LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, với sự gia tăng nhu cầu sử dụng năng lƣợng và các áp lực môi trƣờng gây ra do phát thải khí nhà kính từ việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, năng lƣợng sinh khối hiện nay đƣợc coi là một nguồn năng lƣợng tái tạo là giải pháp thay thế cho năng lƣợng hóa thạch. Hơn nữa tình hình năng lƣợng hóa thạch nhƣ dầu mỏ có nhiều biến động trên thị trƣờng do đó nhu cầu về năng lƣợng tái tạo ngay càng tăng. Sinh khối (biomass) chứa năng lƣợng hóa học, nguồn năng lƣợng từ mặt trời tích lũy trong thực vật qua quá trình quang hợp. Sinh khối là các phế phẩm từ nông nghiệp (rơm rạ, bã mía, vỏ, lõi bắp ngô, vỏ trấu…), phế phẩm lâm nghiệp (lá khô, vụn gỗ…), giấy vụn, mêtan từ các bãi chôn lấp, trạm xử lý nƣớc thải, phân từ các trang trại chăn nuôi gia súc và gia cầm.
Nguyên liệu sinh khối có thể ở dạng rắn, lỏng, khí… đƣợc đốt để giải phóng năng lƣợng. Sinh khối, đặc biệt là gỗ, than gỗ cung cấp phần năng lƣợng đáng kể trên thế giới. Ít nhất một nửa dân số thế giới dựa trên nguồn năng lƣợng chính từ sinh khối. Con ngƣời đã sử dụng chúng để sƣởi ấm và nấu ăn cách đây hàng ngàn năm.
Sinh khối cũng có thể chuyển thành dạng nhiên liệu lỏng nhƣ metanol, etanol dùng trong các động cơ đốt trong, hay thành dạng khí sinh học (biogas) ứng dụng cho nhu cầu năng lƣợng ở quy mô gia đình và mục đích cao nhất là sản xuất ra nhiệt và điện phục vụ các khu dân cƣ và các Công ty. Có thể nói việc sử dụng hiệu quả năng lƣợng sinh khối đang là vấn đề rất đƣợc quan tâm trên thế giới nhằm giảm một phần sức ép về sử dụng nhiên liệu, Phát triển nguồn năng lƣợng sạch và thiết thực cho tƣơng lai. Đặc biệt trong quá trình tiền xử lý nguyên liệu biomass gỗ có quá trình tạo thành viên nén gỗ (wood pellets) làm tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu. Quá trình xử lý gỗ thô ban đầu tạo thành viên nén giúp tăng nhiệt trị của nhiên liệu, khối lƣợng riêng tăng giúp tăng hiệu quả về vận chuyển và tồn chứa.
Hơn nữa việc tạo thành viên nén sẽ cung cấp nhiên liệu cho một số quá trình sử dụng nguồn năng lƣợng hóa thạch nhƣ lò đốt than cấp nhiệt cho sản xuất điện. Việc đốt viên nén làm giảm phát thải các khí axit cũng nhƣ hàm lƣợng tro có trong phần xỉ. Hiện tại nhu cầu tiêu thụ viên nén tại các quốc gia phát triển tại Châu Âu, 6 Mỹ, tại Châu Á có Nhật Bản và Hàn Quốc là các quốc gia có nhu cầu cao để đáp ứng nhiên liệu thay thế cho than đá. Dự kiến lƣợng tiêu thụ viên nén sẽ tăng nhanh đến những năm 2030 trên thế giới.
Tại Việt Nam, tiêu thụ viên nén chƣa lớn chủ yếu sản xuất để xuất khẩu sang thị trƣờng Hàn Quốc. Tiềm năng về nhiên liệu tại Việt Nam lớn phế phẩm nông nghiệp, lâm nghiệp nhƣ trấu, rơm, vỏ hạt cà phê…, công nghiệp chế biến gỗ nhƣ mùn cƣa… thuận lợi cho phát triển viên nén. Với những thuận lợi về nguyên liệu cho sản xuất và tận dụng nguồn phế phẩm của các ngành nông lâm nghiệp. Học viên thực hiện đề tài “Nghiên cứu kiểm soát chất lượng viên nén sinh khối thông qua điều khiển thông số công nghệ trong qúa trình sản xuất” với mong muốn rằng qua các nghiên cứu này, ngoài củng cố các kiến thức tích lũy trong những năm qua, nâng cao khả năng thiết kế, đọc tìm hiểu tài liệu cũng nhƣ lựa chọn phƣơng pháp tính đúng đắn nhất và có thể áp dụng vào thực tế sản xuất công nghiệp.
