Nhiệt trị của các sản phẩm nhiên liệu rắn và các nguyên liệu vỏ trấu và nhiên liệu rắn đo được bằng phương pháp đốt cháy trong bom nhiệt lượng kế được trình bày trong Bảng 3.3 và Hình 3.7.
Theo số liệu đo nhiệt trị, nhiệt trị của chất thải plastic cao gấp gần 3 lần nhiệt trị của vỏ trấu, do đó hỗn hợp nguyên liệu có tỷ lệ vỏ trấu cao sẽ tạo thành sản phẩm nhiên liệu rắn có nhiệt trị thấp hơn. Nhiệt trị của các sản phẩm T60 là cao nhất trong số các mẫu thử nghiệm.
40
Bảng 3. 3 Kết quả đo nhiệt trị của nguyên liệu và sản phẩm
Ký hiệu mẫu
Nhiệt trị đo Nhiệt trị tính toán * (Kcal/kg) (MJ/kg) (Kcal/kg) T60-220 25,50 6.100 5.990 T60-240 25,90 6.200 5.990 T65-220 24,79 5.930 5.680 T65-240 25,62 6.130 5.680 T70-220 23,97 5.730 5.360 T70-240 25,25 6.040 5.360 T75-220 22,99 5.500 5.050 T75-240 24,76 5.920 5.050 T80-220 22,48 5.380 4.730 T80-240 24,28 5.810 4.730 T70-240-5 25,23 6.040 - T70-240-10 24,39 5.830 - Vỏ trấu 14,49 3.470 - Chất thải plastic 40,88 9.780 -
* Nhiệt trị tính toán = %kl vỏtrấu 3.470 [kcal/kg] + %kl plastic 9.780 [kcal/kg]
41
Một yếu tố khác ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt trị là mức độ nhiệt phân của hỗn hợp nguyên liệu trong thiết bị đùn ép. Tại điều kiện đùn ép với áp suất, nhiệt độ cao và ma sát lớn, một phần vỏ trấu và chất thải plastic sẽ bị nhiệt phân tạo thành than có nhiệt trị cao. Kết quả trong Bảng 3.4 và Hình 3.6 cho thấy nhiệt trị đo của sản phẩm đều lớn hơn kết quả tính toán. Mức độ vỏ trấu / chất thải plastic bị nhiệt phân phụ thuộc vào hai yếu tố là nhiệt độ và thời gian lưu của hỗn hợp nguyên liệu trong máy đùn, như đã trình bày ở trên. Một cách tổng quát, có thể đánh giá mức độ nhiệt phân của hỗn hợp nguyên liệu thông qua cảm quan sản phẩm : sản phẩm có tỷ lệ vỏ trấu lớn hơn thường có màu đen hơn - có nghĩa là mức độ nhiệt phân sâu hơn - các sản phẩm có chứa ít vỏ trấu hơn.
Khi so sánh các mẫu: T60-220 và T70-240; T65-220 và T75-240; T70-220 và T80- 240, có thể thấy rằng mặc dù tỉ lệ nhựa giảm nhưng nhiệt trị của các mẫu vẫn xấp xỉ nhau do mẫu thu được từ nguyên liệu có tỉ lệ trấu cao (yếu tố làm giảm nhiệt trị) được đùn ở nhiệt độ cao hơn và có thời gian lưu trong thiết bị cao hơn (các yếu tố làm tăng nhiệt trị thông qua tăng mức độ nhiệt phân của hỗn hợp nguyên liệu).
Một lưu ý khác về độ chênh lệch giữa kết quả đo và kết quả tính toán nhiệt trị được trình bày như sau. Mẫu sản phẩm chứa 60% vỏ trấu được đùn ép khá dễ dàng tại điều kiện nhiệt độ thấp (220oC), chỉ bị nhiệt phân ở mức độ nhỏ, do đó độ chênh lệch giữa kết quả tính toán và kết quả đo cũng nhỏ. Khi tỷ lệ vỏ trấu tăng, trở lực cho quá trình đùn ép cũng tăng lên, khiến thời gian lưu của hỗn hợp nguyên liệu trong máy đùn cũng tăng, và như vậy vỏ trấu sẽ bị nhiệt phân với mức độ cao hơn. Ngoài ra, khi tăng nhiệt độ đùn ép, mức độ nhiệt phân sẽ cao hơn, dẫn đến kết quả độ chênh lệch giữa nhiệt trị đo và nhiệt trị tính toán của sản phẩm là khá cao, ví dụ mẫu T80 đùn ép ở chế độ nhiệt độ 180-220-240oC có độ chênh lệch lên đến 22,8% (xem thêm Hình 3.8).
