Nghiên Cứu Sự Ảnh Hưởng Của Một Số Yếu Tố Đến Năng Suất Và Chi Phí Năng Lượng Của Máy Ép Thanh Nhiên Liệu Từ Phế Thải Nông Nghiệp

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, đây là công trình của riêng tôi.

Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực

và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận văn

Trần Văn Thịnh

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian làm việc khẩn trương, với tinh thần nghiên cứu khoa

học một cách nghiêm túc, trên cơ sở các kiến thức của bản thân và các tài liệu

tham khảo, sự hướng dẫn tận tình của TS. Nguyễn Văn Quân, thầy hướng dẫn

trực tiếp, thầy Phạm Văn Lý với những nhận xét và góp ý xác đáng, thầy Trần

Kim Khôi và các bạn đồng nghiệp đã tận tình giúp đỡ trong quá trình khảo

nghiệm tại hiện trường và xử lý số liệu đo đếm được. Đến nay, Đề tài

“Nghiên cứu sự ảnh hưởng của một số yếu tố đến năng suất và chi phí năng

lượng riêng khi vận xuất gỗ rừng tự nhiên bằng tời tự hành hai trống” của tôi

đã hoàn thành và đạt được mục tiêu đề ra.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc với những sự giúp đỡ tận tình quý báu đó.

Tôi xin hứa với những kiến thức đã học được trong quá trình học tập và

nghiên cứu, trong điều kiện có thể tôi sẽ vận dụng vào quá trình hoạt động

LỜI CAM ĐOAN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

-------------------------------------

NGUYỄN HỮU HƠN

NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ

ĐẾN NĂNG SUẤT VÀ CHI PHÍ NĂNG LƯỢNG CỦA MÁY

ÉP THANH NHIÊN LIỆU TỪ PHẾ THẢI NÔNG NGHIỆP

Chuyên ngànhnghệ gỗ, giấy

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hà Nội, 2011

Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực

và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận văn

Trần Văn Thịnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

-------------------------

NGUYỄN HỮU HƠN

NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ

ĐẾN NĂNG SUẤT VÀ CHI PHÍ NĂNG LƯỢNG CỦA MÁY

ÉP THANH NHIÊN LIỆU TỪ PHẾ THẢI NÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: Máy và Thiết bị cơ giới hóa Nông -Lâm nghiệp

Mã số: 60.52.14

Chuyên ngànhnghệ gỗ, giấy

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

TS. Trần Tuấn Nghĩa

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. Lê Văn Thái

Hà Nội, 2011

1

ĐẶT VẤN ĐỀ

Việt Nam là một nước nông nghiệp và hàng năm tạo ra một lượng lớn

đến hàng chục triệu tấn các phế thải (sinh khối) từ nông nghiệp (vỏ trấu, bã

mía, rơm rạ, vỏ hạt…), phế thải của sản xuất, chế biến gỗ (mùn cưa, dăm bào,

gỗ vụn, cành ngọn … 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.

Lợi ích của việc sử dụng viên (thanh) nhiên liệu từ Biomass là tận dụng

được 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 hóa thạch, tiếp kiệm chi phí sản xuất, tăng chất lượng quá trình cháy và

giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính …góp phần bảo vệ môi trường.

Riêng đồng bằng sông Cửu Long hàng năm tạo ra cả chục triệu tấn phế

thải từ nông nghiệp như vỏ trấu, bã mía, rơm rạ, vv… Hiện nay đã có một số

nhà máy, cơ sở sản xuất thanh nhiên liệu từ vỏ trấu trên địa bàn như ở Long

An, Cần Thơ, Đồng Tháp và Hậu Giang. Tuy nhiên đây là lĩnh vực mới nên

máy móc vừa sản xuất vừa nghiên cứu cải tiến.

Ở nước ta, việc nghiên cứu sử dụng phế thải từ nông nghiệp để sản xuất

nhiệt năng phục vụ công nghiệp và đời sống sinh hoạt đã được một số trường

Đại học (Đại học Bách khoa Đà Nẵng, Đại học Công nghiệp thành phố Hồ

Chí Minh…) nghiên cứu và một số cơ sở ở vùng đồng bằng sông Cửu Long

sản xuất thử. Các nghiên cứu tập trung vào hướng sinh hóa để biến các phế

thải thành nhiên liệu lỏng phục vụ công nghiệp. Thực tế đã có một số cơ sở tư

nhân thuộc khu vực đồng bằng sông Cửu Long sản xuất thành công thanh

nhiên liệu từ trấu để làm củi đốt phục vụ sinh hoạt. Tuy nhiên, các máy móc,

thiết bị sản xuất tại các cơ sở đó được thiết kế và chế tạo chủ yếu dựa theo

kinh nghiệm, chưa có cơ sở khoa học nên hiệu quả thu được còn hạn chế, đó

chính là nguyên nhân kìm hãm sự phát triển sử dụng nguồn năng lượng mới

phục vụ công nghiệp và cuộc sống sinh hoạt.

