Nghiên cứu khoa học - Nghiên cứu sản xuất viên nhiên liệu từ biomass

Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 100 NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT VIÊN NHIÊN LIỆU TỪ BIOMASS RESEARCH MANUFACTURE OF PELLET FROM BIOMASS SVTH: HOÀNG NGUYỄN THU HÀ Lớp 03N2- Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng GVHD: TS NGUYỄN THANH QUÁNG Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Tóm tắt: Việt nam là một nước nông nghiệp và hàng năm thải ra một lượng lớn đến hàng chục triệu tấn các chất phế thải(sinh kh ối) như trấu, bã mía, vỏ hạt điều, mùn cưa, rơm... Sử dụng nguồn sinh khối này một cách thích hợp để sản xuất nhiệt và điện năng sẽ đem lại cơ hội mới cho Nông nghiệp, cải thiện an ninh năng lượng, và mang lại lợi ích cho môi trường và xã hội. Bài nghiên cứu giới thiệu kỹ thuật chuyển sinh khối thành viên nhiên liệu bằng cách nén trấu, mùn cưa dưới tác dụng nhiệt, viên nhiên liệu được đốt hoặc đồng đốt với than trong các lò hơi, nhà máy điện hoặc sử dụng trực tiếp ở hộ gia đình. Abstract: Vietnam is agricultural country and annual release of agricultural waste(Biomass), such as rice husk, bagasse, cashew shell, wood sawdust, straw… may be amount of many decade m illions tones. Using Biomass ressonable for heat and electricity will provide new opportunities for agricultural, improve energy security, and bring environmental and social benefits. This research introduces a conversion technology biomass into pellets fuel, that are made by compressing rice husk, sawdust in the presence of heat to produce small blocks that can be fired, co-fired in boilers, power stations or used directly in home heating units. 1. Mở đầu: Sử dụng hiệu quả năng lượng sinh khối đang là vấn đề được quan tâm trên thế giới nhằm giảm một phần sức ép về sử dụng nhiên liệu. Sinh khối ở nước ta có nhiều dưới dạng phế thải nông nghiệp (trấu, rơm,vỏ lạc ....), phế thải của sản xuất, chế biến gỗ (mùn cưa, dăm bào, gỗ vụn...). Ngoại trừ mía đường thì các nguồn sinh khối khác ở Việt Nam vẫn chưa được khai thác sử dụng hiệu quả. Hiện nay trên thế giới đã nghiên cứu và ứng dụng phát triển công nghệ sản xuất viên nhiên liệu và đã tìm được thị trường thương mại rộng lớn. Sử dụng viên nhiên liệu từ Biomass vừa tận dụng lượng phế thải từ Nông Nghiệp, giảm chi phí vận chuyển và lưu trữ, có thể sử dụng làm chất đốt cho nhiều loại lò công suất vừa và nhỏ, vừa cắt giảm năng lượng hoá thạch, tiết kiệm chi phí sản xuất, nhiệt trị cao, tăng chất lượng quá trình cháy, giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính. Việc đầu tư nghiên cứu và ứng dụng phát triển công nghệ sản xuất tạo viên ở nước ta đang mở ra hướng sử dụng năng lượng mới từ biomass trong các hệ thống cháy cũng tốt như các nguồn năng lượng khí, hơi nước,nhiệt …khác, mang lại lợi ích môi trường và đảm bảo an ninh năng lượng cho các quá trình phát triển kinh tế bền vững. 2. Nội dung: 2.1. Sử dụng sinh khối và viên nhiên liệu trên thế giới và ở Việt Nam: Phụ phẩm thừa từ Nông nghiệp bao gồm: vỏ trấu (100 triệu tấn), mùn cưa(250 triệu tấn), vỏ lạc (4,5 triệu tấn), vỏ hạt điều, bã mía, gỗ vụn(400 triệu