42
Vai trò của lượng ẩm thêm vào cũng có thể được kết luận từ các kết quả nhiệt trị đo của các mẫu T70-240, T70-240-50 và T70-240-100, được biển diễn trong Hình 3.9. Khi lượng ẩm bổ sung tương đối lớn (12,9%), nhiệt trị của sản phẩm nhiên liệu giảm 3,5%. Điều này có thể giải thích do hơi nước có vai trò làm giảm khả năng tạo cốc (nhiệt phân) tại điều kiện đùn ép thực nghiệm, đồng thời nhiều hơi nước cũng giảm phần nào nhiệt độ bên trong thiết bị đùn ép.
Hình 3. 9 Nhiệt trị đo được của các mẫu T70-240 theo hàm lượng ẩm
Bảng 3.4 thống kê nhiệt trị của một số loại nhiên liệu thông dụng.
Bảng 3. 4 Nhiệt trị của một số nhiên liệu thông dụng
( MJ/kg) ( kcal/kg) DO 45,8 11.000 FO 39,7 9.500 Cốc (từ nhà máy lọc dầu) 30,1 7.200 23 – 32,5 5.500 – 7.800 6 - 17 1.400 – 4.060 Củi trấu 16,8 4.020 Sản phẩm nhiên liệu rắn 22 - 26 5.400 – 6.200
43
Nhiên liệu có nhiệt trị cao nhất là DO và FO - là các nhiên liệu dạng lỏng rất phổ biến. Tiếp theo là than đá và cốc thu được từ các nhà máy lọc dầu. Sản phẩm nhiên liệu rắn của đề tài có nhiệt trị khá cao, cao hơn hẳn so với gỗ và củi trấu – là một loại nhiên liệu rắn từ trấu khác đang có mặt tại thị trường Việt Nam, và có tiềm năng thay thế than đá, xét về mặt năng lượng cung cấp của 1 kg nhiên liệu.
3.5 Hiệu suất thu sản phầm và hiệu suất năng lƣợng của quá trình đùn ép
3.5.1 Hiệu suất thu sản phẩm
Hiệu suất thu sản phẩm được xác định gần đúng thông qua tỷ lệ khối lượng giữa sản phẩm thu được và hỗn hợp nguyên liệu đầu vào. Đây là một yếu tố phản ánh hiệu quả của quá trình đùn ép, và cũng là một thông số đáng quan tâm, bên cạnh các tính chất cơ bản của sản phẩm nhiên liệu rắn, trong việc quyết định lựa chọn các thông số cho quá trình đùn ép. Kết quả hiệu suất thu sản phẩm được trình bày trong Hình 3.10. Về cơ bản, hiệu suất thu sản phẩm của quá trình đùn ép phụ thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ đùn, tỷ lệ trấu nhựa, độ ẩm ban đầu của nguyên liệu. Cần lưu ý rằng, hiệu suất thu sản phẩm phụ thuộc vào các yếu tố “phần cứng” như cấu trúc vít đùn hay quy mô, năng suất thiết bị. Kết quả ở Hình 3.9 chỉ có giá trị cho thiết bị được sử dụng trong khuôn khổ đề tài này.
