồn năng lƣợng khỏc (nhiờn liệu húa thạch…), và cú thể đƣợc khai thỏc mà khụng đũi hỏi đến cỏc kỹ thuật hiện đại phức tạp và tốn kộm.
- Giảm sự phụ thuộc vào cỏc nguồn năng lƣợng húa thạch nhƣ than đỏ, dầu mỏ. - Tạo ra cơ hội cho cỏc địa phƣơng, cỏc khu vực và cỏc quốc gia trờn toàn thế giới tự bảo đảm cho mỡnh nguồn cung cấp năng lƣợng một cỏch độc lập.
- Đõy là một giải phỏp thay thế cho năng lƣợng húa thạch, giỳp cải thiện tỡnh hỡnh thay đổi khớ hậu đang đe dọa trỏi đất.
- Phỏt triển năng lƣợng sinh khối tạo thờm cụng ăn việc làm cho ngƣời lao động (sản xuất, thu hoạch…).
- Thỳc đẩy sự phỏt triển cụng nghiệp năng lƣợng, cụng nghiệp sản xuất cỏc thiết bị chuyển húa năng lƣợng…
37
- Việc đốt sinh khối theo cụng nghệ cũ sinh ra cỏc hạt bụi lơ lửng gõy ụ nhiễm. ễ nhiễm khụng khớ là một trong những nguyờn nhõn gõy bệnh tật và tử vong.
- Nếu tập trung vào nguồn sinh khối gỗ thỡ gõy tỏc động tiờu cực đến mụi trƣờng, phỏ rừng, xúi mũn đất, sa mạc húa, và những hậu quả nghiờm trọng khỏc.
b. Phõn loại
- Nguồn nhiờn liệu sinh khối sơ cấp từ cỏc vựng đất rừng (rừng tự nhiờn, rừng trồng, rừng tỏi sinh từ việc trồng cỏc cõy cụng nghiệp nhƣ cao su, điều, v.v.); từ cụng tỏc canh tỏc đất nụng nghiệp.
- Nguồn nhiờn liệu sinh khối thứ cấp từ cụng nghiệp chế biến gỗ nhƣ mựn cƣa, gỗ vụn, gỗ phế thải.
- Nguồn nhiờn liệu sinh khối thứ cấp từ phế thải nụng nghiệp nhƣ trấu, bó mớa, vỏ hạt điều, vỏ dừa, vỏ cà phờ, lừi ngụ v.v.
- Nguồn nhiờn liệu sinh khối sơ cấp từ cỏc sản phẩm động vật (phõn, phế thải của cụng nghiệp giết mổ)
c. Tỡnh hỡnh sử dụng biomass trong lũ hơi Việt Nam
Sinh khối sử dụng ở Việt Nam chủ yếu là đốt trực tiếp. Một số thiết bị khớ húa sinh khối đang đƣợc phỏt triển với mong muốn sử dụng đƣợc cho lũ hơi. Cỏc thiết bị này cú thể nhập từ Trung Quốc, Ấn Độ hoặc sản xuất trong nƣớc nhƣng chủ yếu chỉ sử dụng đƣợc cho lũ hơi cỡ nhỏ với cụng suất vài trăm kg/h. Hiện nay nhiều cơ sở chế biến sinh khối từ phế thải của cụng nghiệp gỗ, rừng hay nụng nghiệp thành cỏc dạng viờn nộn, thanh củi, hay nghiền mịn giỳp làm tăng hiệu quả sử dụng nhiờn liệu. Tuy nhiờn do giỏ thành cao nờn cỏc nhiờn liệu này chủ yếu để xuất khẩu sang Hàn Quốc, Nhật Bản, Trung Quốc, Chõu Âu. Đõy cũng là nguồn nhiờn liệu tốt nờn đƣợc sử dụng cho lũ hơi trong tƣơng lai.