tấn), Bảng 1.2. Sử dụng viên nhiên liệu ở một số nước trên thế giới NƯỚC Sử dụng(tấn) Canada 690.000 Thụy Điển 1.400.000 Italia 550.000 Đức 400.000 Mỹ 650.000 Đan Mạch 400.000 Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 101 rơm rạ… (số liệu thế giới năm 1987). Theo thống kê 60% lượng này là ở các nước đang phát triển và hầu hết bị thải ra môi trường. Nén tạo viên nhiên liệu là cách biến hàng triệu tấn biomass này thành năng lượng để sản xuất phục vụ đời sống, sản xuất vừa và nhỏ cho thương mại và sản xuất điện với quy mô vài trăm MWh, thị trường viên năng lượng ngày càng sôi động ở nhiều quốc gia trên thế giới. Việt Nam từ khi gia nhập WTO đã mở rộng thị trường hợp tác đầu tư, mở ra cơ hội thách thức cho tất cả các ngành kinh tế, đặc biệt là Nông Nghiệp với nhiều mặt hàng xuất khẩu chủ lực: thóc gạo, gỗ, cà phê… Do đó lượng phế thải sẽ tập trung quy mô lớn và nhu cầu cần xử lý sao cho có hướng tốt nhất để phát triển tiềm năng sinh khối từ đó mang lại. Lượng phụ phẩm sinh ra ở một số vùng do tác giả tính toán ở bảng 2.2. Khoảng 10% phụ phẩm này được sử dụng làm chất đốt tại chỗ như ở lò gạch, lò nấu nướng hộ gia đình nông thôn, 5% là nhiên liệu công nghiệp (trấu, bã mía) để sản xuất nhiệt cục bộ trong lò hơi, hệ thống sấy,3% làm thức ăn gia súc, làm hương liệu, phân bón cho đất… Hơn 80% còn lại là thải ra môi trường, đổ xuống kênh, sông, hoặc đốt trụi hoàn toàn. Tại ĐBằng SCL việc đốt trấu để lấy nguyên liệu sản xuất điện được một số tỉnh thành như Cần Thơ, An Giang tính đến vì sản xuất 1KW điện cần 2kg trấu, hoặc sử dụng thay dầu FO tiết kiệm chi phí 3 lần, trong khi đó giá nhiên liệu trấu, mùn cưa cực rẻ khoảng 100-300 đ/kg so với than đá là 2.400 đ/kg. Công suất phát nhiệt tương đương của một số nhiên liệu biomass so với than, các giá trị chỉ rõ để sinh ra 1kWh nhiệt thì cần bao nhiêu kg nhiên liệu được tính toán ở bảng 3.2. Bảng 3.2 Công suất nhiệt phát ra tương đương Nhiên liệu Trấu Bã mía Vỏ hạt điều Mùn cưa Rơm Than cám Phát nhiệt tương đương b, kg/kWh 3,78 2,08 4,25 4,04 3,56 6,61 Hiện nay đơn vị Calofic Cần thơ đặt hàng thiết bị nén viên nhiên liệu từ trấu sản xuất theo công nghệ Nhật Bản đang mở ra thị trường cho viên nhiên liệu. 2.2. Đặc điểm viên nhiên liệu: Nếu tập trung lại trấu, mùn cưa là nguồn năng lượng mới có thể thay thế cho than (bảng 4): + Lượng nhiệt sinh ra đủ lớn để sử dụng cho mục đích phát nhiệt điện liên tục. + Có thành phần cháy như năng lượng truyền thống. + Có thể xác định các thiết bị kỹ thuật để tận dụng nhiệt của nó. Bảng 4.2. Thành phần phế phẩm và so sánh than Thành phầnKL Qt lv (MJ/kg) %C %H %O %S %N %A %W  (kg/m 3 ) Trấu 13,6 37,13 4,12 31,6 0,05 0,36 17,75 9 150 Mùn cưa 14,56 39,6 5,2 34,4 0 0,3 0,48 15 190 Than cám5 13,72 36,7 2,7 11,1 3,2 0,7 28,6 2,34 1000 Bảng 2.2. Lượng phụ phẩm ở Việt Nam Phụ phẩm Tổng cả nước >11 triệu tấn Trấu Tổng 6,8 triệu tấn ĐBsông Cửu Long 3,7 triệu tấn ĐB Bắc Trung Bộ 0,76 triệu tấn DH Nam Trung Bộ 0,68 triệu tấn Mùn cưa Tổng 5,8 triệu tấn Miền Trung 1,15 triệu tấn Tây Nguyên 2,5 triệu tấn Tây Bắc 0,055-0,06triệu tấn Cà phê Tây Nguyên 0,3 - 0,5 triệu tấn Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 