Các phần của luận văn Chƣơng I: Tổng quan về nhiên liệu sinh khối - Tiềm năng sinh khối ở Việt Nam - Chỉ tiêu chất lƣợng sản phẩm viên nén gỗ - Quy trình sản xuất viên nén gỗ Chƣơng II: Thực nghiệm Chƣơng III: Đánh giá tính chất kỹ thuật của nguyên liệu Chƣơng IV: Tính toán thiết kế các thiết bị chính của quy trình sản xuất và khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng Chƣơng V: Đánh giá chất lƣợng của sản phẩm 7 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH KHỐI 1. Tiềm năng về sinh khối của Việt Nam [3] Việt Nam có nguồn sinh khối lớn và đa dạng từ gỗ củi, trấu, vỏ cà phê, rơm rạ và bã mía. Phụ phẩm nông nghiệp rất phong phú dồi dào ở Vùng đồng bằng sông Mê Kông, chiếm khoảng 50% tổng sản lƣợng phụ phẩm nông nghiệp toàn quốc và vùng đồng bằng Sông Hồng với 15% tổng sản lƣợng toàn quốc.
Hàng năm tại Việt Nam có gần 60 triệu tấn sinh khối từ phụ phẩm nông nghiệp trong đó 40% đƣợc sử dụng đáp ứng nhu cầu nhiệt cho hộ gia đình và sản xuất điện. Ngoài các nguồn sinh khối là phụ phẩm từ sản xuất nông nghiệp, Việt Nam còn có các nguồn sinh khối từ các quá trình sản xuất khác nhƣ: phụ phẩm từ chế biến lâm sản, sản xuất công nghiệp (giấy, vải sợi…), chất thải sinh hoạt và chăn nuôi, rác thải đô thị và chất thải hữu cơ khác. Theo tính toán thì tổng tiềm năng, khả năng khai thác nguồn năng lƣợng sinh khối cho năng lƣợng và điện từ các nguồn trên đạt khoảng 142 triệu tấn, và có thể khai thác đƣợc từ 784 - 861 MW điện. Dƣới đây là bảng tổng hợp các nguồn sinh khối ở Việt Nam.1 Tổng hợp các nguồn sinh khối của Việt Nam [3] Tiềm năng Qũy dầu tƣơng đƣơng Nguồn cung cấp Tỷ lệ (%) (triệu tấn) (triệu TOE)* Rừng tự nhiên 6,842 2,390 27,9 Rừng trồng 3,718 1,300 15,2 Đất không rừng 3,850 1,350 15,7 Cây trồng phân tán 6,050 2,120 24,7 Cây công nghiệp 2,400 0,840 9,8 Phế liệu gỗ 1,649 0,580 6,7 TỔNG 24,509 8,580 100,0 8 Bảng 1.2 Tiềm năng sinh khối gỗ [3] Tiềm năng Quy dầu tƣơng Tỷ lệ Nguồn cung cấp (triệu tấn) đƣơng (triệu TOE)* (%) Rơm rạ 32,52 7,30 60,4 Trấu 6,50 2,16 17,9 Bã mía 4,45 0,82 6,8 Các loại khác 9,00 1,80 14,9 TỔNG 52,47 12,08 100,0 Bảng 1.3 Tiềm năng phụ phẩm nông nghiệp [3] Tiềm năng Khảnăng khai thác Khả năng khai Loại sinh khối (triệu cho năng lƣợng thác cho sản xuất tấn/năm) (triệu tấn/năm) điện (MW) Củi gỗ và các phế thải gỗ 27 – 31 25 - Phế thải từ cây nông nghiệp 72 – 83 58 504 - 581 Chất thải chăn nuôi 54 – 60 50 58 Rác thải phát sinh tại các đô 7 – 10 8 212 thị Phế thải cho sản xuất NLSH 0,8 - 1,4 1 - Tổng 160,8 - 185,4 142 784 - 861 Nhìn chung, nguồn sinh khối của Việt Nam có trữ lƣợng khá lớn đặc biệt là phụ phẩm gỗ, nông nghiệp và chăn nuôi.
Chủng loại sinh khối đa dạng và phong phú nhƣng rất phân tán và phân bố không đồng đều do: vùng sản xuất trải dài theo lãnh thổ, tập tục, quy mô sản xuất của ngƣời dân và chính sách địa điền của nhà nƣớc. Tổng quan về viên nén gỗ Viên nén gỗ (wood pellets) là một trong những dạng nhiên liệu sinh khối Biomass. Nó là quá trình xử lí trƣớc nhiên liệu Biomass để sử dụng cho các quá trình sau này. Việc chuyển từ nhiên liệu sinh khối sang dạng viên nén giúp tăng hiệu quả sử dụng nhiệt của vật liệu Biomass do hàm lƣợng ẩm giảm cũng xuống.