Cụng nghệ sử dụng sinh khối cho lũ hơi
- Sử dụng trực tiếp từ cỏc dạng nhiờn liệu sinh khối thụ, rời
Nhiờn liệu sinh khối nhƣ củi, gỗ, bó mớa, cỏc loại vỏ hạt cà phờ, điều…đƣợc sử dụng trực tiếp làm nhiờn liệu đốt lũ, cỏc nhiờn liệu sinh khối trờn chỉ cần qua một số cụng đoạn đơn giản nhƣ sàng lọc, phơi khụ, là cú thể đem sử dụng. Ƣu điểm là dễ
38
sử dụng, tuy nhiờn chƣa tạo đƣợc cỏc sản phẩm cú chất lƣợng cao, yờu cầu diện tớch kho bói chứa hàng lớn và chƣa thƣơng mại húa đƣợc sản phẩm.
- Sử dụng dƣới dạng cỏc bỏnh than hoặc viờn nộn sinh khối.
Ngoài việc sử dụng sinh khối trực tiếp thỡ sinh khối cũn đƣợc sản xuất dƣới dạng cỏc bỏnh than sinh khối – briquettes hoặc viờn nộn sinh khối – pellets (hỡnh 2.4) để tạo ra cỏc sản phẩm sinh khối cú chất lƣợng cao hơn, thay thế than, dầu; dễ sử dụng và cú thể thƣơng mại húa sản phẩm sinh khối đem lại nguồn thu ngoại tệ đỏng kể. Nguyờn liệu đầu vào chủ yếu là từ bó mớa, trấu, rơm rạ, gỗ vụn, mựn cƣa, vỏ cà phờ…trải qua một vài cụng đoạn nhƣ sấy, nghiền, nộn, làm mỏt sẽ cho ra cỏc sản phẩm sinh khối sử dụng cho cỏc bếp đun gia đỡnh, cỏc lũ đốt cụng nghiệp, cỏc lũ hơi và phục vụ nhu cầu xuất khẩu.
Hỡnh 2.4. Cỏc dạng nhiờn liệu sinh khối cao cấp
Cụng nghệ đốt trực tiếp sinh khối
Trong phƣơng phỏp đốt trực tiếp sử dụng cỏc cụng nghệ sau: [16] - Chỏy chất đống
Kết cấu đơn giản với ghi cố định, nhiờn liệu đƣợc cấp vào buồng đốt từ phớa trờn hoặc dƣới ghi đốt. Phƣơng phỏp đốt này thớch hợp cho loại nhiờn liệu sinh khối cú độ ẩm cao và dải phõn bố kớch thƣớc hạt rộng, hiệu suất chỏy thấp (50 ữ 60 %).
- Chỏy trờn ghi
Cú 3 dạng ghi: ghi nghiờng cố định, ghi chuyển động và ghi lắc. Nhiờn liệu đƣợc rải đều trong buồng đốt. Tốc độ cấp nhiờn liệu phải phự hợp với tốc độ chỏy, độ ẩm trong nhiờn liệu: 10 %. Hiệu suất chỏy tƣơng đối cao: 85 ữ 95 %.
39 - Chỏy theo dũng
Cú 2 kiểu: chỏy dạng phun và chỏy theo dũng xoỏy (xiclon), cần cú hệ thống xử lý và cung cấp nhiờn liệu phức tạp. Nhiờn liệu cần sấy trƣớc khi sử dụng, cỡ hạt nhiờn liệu nhỏ, dao động trong khoảng 0,075 ữ 0,1 mm đối với chỏy dạng bột phun; nhỏ hơn 6 mm đối với chỏy theo dũng xoỏy (xiclon). Cho phộp đốt đồng thời nhiờn liệu sinh khối với than, phạm vi cụng suất rộng cú thể đƣợc ứng dụng trong cỏc nhà mỏy nhiệt điện.