102 Viên nhiên liệu được tạo từ phụ phẩm là viên hình trụ đưòng kính  6- 8mm, dài không quá 38mm, độ ẩm cao hơn 2 lần, nhiệt trị thấp hơn 1,2 lần với các đặc điểm sau: +Khối lượng riêng tăng 5-10 lần, giảm chi phí vận chuyển lưu trữ. +Tăng chất lượng quá trình cháy do độ ẩm thấp. +Giảm lượng CO2,SO2, giảm hiệu ứng nhà kính (xem bảng 5.2), lượng chất thải trung bình 1,2g so với tiêu chuẩn Mĩ là 7,5g/h. Bảng 5.2:Lượng CO2 tiết kiệm +Sản xuất nhiệt hơn do nhiệt lượng trong viên nhiên liệu cao 88130 kCal/h so với than 17600- 22700 kCal/h. +Sử dụng chất đốt rất thuận lợi, chất lượng đồng nhất, có thể đốt ở nhiều loại lò khác nhau từ đốt lấy nhiệt ở lò hộ gia đình đến lò hơi công suất vừa và nhỏ,giá thành nhiên liệu giảm. 2.3. Đặc điểm công nghệ tạo viên: Áp suất quá trình nén từ 30- 150 Mpa, áp suất cao sẽ giải phóng lượng Lignin(chiếm khoảng 15% khối lượng vật liệu) liên kết các thành phần tế bào. Nếu không đạt được áp suất thì có thể thêm chất phụ gia, tuỳ loại sinh khối sử dụng làm viên nhiên liệu.Phụ gia có thể là hợp chất hữu cơ rẻ tiền như nước mật, bột…Tuỳ thuộc thành phần vật liệu, kích thước, độ ẩm, quá trình tạo viên mà áp suất khác nhau. Hình1. Quan hệ giữa áp suất và mật độ viên -Áp suất thấp từ 1-5 Mpa -Áp suất trung bình từ 5-100 Mpa -Áp suất cao trên 100 Mpa -Áp suất cao nhất của quá trình nén 450 Mpa Mật độ viên nhiên liệu bị ảnh hưởng bởi kích thước đầu vào, nguyên vật liệu càng mịn, mật độ càng dày từ 700- 1200 kg/m3. Đường kính của nguyên vật liệu <1mm thì quá trình tạo viên tiết kiệm năng lượng đến 3 lần. Độ ẩm cũng ảnh hưởng đến mật độ vì hơi nước trong vật liệu bay hơi tạo khoảng trống, giảm mật độ đột ngột dẫn đến tan rã viên, độ ẩm thích hợp là 13-15% tuỳ loại nhiên liệu. 2.4. Dây chuyền sản xuất viên nhiên liệu từ Biomass: Phương pháp sản xuất viên nhiên liệu đã được tiêu chuẩn hoá và xây dựng thành hệ thống hoàn chỉnh (hình2.2) và các quá trình và thiết bị chính để tạo viên trong bảng 6.2. Bảng 6.2.Các quá trình và đặc điểm Quá trình chính Mục đích Sản phẩm Thiết bị Ghi chú Sấy giảm ẩm, tăng nhiệt độ vật liệu Vật liệu có độ ẩm <15%, nhiệt độ >70 0 C Lò hơi, tbị sấy thùng quay, xiclon, quạt, đường ống gió Lò hơi đốt bằng nhiên liệu biomass Nghiền giảm kích thước vật liệu vật liệu đường kính <1mm,d*r <3*3mm Thùng nghiền,quạt, đường ống gió, xiclon lọc bụi giảm năng lượng cho quá trình nén 3 lần Nhiên liệu Tiết kiệm CO2 Điện 3323 lbs Dầu 943 lbs Khí Gas 549 lbs Viên NL 8872 lbs densit y Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 103 Nén Tạo viên nhiên liệu Viên nhiên liệu có đường kính từ 6-8 mm,chiềudài<38mm Máy tạo viên, tbị gầu tải, thùng chứa liệu,cấp dầu tự động quyết định chất lượng viên nhiên liệu Làm mát Giảmẩm,sản phẩm cuối cùng có chất lượng tốt Viên nhiên liệu có độ ẩm từ 10- 12 % thiết bị tháp làm mát, xiclon khử bụi, máy sàng lọc sản phẩm có hình thứcđẹp, thời gian lưu trữ dài **Quá trình nén tạo viên yêu cầu sức ép rất lớn, lực tác dụng cần thắng được lực đàn hồi của vật liệu, sau đó dưới tác dụng của sức ép và nhiệt nén tạo viên. Đây là giai đoạn khó nhất quyết định chất lượng viên nhiên liệu. Một số phương