Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tình hình nghiên cứu và sản xuất thanh nhiên liệu từ phế thải nông nghiệp 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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. 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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]: Phế thải nông Sấy Nghiền nén nghiệp Làm mát 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. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Phương pháp nén viên nhiên liệu Phương pháp nén Áp suất nén Mô tả phương pháp nén Nén bằng pittông cơ khí 110 – 140 MPa Nén bằng pittông thuỷ >30Mpa lực Nén bằng trục vít 60 – 100 MPa Nén bằng rulô 206 – 448 MPa - Quá trình làm mát: Giảm độ ẩm, sản phẩm cuối cùng có chất lượng tốt, viên nhiên liệu có độ ẩm từ 10 - 12 % 1. Ở Việt Nam Việt nam là một nước có nền nông nghiệp phát triển và hàng năm thải ra một lượng lớn đến hàng chục triệu tấn phế thải như: Trấu, bã mía, vỏ lạc, vỏ hạt điều, mùn cưa, rơm rạ (Biomass)… Sử dụng nguồn phế thải đó một cách thích hợp sản xuất nhiệt và điện năng sẽ đem lại cơ hội mới cho ngành nông, lâm nghiệp, cải thiện an ninh năng lượng mang lại lợi ích cho môi trường và xã hội. Hiện nay, các phế phụ phẩm từ nông lâm nghiệp ở nước ta với tổng sản lượng lên tới hàng triệu tấn (nếu được tập trung lại). Riêng sản lượng trấu có thể thu gom được ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long lên tới 1,4 ÷ 1,6 triệu tấn.
Ngoài Đồng bằng sông Cửu Long, các khu vực khác như Tây Nguyên cũng có thể cho lượng chất thải sinh khối đạt 0,3 ÷ 0,5 triệu tấn từ cây Cà phê. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 Còn ở vùng Tây Bắc cũng đem lại tới 55.000 tấn mùn cưa từ việc khai thác và chế biến gỗ. Đặc biệt là chất thải từ nhà máy mía đường, hiện tại đang có đến 10 ÷ 15% tổng lượng bã mía không được sử dụng, vừa gây ô nhiễm môi trường, vừa không được tận dụng. Để tận dụng các phế phẩm của ngành Nông Lâm nghiệp, các nhà nghiên cứu khoa học tại Trung tâm nghiên cứu lọc hoá dầu (trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia thành phố HCM) với đề án “Công nghệ Biomass – hướng tới một nền nông nghiệp không chất thải và phát triển bền vững”, đã tinh chế chất thải từ nông thôn như rơm rạ, trấu, mùn cưa,…thành nguồn năng lượng sinh học.
Hiện nhóm nghiên cứu của Trung tâm đang tiến hành xây dựng cơ sở dữ liệu về quá trình về sản xuất sinh khối trong lĩnh vực trồng trọt và chăn nuôi tại xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi, TP. Hồ Chí Minh nghiên cứu công nghệ sản xuất cồn sinh học từ rơm rạ… Để cung cấp nhiệt cho các nhà máy nhiệt điện và cung cấp chất đốt cho sinh hoạt của người dân. Năng lượng Biomass còn được sử dụng dưới dạng viên nhiên liệu. Từ những sản phẩm phụ của ngành Nông Lâm nghiệp (trấu, mùn cưa, phoi bào.) người ta chế tạo ra các thiết bị, máy móc để ép các phế phẩm này lại, tạo ra các thanh củi rất tiện cho việc vận chuyển, bốc dỡ dễ dàng, ngoài ra khi sử dụng các thanh củi này thì khả năng cấp nhiệt của nó cao hơn so với ban đầu.
Phạm Văn Lang - nguyên Viện trưởng Viện Cơ điện Nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch cho biết: "So với các nguồn khai thác điện năng lớn từ thuỷ điện, nhiệt điện, nguồn điện năng từ các chất thải nông nghiệp tuy không nhiều, nhưng nếu tận dụng được nguồn chất thải này sẽ vừa giúp giảm bớt ô nhiễm môi trường, lại vừa có thể cung cấp điện tại chỗ cho các vùng nông thôn, nhất là các vùng sâu. Phạm Văn Lang đã tính toán tổng sản lượng phế thải sinh khối hằng năm ở nước ta có thể đạt 8-11 triệu tấn. So với việc sản xuất điện từ than, công nghệ sản xuất này rẻ và tiết kiệm hơn rất nhiều, bởi nếu sử dụng 2 ÷ 4 kg chất thải sinh khối sẽ tương LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 đương với 1 kg than antracite (giá 1.