- Chỏy lớp sụi và lớp sụi tuần hoàn
Nhiờn liệu chỏy lơ lửng trong lớp hạt trơ (cỏt, tro, chất hấp thụ), cỡ hạt nhiờn liệu phải đồng đều. Tốc độ giú trong buồng đốt cao: 1 ữ 3 m/s đối với chỏy sụi bọt, 4 ữ 12 m/s đối với chỏy tầng sụi tuần hoàn, cần hệ thống xiclon phức tạp để thu hồi cỏc hạt tro bụi nhỏ bay theo dũng. Cú thể ỏp dụng cho sinh khối với độ ẩm và độ tro cao, hiệu suất chỏy cao 95 ữ 99 %.
2.3. Nhận xột
Trong hệ thống hơi cụng nghiệp ở Việt Nam, tựy theo từng lũ hơi và yờu cầu cụng nghệ mà sử dụng loại nhiờn liệu phự hợp cú thể là sử dụng than, dầu, biomass hoặc đa nhiờn liệu. Hiện tại trong cụng nghiệp số lũ hơi sử dụng than làm nhiờn liệu đang chiếm chủ yếu ở Việt Nam, tuy nhiờn trong tƣơng lai khụng xa số lƣợng lũ hơi sử dụng biomass làm nhiờn liệu sẽ tăng lờn do nguồn than đang dần cạn kiệt và những tỏc động xấu tới mụi trƣờng khi sử dụng than làm nhiờn liệu, bờn cạnh đú tiềm năng nhiờn liệu sinh khối ở Việt Nam rất lớn, hơn nữa sử dụng biomass ớt tỏc động xấu tới mụi trƣờng. Cỏc sản phẩm chất cú chất lƣợng từ biomass nhƣ viờn nộn sinh khối, than hoặc bỏnh than sinh khối sẽ dần thay thế cỏc nhiờn liệu húa thạch trong tƣơng lai tới đõy.
40
CHƢƠNG 3 – PHÂN TÍCH CÁC TIỀM NĂNG TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG TRONG Lề HƠI VÀ HỆ THỐNG HƠI
Hiện nay, tiết kiệm năng lƣợng đang là một trong những chủ đề "núng" khụng chỉ trong phạm vi từng quốc gia mà đó trở thành vấn đề của thế giới. Nhiều ngành cụng nghiệp đang phải đối mặt với nguy cơ thiếu năng lƣợng, cỏc nguồn dự trữ năng lƣợng tự nhiờn ngày càng cạn kiệt, vỡ thế, vấn đề tiết kiệm năng lƣợng trở thành một khõu then chốt trong chiến lƣợc phỏt triển kinh kế của nhiều quốc gia trờn thế giới. Muốn vậy, phải chỉ ra đƣợc những biện phỏp hữu hiệu nhằm tiết kiệm năng lƣợng. Trong sản xuất cụng nghiệp, thiết bị lũ hơi là một trong những nơi dễ thất thoỏt năng lƣợng. Do đú, việc nghiờn cứu biện phỏp tiết kiệm năng lƣợng trong hệ thống hơi là cần thiết, gúp phần tiết kiệm nguồn dự trữ năng lƣợng quốc gia. [10]
3.1. Phƣơng trỡnh cõn bằng nhiệt lũ hơi
Để xỏc định hiệu quả hoạt động của lũ hơi ta cần xỏc định cỏc luồng năng lƣợng và vật chất đi vào và ra khỏi lũ hơi.
Cỏc luồng vật chất và năng lượng đi vào lũ hơi:
- Nhiờn liệu: rắn, lỏng hoặc khớ; khụng khớ; nƣớc cấp - Cụng suất cơ của động cơ bơm, quạt
Cỏc luồng vật chất và năng lượng đi ra khỏi lũ hơi:
- Hơi nƣớc hoặc nƣớc; xả đỏy và rũ rỉ; truyền nhiệt bức xạ và đối lƣu - Khúi thải; tro xỉ
3.1.1. Phương phỏp tớnh theo nhiệt trị thấp (hiệu suất tinh lũ hơi)
Nhiệt trị thấp đƣợc biết đến nhƣ là nhiệt trị tinh. Nú là tổng lƣợng năng lƣợng thu đƣợc từ nhiờn liệu mà khụng bao gồm nhiệt ẩn ngƣng tụ của hơi nƣớc trong sản phẩm chỏy.