Viên nén gỗ đƣợc chế tạo từ phần phế phẩm gỗ nhƣ mùn cƣa, các loại gỗ từ công nghiệp khai thác gỗ hay từ các quá trình chế biến gỗ khác nhƣ quá trình làm đồ gia dụng… Một quá trình chế biến viên nén gỗ cơ bản gồm có quá trình: Thu nhận nguyên liệu, quá trình nghiền, quá trình sấy đến độ ẩm thích hợp, quá trình 9 nén tạo viên và quá trình đóng gói bảo quản. Kích thƣớc hình học, khối lƣợng riêng hay các chỉ tiêu kĩ thuật khác của viên nén đƣợc xác định dựa vào nhà sản xuất. Quá trình sản xuất viên nén phát triển mạnh tại các quốc gia Châu Âu vào đầu những năm 1990 và phát triển sớm tại Bắc Mỹ. Viên nén đƣợc sử dụng cho quá trình thu nhiệt cung cấp cho hộ gia đình và các nhà máy nhiệt điện [8].
Nhu cầu về sản tiêu thụ viên nén ngày càng gia tăng trong những năm tới đặc biệt là các quốc gia tại Châu Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc và khu vực Băc Mỹ. Tổng quan về viên nén gỗ: Tiêu thụ viên nén trên thế giới năm 2015 Tốc độ tăng trƣởng sau 10 năm Ƣu điểm vƣợt trội của viên nén so với khi ta đôt trực tiếp biomass Nếu ta sử dụng viên nén thì quá trình cháy hiệu quả hơn, giảm lƣợng tro phát thải, nhiệt trị tính trên một đơn vị khối lƣợng cũng lớn hơn, hiệu quả cháy cao hơn.1 Nhu cầu tiêu thụ viên nén ở một số khu vực sau 10 năm [8] Tình hình sản xuất viên nén gỗ công nghiệp tại Việt Nam Tại Việt Nam sản xuất viên nén gỗ phát triển mạnh vào những năm 2010. Thị trƣờng chủ yếu mà Việt Nam xuất khẩu tới là thị trƣờng Hàn Quốc. Bắt đầu từ năm 10 2012-2013 Hàn Quốc bắt đầu nhập khẩu viên nén gỗ tại Việt Nam.Và cho tới những năm 2014 thì Việt Nam là nhà cung ứng viên nén số 1 cho Hàn Quốc.2 Tốc độ tiêu thụ viên nén ở một số khu vực [8] Theo thống kê của hiệp hội viên nén gỗ miền nam thì số doanh nghiệp sản xuất viên nén gỗ tăng lên nhanh chóng từ năm 2010 với 150 doanh nghiệp cho đến năm 2014 tăng lên đến 400 doanh nghiệp.
Tổng năng suất của các doanh nghiệp trong nƣớc là 200. Việc tăng lên quá nhanh đã khiến cung vƣợt cầu do đó gây nên tình trạng doanh nghiệp bị ép giá, hàng tồn kho tăng cao nên khiến hàng loạt các Doanh nghiệp bị đóng cửa. Hơn nữa việc tập chung chủ yếu vào thị trƣờng Hàn Quốc nên gây rủi ro cao. Chất lƣơng sản phẩm không đạt yêu cầu về chất lƣợng cũng dẫn đến hàng không xuất khẩu đƣợc.
Hiện nay tại Việt Nam chƣa có các tiêu chuẩn về quốc gia cho viên nén. Các doanh nghiệp trong nƣớc sản xuất sản phẩm thƣờng chƣa đáp ứng đủ các điều kiện về tiêu chuẩn của các quốc gia xuất khẩu đến. Thực tế, tại Việt Nam tiềm lực của các doanh nghiệp không lớn, đa phần là nhỏ lẻ không liên kết lại với nhau. Lại thiếu chủ động về nguyên liệu nên tính cạnh tranh với các Doanh nghiệp nƣớc ngoài kém.
Thực tế tại các Doanh nghiệp nƣớc ngoài chủ yếu là các Doanh nghiệp trồng rừng vì vậy họ chủ động đƣợc nguồn gốc 11 nguyên liệu và truy xuất đƣợc nguồn gốc nên tính cạnh tranh cao hơn (Chứng chỉ FSC về nguồn gốc của nguyên liệu).