Với lý do trên, đề tài “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của một số yếu tố

đến năng suất và chi phí năng lượng của máy ép thanh nhiên liệu từ phế

thải nông nghiệp” là cần thiết, có ý nghĩa thực tiễn và xã hội.

2

a. Hiệu quả đối với lĩnh vực khoa học và công nghệ:

- Xác định được các thông số cấu tạo hợp lý của máy ép làm cơ sở cho

thiết kế cải tiến, hoàn thiện mẫu máy theo hướng tối ưu để nhanh chóng áp

dụng trong sản xuất một cách đại trà phục vụ sản xuất thanh nhiên liệu từ vỏ

trấu.

b. Hiệu quả kinh tế - xã hội

- Việt Nam là một nước nông nghiệp và hàng năm thải ra một lượng

lớn các phế thải như vỏ trấu, bã mía, rơm rạ, vỏ hạt, mùn cưa, dăm bào, gỗ

vụn, cành ngọn,vv… 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.

- Việc áp dụng máy ép để sản xuất thanh nhiên liệu từ vỏ trấu một cách

đại trà và đạt hiệu quả cao trong sản xuất sẽ mở ra hướng sử dụng năng lượng

mới khả năng thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch trong sản xuất, góp

phần cắt giảm năng lượng hóa thạch, tiết kiệm chi phí sản xuất, giảm lượng

khí thải gây hiệu ứng nhà kính và thúc đẩy sự phát triển công nghiệp năng lượng,

công nghiệp sản xuất các thiết bị chuyển hóa năng lượng trong đời sống xã hội v v…

3

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Tình hình nghiên cứu và sản xuất thanh nhiên liệu từ phế thải nông nghiệp

1.1.1. Trên thế giới

Từ xưa tới nay vỏ trấu,vỏ lạc, cà phê, rơm rạ, mùn cưa, phoi bào, gỗ

vụn (biomass) được mặc định là phế thải nông nghiệp, thường được mang đi

đốt sau mùa vụ với lượng rất lớn, thải ra môi trường nhiều chất độc hại. Ít ai

biết rằng những thứ trên có thể trở thành nguyên liệu sản xuất năng lượng

sinh học, khí đốt hydro, phân bón, xăng sinh học và viên đốt phục vụ đời sống

xã hội. Điều này vừa giúp nông dân có thêm thu nhập, cải thiện môi trường,

góp phần chống lại biến đổi khí hậu toàn cầu.

Theo dự tính của các chuyên gia, việc tiêu thụ năng lượng trên toàn cầu

có thể tăng thêm 1/3 trong vòng 15 năm tới. Mức tiêu thụ năng lượng ngày

càng gia tăng, phần lớn là ở các nước đang phát triển, trong khi các nguồn

năng lượng truyền thống (thuỷ điện, than đá, dầu mỏ…) lại ngày càng khan

hiếm. Vì vậy vấn đề cấp thiết đặt ra là phải tiến hành một cuộc cách mạng đi

tìm nguồn năng lượng mới hoặc năng lượng tái sử dụng.

Theo Tổ chức Nông Lương thế giới, mỗi năm Việt Nam thu được 20

triệu tấn lúa và sẽ có khoảng 20 triệu tấn vỏ trấu, rơm rạ có thể dùng làm

nguyên liệu đốt lò hơi, [5].

Theo các chuyên gia năng lượng, nguồn năng lượng mới - còn có tên là

“vàng xanh”. Tại 30 quốc gia đang trồng cây, hàng loạt những cây Nông

nghiệp, Lâm nghiệp chế ra nguồn nhiên liệu thay thế được xăng, dầu từ dầu

mỏ. Theo các chuyên gia năng lượng, đây là nguồn nhiên liệu phong phú và

vô tận, mà loài người không còn ám ảnh bởi khủng hoảng nhiên liệu. Loại

nhiên liệu này có nhiều ưu điểm so với các loại nhiên liệu truyền thống (dầu

khí, than đá…) đó là: tính chất thân thiện với môi trường, chúng sinh ra ít

hàm lượng khí gây hiệu ứng nhà kính (một hiệu ứng khiến trái đất nóng lên)

và ít gây ô nhiễm môi trường như các loại nguồn nhiên liệu truyền thống, loại

nhiên liệu tái sinh, các loại nhiên liệu này lấy từ hoạt động sản xuất Nông,

Lâm nghiệp và có thể tái sinh. Chúng giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn tài

nguyên nhiên liệu không tái sinh truyền thống. Tuy nhiên, hiện nay vấn đề sử

dụng nhiên liệu sinh học (NLSH) vào đời sống còn nhiều hạn chế do chưa hạ

4

được giá thành sản xuất xuống thấp hơn so với nhiên liệu truyền thống. Trong

tương lai khi nguồn nhiên liệu truyền thống cạn kiệt, thì nó có thể là nguồn

nhiên liệu thay thế cho nguồn nhiên liệu truyền thống đó.