Ứng với 1 kg nhiờn liệu rắn, lỏng hay 1 m3 tc nhiờn liệu khớ khi chỏy trong lũ hơi ở điều kiện vận hành ổn định cú phƣơng trỡnh cõn bằng nhiệt tổng quỏt sau:
Qđv = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 (3-1) Trong đú:
41
Qđv: Lƣợng nhiệt cấp vào lũ ứng với 1 kg nhiờn liệu rắn, lỏng, kJ/kg; hoặc 1 m3 tc nhiờn liệu khớ, kJ/m3
Q1: Lƣợng nhiệt hữu ớch dựng để sản xuất hơi, kJ/kg Q2: Tổn thất nhiệt do khúi thải mang ra ngoài, kJ/kg
Q3: Tổn thất nhiệt do chỏy khụng hoàn toàn về húa học, kJ/kg Q4: Tổn thất nhiệt do chỏy khụng hoàn toàn về cơ học, kJ/kg Q5: Tổn thất nhiệt do tỏa nhiệt ra mụi trƣờng xung quanh, kJ/kg Q6: Tổn thất nhiệt do tro xỉ mang ra ngoài, kJ/kg
Viết dƣới dạng phần trăm, chia 2 vế phƣơng trỡnh (3-1) cho Qđv 100 % = q1 + q2 + q3 + q4 + q5 + q6
q1: Lƣợng nhiệt hữu ớch dựng để sản xuất hơi, % q2: Tổn thất nhiệt do khúi thải mang ra ngoài, %
q3: Tổn thất nhiệt do chỏy khụng hoàn toàn về húa học, % q4: Tổn thất nhiệt do chỏy khụng hoàn toàn về cơ học, % q5: Tổn thất nhiệt do tỏa nhiệt ra mụi trƣờng xung quanh, % q6: Tổn thất nhiệt do tro xỉ mang ra ngoài, %
Tớnh cõn bằng nhiệt
Lƣợng nhiệt đƣa vào lũ hơi và lƣợng nhiệt đƣợc sử dụng cõn bằng nhau theo phƣơng trỡnh (3-1). Thành phần của cỏc vế đƣợc xỏc định nhƣ sau:
A. Lượng nhiệt đưa vào lũ
Lƣợng nhiệt đƣa vào lũ hơi đƣợc tớnh theo cụng thức [2]
Qđv = Qt lv + Inl + Ikkn + Qp - Qk ; kJ/kgnl (3-2) Trong đú: Qtlv- nhiệt trị thấp của nhiờn liệu làm việc, kJ/kg
Ikkn – nhiệt lƣợng do khụng khớ núng mang vào, đƣợc tớnh đến khi khụng khớ đƣợc sấy núng từ nguồn nhiệt bờn ngoài,
Inl – nhiệt vật lý của nhiờn liệu đƣa vào,
Qp – nhiệt lƣợng do dựng hơi phun nhiờn liệu vào lũ, Qk – nhiệt lƣợng phõn hủy khi đốt đỏ dầu,
42
* Tớnh lượng nhiệt hữu ớch Q1, q1
Lƣợng nhiệt hữu ớch đƣợc tớnh nhƣ sau:[2]
Q1 = . Dii (3-3)
Trong đú: B – tiờu hao nhiờn liệu trong 1 giờ, kg/h Di – sản lƣợng hơi trong 1 giờ, kg/h
i = (ih – inc), kJ/kg
ih – entanpy của hơi; inc – entanpy của nƣớc cấp
* Tổn thất nhiệt do chỏy khụng hoàn toàn về cơ học Q4, q4
Tổn thất nhiệt do chỏy khụng hoàn toàn về cơ học đƣợc tớnh theo cụng thức sau: [2]
Q4 = (
+
+
) , kJ/kgnl (3-4) Trong đú:
Gb, Gx, Gl – khối lƣợng chất rắn gồm cả phần chỏy đƣợc và tro xỉ bay theo khúi, thải tro xỉ, lọt qua ghi trong 1 giờ, kg/h
Kb, Kx, Kl – tỷ lệ phần chỏy đƣợc trong chất rắn bay theo khúi, thải tro xỉ và lọt qua ghi.