44
Hiệu suất thu sản phẩm của quá trình đùn ép có mối liên hệ mật thiết với mức độ nhiệt phân của hỗn hợp nguyên liệu : mức độ nhiệt phân càng cao, hiệu suất quá trình đùn ép càng giảm. Vì vậy những yếu tố làm tăng mức độ nhiệt phân như tỷ lệ trấu cao, nhiệt độ đùn ép cao, sẽ làm giảm hiệu suất thu sản phẩm của quá trình. Kết quả trong Hình 3.9 cho thấy khi đùn ép ở nhiệt độ đùn ép thấp (140-160-180), hiệu suất thu sản phẩm là khá cao (>90%); các mẫu T60 thu được với hiệu suất cao nhất; và khi hỗn hợp nguyên liệu có 80% trấu, hiệu suất thu sản phẩm giảm đáng kể, đặc biệt là tại những chế độ đùn ép ở nhiệt độ cao. Việc bổ sung độ ẩm cho hỗn hợp nguyên liệu ban đầu có làm tăng hiệu suất của quá trình đùn ép (tính trên khối lượng vỏ trấu và chất thải plastic ban đầu). Các mẫu T70-240-50 và T70-240-100 có hiệu suất lần lượt là 86,3 và 86,7%, đều cao hơn hiệu suất của mẫu T70-240 (81,6%).
3.5.2 Tính toán hiệu suất năng lượng của quá trình đùn ép
Hiệu suất năng lượng (HSNL - energy yield / energy amplification factor) được tính toán sơ bộ theo công thức :
in sp E E HSNL Trong đó :
∑Esp : tổng năng lượng chứa trong sản phẩm
∑Ein : tổng năng lượng cần để sản xuất ra sản phẩm, bao gồm cả năng lượng sẵn có trong nguyên liệu vỏ trấu và chất thải plastic
Chúng tôi đã tiến hành tính toán HSNL cho quá trình đùn ép các mẫu sản phẩm T60- 220; T70-220 và T80-220. Số liệu thực nghiệm trong 1h đùn ép và kết quả tính toán được trình bày trong Bảng 3.5 dưới đây.
Có thể thấy rằng, với quy trình và thiết bị đùn ép sử dụng trong khuôn khổ đề tài, khối lượng nguyên liệu đùn ép được và hiệu suất thu sản phẩm giảm theo thứ tự T60-220 > T70-220 > T80-220; và HSNL của sản phẩm T60-220 và T70-220 là tương đương và đều cao hơn T80-220. Sự biến đổi của khối lượng nguyên liệu đùn ép được, hiệu suất thu sản phẩm và HSNL đều chịu ảnh hưởng của tỷ lệ vỏ trấu và nhiệt độ đùn ép, và đã được giải thích ở những phần trên. HSNL của quá trình đùn ép các mẫu sản phẩm nêu trên tương đương với HSNL của sản phẩm dầu DO (0,83) và cao hơn HSNL của xăng (0,74) [18].
Một điểm đáng quan tâm khác là tiêu thụ điện năng cho 1 kg sản phẩm tăng rõ rệt theo tỷ lệ vỏ trấu (0,17 – 0,26 kWh). Với thiệt bị đùn ép có năng suất lớn hơn và với các thiết kế tối ưu của vít đùn, đầu tạo hình, và với nhiệt độ cài đặt cho quá trình đùn ép
45
thấp hơn, mức tiêu thụ điện năng có thể được giảm xuống đáng kể, tăng tính cạnh tranh cho quá trình đùn ép.