pháp nén trong bảng 7.2: Bảng 7.2.PP nén viên nhiên liệu: Áp suất QT Mô tả quá trình Nén bằng pittông cơ khí 110 – 140 MPa Nén bằng pittông thuỷ lực >30MPa Nén bằng trục vít 60 – 100 MPa Nén bằng rulô 206 – 448 MPa Hình2.Sơ đồ hệ thống sản xuất viên nhiên liệu Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 104 2.5. Chế tạo thử nghiệm: Hệ thống cấu tạo như hình 3.2, vật liệu liên tục được đưa qua phễu vào xylanh, pittông chuyển động lên xuống nhờ cơ cấu đòn bẩy nén vật liệu liên tục trong xylanh, dưới sức ép của pittông, lớp vật liệu nén thành viên và ra ngoài. Các lực chính trong quá trình tạo viên: +Lực pittông(P2) : lực này do đòn bẩy tác động lên pittông nén vật liệu thành viên và đẩy vật liệu ra ngoài. +Lực ma sát của xylanh: lực này ngăn dòng vật liệu ra ngoài làm nó kết dính lại thành viên. Hình 3. Thiết bị nén tạo viên nhiên liệu L1=10cm L2=73cm H1=3cm H2=8cm D1=8mm D2=16mm Trong quá trình thực nghiệm, ta xác định được cùng lượng mùn cưa, khi lực tác dụng càng lớn thì mật độ viên càng tăng. Hình 4 biểu diễn mật độ và độ vụn của viên phụ thuộc vào lực nén tác dụng vào pittông khi cùng một lượng mùn cưa cho một lần nén tạo viên là 2g, độ ẩm thích hợp cho quá trình nén là 15%. Độ vụn của viên phụ thuộc vào lực nén 0 5 10 15 20 25 30 0 10 00 20 00 30 00 40 00 50 00 60 00 Lực nén P (N) Đ ộ v ụ n ( % ) Mật độ viên phụ thuộc vào lực nén 0 200 400 600 800 1000 1200 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Lực nén P(N) M ật đ ộ v iê n (k g /m 3) Hình4. Độ vụn và mật độ viên phụ thuộc vào lực nén Sau quá trình nén tạo viên nhiên liệu, sản phẩm tạo ra có hình dáng, kích thước như hình 5.2. Sản phẩm bền, khi thả từ độ cao 21cm không vỡ, khi đốt sản phẩm bắt lửa nhanh, cháy hoàn toàn, khi đốt từ 10 viên trở lên sẽ tạo ngọn lửa vàng cháy rất mạnh và cao, thời gian cháy khoảng 5 phút. 1. HT ñoøn baåy 2. Caùnh daãn höôùng 3. Pittoâng 4. Xylanh 5. Loã taïo vieân Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 105 Hình 5.2Viên nhiên liệu từ mùn cưa và quá trình cháy 3. Kết luận: Với tốc độ tăng trưởng kinh tế hơn 8,5% năm 2007, thị trường cung cầu năng lượng ở Việt Nam đang ngày càng sôi động, viên nhiên liệu từ biomass với những đặc điểm hiệu quả cháy cao hơn, sản xuất nhiệt nhiều hơn, là nhiên liệu cháy sạch, không gây bụi bẩn, không gian lưu trữ nhỏ, dễ sử dụng, có thể đốt ở nhiều loại lò với công suất khác nhau, và do tận dụng nguồn phế thải từ Nông Nghiệp nên giá thành nhiên liệu rẻ, tiết kiệm chi phí nhiên liệu …có khả năng thay thế cho các nguồn năng lượng hoá thạch trong các quá trình sản xuất. Tuy nhiên, ở Việt Nam vẫn chưa có sự đầu tư và phát triển công nghệ sản xuất viên nhiên liệu từ biomass dạng công nghiệp. Kết quả nghiên cứu này là cơ sở để xây dựng dây chuyền sản xuất viên nhiên liệu ứng dụng thực tế, chế tạo máy tạo viên và nắm bắt công nghệ sản xuất mang lại nhiều lợi ích kinh tế và góp phần lớn bảo vệ môi trường. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trang web về pellet-process của FAO [2] Trang web về pelltizing của Đức http:// www.agico.com.cn [3] Nguyễn Thanh Quang_ “Phát điện phụ phẩm Nông Nghiệp”_Tạp chí Khoa nhiệt