Tỷ lệ phần chỏy đƣợc trong chất rắn bay theo khúi là: Kb = 100 - Ab % Tỷ lệ phần chỏy đƣợc trong chất rắn lẫn vào tro là: Kx = 100 - Ax % Tỷ lệ phần chỏy đƣợc trong chất rắn lọt qua ghi là: Kl = 100 - Al % Ngƣời ta gọi Ab, Ax, Al tƣơng ứng là tỷ lệ tro xỉ trong chất rắn bay theo khúi, lẫn vào tro xỉ hoặc lọt qua ghi.
* Tổn thất nhiệt do chỏy khụng hoàn toàn về húa học Q3, q3
Tổn thất nhiệt do chỏy khụng hoàn toàn về húa học đƣợc tớnh theo cụng thức[2]
Q3 = ( ) * kJ/kgnl (3-5) Trong đú CO = = 2,37.
* Tớnh tổn thất nhiệt do khúi thải mang ra ngoài Q2, q2
43 Q2 = (Ith – Ikkl)(1-
) kJ/kgnl (3-6)
Trong đú Ith – entanpy của khúi thải, kJ/kgnl
Ikkl – entanpy của khụng khớ lạnh đƣa vào lũ, kJ/kgnl - Tớnh Ith = Ioth + ( . Io
kkl + Itro
– hệ số khụng khớ thừa trong khúi thải ra ngoài, cũn cỏc entanpi Io
th; Iokkl ; Itro phải tớnh theo nhiệt độ khúi thải.
* Tớnh tổn thất do nhiệt vật lý của tro xỉ Q6, q6
Nhiệt vật lý của tro xỉ đƣợc tớnh theo cụng thức [3]:
Q6 = ax*
* Cx* tx kJ/kg (3-7)
Trong đú: ax = 0,77 – tỷ lệ tro rơi theo xỉ [2]
Cx= 0,9337 kJ/kg.độ - nhiệt dung riờng của tro xỉ, cho trong bảng
* Tổn thất do tỏa nhiệt ra mụi trường xung quanh Q5, q5
Tổn thất nhiệt q5 khụng lớn, chỉ bằng khoảng 0,5 ữ 3,5 %, tổn thất q5 phụ thuộc vào cụng suất, diện tớch bề mặt, độ chờnh nhiệt độ giữa bề mặt thiết bị với mụi trƣờng, với hệ số trao đổi nhiệt đối lƣu và bức xạ giữa bề mặt với mụi trƣờng xung quanh mà chủ yếu là tốc độ giú xung quanh và màu sắc của bề mặt.
Tổn thất nhiệt tỏa ra mụi trƣờng xung quanh đƣợc tớnh nhƣ sau [2]:
q5 = qo5 * , % (3-8)
Hiệu suất lũ hơi
Theo định nghĩa hiệu suất lũ hơi là tỷ số giữa lƣợng nhiệt hữu ớch và lƣợng nhiệt đƣa vào do đú ta cú:
(3-9)
Hay (3-10) Phƣơng phỏp xỏc định hiệu suất lũ hơi theo (3-9) gọi là phƣơng phỏp theo cõn bằng thuận, cũn phƣơng phỏp xỏc định hiệu suất theo (3-10) gọi là phƣơng phỏp cõn bằng nghịch. [1]
Khi hệ số khụng khớ thừa buồng lửa càng lớn thỡ nhiệt độ chỏy lý thuyết của quỏ trỡnh giảm, làm giảm lƣợng nhiệt hấp thụ bằng bức xạ của buồng lửa, dẫn đến nhiệt
44
độ khúi sau buồng lửa tăng lờn tức là nhiệt độ khúi thoỏt tăng. Đồng thời hệ số khụng khớ thừa càng lớn thỡ thể tớch khúi thải càng lớn và nhƣ vậy thỡ q2 cũng càng