Bảng 3. 5 Số liệu và kết quả tính toán HSNL của quy trình đùn ép
Mẫu T60-220 T70-220 T80-220
Khối lượng nguyên liệu - kg 12 10,5 8,5
Hiệu suất thu sản phẩm - % 89,6 87,5 82,6
Khối lượng sản phẩm - kg 10,8 9,2 7,0
Nhiệt trị sản phẩm - kcal/kg 6.100 5.730 5.380
Tổng năng lượng của sản phẩm -
kcal 65.587 52.644 37.773
Nhiệt trị sẵn có của nguyên liệu -
kcal/kg 6.000 5.360 4.730
Tổng năng lượng sẵn có trong
nguyên liệu - kcal 72.000 56.280 40.205 Điện năng tiêu thụ - kWh
(đọc từ đồng hồ điện) 1,8 1,8 1,8
Điện năng tiêu thụ quy than/dầu – kcal (lấy hiệu suất của nhà máy phát
điện là 33%)
4.644 4.644 4.644
Tổng năng lượng cần - kcal 76.644 60.924 44.849
HSNL 0.86 0.86 0.84
Điện năng cần để sản xuất 1kg sản
phẩm - kWh/kg 0.17 0.20 0.26
3.6 Quá trình cháy của sản phẩm và hàm lƣợng khí thải:
Đánh giá về khả năng cháy và mức độ ô nhiễm môi trường khi đốt cháy sản phẩm nhiên liệu rắn của đề tài đã được chúng tôi thực hiện thông qua việc đốt sản phẩm nhiên liệu rắn, chủ yếu là các mẫu T70 và T80, và đồng thời đo hàm lượng phát thải các khí CO, NOx, SOx, cũng như xác định hàm lượng THC trong khí thải. Hai lò đốt bao gồm một là lò đốt tự chế, đặt tại Trung tâm Nghiên cứu Lọc – Hoá dầu – ĐHBK Tp. HCM, và một lò gia nhiệt dầu tải nhiệt tại Xưởng sấy vải trực thuộc Công ty TNHH Phước Đạt, Huyện Hóc Môn được sử dụng cho công việc này. Kết quả đánh giá khả năng cháy và xác định hàm lượng khí thải được trình bày trong các Mục dưới đây.
3.6.1 Đốt thử nghiệm sản phẩm tại lò đốt tự chế:
Với lò đốt tự chế, quy trình đốt có thể được mô tả tóm tắt như sau : một lượng nhỏ nhiên liệu được đưa vào lò, sau đó được mồi bằng quẹt ga từ phía cửa lấy tro. Khi ngọn lửa mồi cháy ổn định, nhiên liệu rắn được đưa từ từ vào đến khoảng 60% thể tích
46
lò (tương đương 1,2 – 1,4 kg nhiên liệu) và bắt đầu bật quạt để cấp khí cho lò đốt. Tiến hành đo mẫu khí thải khi nhiên liệu trong lò sự cháy của đã ổn định.
Nhìn chung sản phẩm nhiên liệu rắn rất dễ mồi lửa, khi cháy ngọn lửa sáng màu, mỗi khi cung cấp thêm nhiên liệu vào lò đốt thì ngọn lửa bùng lên rất mạnh. Ngoài ra, sản phẩm nhiên liệu không tạo nhựa sau khi cháy, mà chỉ tạo một lớp tro thông thường. Đây là ưu điểm của sản phẩm nhiên liệu so với đốt trực tiếp chất thải plastic. Lượng khói sinh ra cũng ít khi quá trình cháy ổn định, trong điều kiện cháy cưỡng bức. Ý nghĩa của việc trộn vỏ trấu với chất thải plastic có thể được tóm tắt như sau : Chỉ riêng plastic cháy rất nhanh và không hoàn toàn, tạo nên một lớp muội keo dính lên ghi và thành ống dẫn lưu chất có khả năng gây nghẹt lò và làm giảm hiệu quả truyền nhiệt. Vỏ trấu với cấu trúc hình dạng bán cầu, khi được trộn vào chất thải plastic trong máy đùn, sẽ tạo thành những khoang xốp chứa khí Ngoài ra do trấu có hàm lượng vô cơ cao (khoảng 20%) sẽ cháy chậm hơn. Hai tính chất này sẽ tạo nên hiệu ứng cộng hưởng làm cho sản phẩm nhiên liệu rắn cháy được hoàn toàn hơn. Một số hình ảnh minh hoạ quá trình đốt nhiên liệu rắn được trình bày trong Hình 3.11.
Hàm lượng khí thải khi đốt mẫu nhiên liệu rắn được 2 đơn vị kiểm tra : Trung tâm Kỹ thuật Nhiệt đới & Môi trường và Viện Môi trường – Tài nguyên, ĐHQG Tp. HCM. Kết quả đo hàm lượng khí thải được trình bày trong Bảng 3.6 dưới đây.