Kỹ thuật đốt rác phát điện đã từng có lịch sử nghiên cứu phát triển hơn

30 năm trở lại đây, nhiều nhà máy ở Đức (32% lượng rác được xử lý bằng đốt

rác phát điện), Đan Mạch (70%), Bỉ (29%), Pháp (38%)… đã trở thành hình

mẫu cho ngành công nghệ “năng lượng và bảo vệ môi trường” này. Ở Châu

Á, Singapore (100% lượng rác được xử lý bằng đốt rác phát điện) và Nhật

Bản (72,8%) là hai nước đi đầu trong kỹ thuật đốt rác phát điện, [5].

Thực tế, các nước châu Á như: Nhật Bản, ấn Độ, Thái Lan … nhiều

công ty đã sử dụng lò hơi đốt bằng sinh khối.

Nhật Bản, nước đi đầu thế giới về nghiên cứu năng lượng thay thế,

nhận định các nhà máy của Indonesia là nguồn năng lượng BIOMASS tiềm

năng. Tại một hội thảo diễn ra ở Indonesia, Haruhiko Ando, giám đốc Chính

sách Năng lượng Toàn cầu và Tế bào Nhiên liệu của Nhật Bản cho biết, hiện

Nhật Bản đang gặp phải những trở ngại trong việc phát triển BIOMASS do

giá các vật chất cơ bản ở nước này rất cao. Khí hậu và đất ở Indonesia rất phù

hợp để sản xuất các sản phẩm BIOMASS.

Trung Quốc là một trong những quốc gia có chủ trương thay thế dầu

mỏ bằng NLSH. Quốc gia này có kế hoạch đến năm 2020 sẽ sử dụng NLSH

để thay thế 10 triệu tấn chế phẩm dầu mỏ nhằm giảm bới sức ép về nguồn

năng lượng trong nước. Phát biểu tại diễn đàn các giải pháp năng lượng bền

vững phi tập trung hoá được tổ chức tháng 5/2006, phó giám đốc Viện

Nghiên cứu Năng lượng của Uỷ ban phát triển cải cách Trung quốc (NDRC),

Han Wenken cho biết, Trung quốc phấn đấu đến năm 2020 nguồn năng lượng

sạch này sẽ chiếm 10% lượng năng lượng hàng năm. Sản lượng nhiên liệu

lỏng sinh học như Ethanol hay Diesel sinh học sẽ lên tới 12 triệu tấn và có thể

thay thế khoảng 12 triệu tấn các chế phẩm từ dầu mỏ.

Nghiên cứu dây chuyền công nghệ sản xuất thanh nhiên liệu từ phế thải

nông nghiệp đã được tiêu chuẩn hoá và xây dựng thành hệ thống hoàn chỉnh.

Theo [7] thì sản xuất thanh nhiên liệu cần áp suất quá trình nén cần đạt từ 30

Mpa – 150 Mpa để giải phóng lượng linhin (chiếm khoảng 15% khối lượng

vật liệu) tạo thành chất kết dính liên kết các hạt ép lại với nhau tạo thành khối

5

vững chắc. Nếu không đạt được áp suất đó 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,

vào quá trình tạo viên nhiên liệu mà áp suất khác nhau. Mật độ viên nhiên liệu

ảnh hưởng ở kích thước đầu vào, nguyên vật liệu càng mịn, mật độ càng dầy

từ 700 kg/m3 – 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 tới 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 vật liệu. Hầu hết

các nước trên thế gới sản xuất thanh nhiên thanh nhiên liệu từ các phế thải

nông nghiệp theo quy trình công nghệ như sơ đồ 1.1,[12]:

Hình 1.1 - Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất thanh nhiên liệu

- Quá trình sấy: Giảm ẩm, tăng nhiệt độ vật liệu, vật liệu có độ ẩm

<15%, nhiệt độ >70ºC.

Thiết bị: Lò hơi, thiết bị sấy thùng quay, xiclon, quạt, đường ống gió

- Quá trình nghiền: Giảm kích thước vật liệu, Vật liệu đường kính

<1mm, d*r < 3*3 mm.

- Thiết bị: Thùng nghiền, quạt, đường ống gió, xiclon lọc bụi.

- Quá trình nén: Tạo thanh, viên nhiên liệu có đường kính từ 6-8 cm,

chiều dài < 38cm.

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 được thể hiện ở bảng 1.

Nghiền nén

Làm

mát

Phế thải nông

nghiệp Sấy