Hình 3. 11 Hình ảnh minh hoạc quá trình cháy của sản phẩm trong lò đốt tự chế : (a) T60; (b) T70 và (c) T80
Bảng 3. 6 Thành phần khí thải khi đốt sản phẩm trong lò đốt tự chế
Chỉ tiêu TT Kỹ thuật nhiệt đới & Môi trường Viện Môi trường –
Tài nguyên TCVN 5939:2005
CO, mg/Nm3 ~ 200 ~ 430 1.000
NOx, mg/Nm3 260 – 330 49 850
SOx, mg/Nm3 < 5 Không phát hiện 550
THC, mg/Nm3
Mặc dù có những sự khác biệt trong kết quả đo của hai đơn vị, nhưng về cơ bản có thể kết luận rằng khi đốt cháy sản phẩm nhiên liệu rắn, phát thải khí ô nhiễm không vượt quá giới hạn cho phép quy định trong tiêu chuẩn hiện hành của nhà nước; và như vậy sản phẩm nhiên liệu rắn được kỳ vọng là không gây ra những vấn đề ô nhiễm môi
47
trường không khí, một khi được triển khai sử dụng trong thực tế, ở những quy mô lớn hơn.
Để có cơ sở vững chắc hơn cho kết luận nêu trên, chúng tôi tiến hành đốt thử nghiệm sản phẩm của đề tài trong một lò đốt công nghiệp. Quá trình đốt thử và các kết quả thu được được trình bày dưới đây.
3.6.2 Đốt thử nghiệm sản phẩm tại lò đốt công nghiệp:
Địa điểm đốt thử nghiệm : Lò gia nhiệt dầu tải nhiệt, tại xưởng sấy vải thuộc Công ty TNHH Phước Đạt, Huyện Hóc Môn
Mẫu nhiên liệu : Mẫu nhiên liệu rắn T70, khoảng 300 kg Mô tả quá trình đốt thử nghiệm :
Xưởng sấy vải của Công ty Phước Đạt thực hiện công việc sấy vải sau khi vải đã được qua khâu nhuộm. Quá trình sấy được mô tả khái quát như sau : dầu tải nhiệt được lò đốt cung cấp năng lượng để làm nóng, sau đó được dẫn đi tuần hoàn trong cả xưởng. Không khí trao đổi nhiệt với dầu tải nhiệt thông qua một số thiết bị trao đổi nhiệt, và được làm nóng lên, trở thành tác nhân sấy vải.
Lò đốt trước đây sử dụng than đá, sau đó chuyển qua sử dụng sản phẩm củi trấu (xem Hình 3.12). Theo thông tin từ Quản đốc xưởng, lò đốt cần khoảng 100 ~ 150 kg củi trấu trong mỗi giờ làm việc, tuỳ theo loại vải cần sấy. Củi trấu được một đơn vị tại Nông trường Cờ Đỏ (Cần Thơ) cung cấp với giá thành dao động trong khoảng 1200 – 1400 đ. Củi trấu được cung cấp trong bao tải, mỗi bao khoảng 30 kg. Hiện tại, trung bình lò đốt sử dụng khoảng 120 -150 tấn củi trấu mỗi tháng.
Theo quy trình công nghệ của xưởng, tuỳ theo loại vải cần sấy mà dầu tải nhiệt được gia nhiệt đến 240oC hoặc 250oC. Lò đốt có trang bị các thiết bị đo nhiệt độ và quát trình điều khiển nhiệt độ được thực hiện thông qua quạt thổi và hút không khí. Quạt hút luôn được bật để cấp khí cho lò, còn quạt thổi được sử dụng khi nhiệt độ giảm sâu, mà trong lò vẫn còn nhiên liệu, hoặc khi cần tăng nhanh nhiệt độ của lò. Khi nhiệt độ của dầu tải nhiệt vượt quá nhiệt độ cài đặt, các quạt hút sẽ tắt, ngừng cung cấp khí cho lò để hạn chế sự cháy của nhiên liệu trong lò. Khói thải lò đốt được dẫn qua một cyclone tách tro, và một bể nước để giảm nhiệt độ trước khi thải ra ống khói.