ĐẶT VẤN ĐỀ Môi trường và an ninh năng lượng đang là hai vấn đề nhận được sự quan tâm hàng đầu của nhân loại. Hiện nay trên thế giới có một nghịch lý là khoa học càng phát triển, cuộc sống con người càng nâng cao thì nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng nhiều và kéo theo là ô nhiễm môi trường cũng có xu hướng tăng lên. Một trong các nguyên nhân làm cho môi trường không khí bị ảnh hưởng là do các loại khí phát thải như COx, NOx,…trong quá trình sử dụng các loại nhiên liệu hóa thạch: than đá, dầu mỏ,… từ hoạt động đun nấu và sử dụng trong các loại động cơ. Yêu cầu hiện nay là tìm kiếm và phát triển nguồn nhiên liệu thay thế để cung cấp năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm.
Viên nén nhiên liệu được xem là một bước tiến mới của khoa học công nghệ đối với thị trường chất đốt. Công nghệ sản xuất viên nén giúp tận dụng phụ phẩm trong sản xuất nông – lâm – nghiệp, chất thải rắn trong sinh hoạt hàng ngày để tăng nhiệt trị và khối lượng riêng của nhiên liệu cũng như tạo thuận lợi trong quá trình vận chuyển và tồn chứa. Khi viên nén được sử dụng trong thiết bị đốt để cấp năng lượng cho sản xuất sẽ giúp tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ được môi trường. Tại Hoa Kỳ hằng năm đã xả bỏ khoảng 39,33 triệu tấn nhựa, có 6,8% (2,66 triệu tấn) được tái chế, 0,7% (0,27 triệu tấn) được dùng làm nhiên liệu thay thế trong sản xuất xi măng và 9,9% (3,88 triệu tấn) được trộn lẫn với chất thải không tái chế khác chuyển đổi thành điện tại các cơ sở xử lý chất thải [1].
Rác thải nhựa không tái chế NRP (Non Recycle Production) được xem xét để sử dụng vì nhiệt trị cao hơn các chất hữu cơ rất nhiều thường không chứa oxy, hàm lượng cacbon lớn nhưng độ ẩm lại thấp. Nhựa NRP được tạo thành từ các cấu trúc từ hydrocacbon đa phân tử nên có thể chuyển hóa thành nhiên liệu để có thể tái sử dụng [1]. Loại nhựa này đang được các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu để chuyển đổi thành năng điện năng. Từ đó việc xây dựng các cơ sở xử lý rác thải nhựa không tái chế NRP sẽ giúp tạo ra năng lượng hữu ích, làm giảm một lượng lớn chất thải được đưa đến các bãi chôn lấp.
Nghiên cứu của EEC (Earth Enginering Center) cũng cho thấy nhiệt trị thấp trung bình của NRP đều lớn hơn các nguồn nhiên liệu truyền thống như than cốc dầu mỏ 19%, than đá 37% và gỗ 87% [1,2]. xxvi Theo EEC nhiệt trị cao trong rác thải nhựa NRP có giá trị trung bình từ (24,7 44,1) MJ/kg, trong đó nhựa PET và PVC có nhiệt trị cao (HHV) trung bình từ (40 46)MJ/kg, loại PP có nhiệt trị cao là 44,1 MJ/kg, loại LLDPE có nhiệt trị cao là 43,9 MJ/kg. Còn ở Việt Nam theo thống kê số liệu chưa đầy đủ của Bộ Tài nguyên và Môi trường, rác thải nhựa chiếm tỉ trọng khoảng (5 10)% trong rác thải sinh hoạt; cả nước phát sinh khoảng (23 25) triệu tấn rác thải sinh hoạt/ năm do sự tiện lợi khi sử dụng. Trước thực tế là nguồn chất thải rắn trong các nhà máy chế biến gỗ tại Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung gồm: Mùn cưa từ quá trình sản xuất các vật dụng từ đồ gỗ và chất thải nhựa từ các túi thực phẩm hằng ngày do con người xả bỏ cùng với các bao gói bọc sản phẩm gỗ đang gây ô nhiễm cho sản xuất tại các nhà máy chế biến gỗ.
Thay vì dồn lại thành đống và đem chôn lấp, nếu được xử lý thì các chất thải rắn này có thể trở thành nguồn nhiên liệu hữu ích. Do đó, việc nghiên cứu và đưa ra phương án hợp lý để sử dụng nguồn chất thải rắn từ phế phẩm gỗ cũng như xử lý vấn đề rác thải từ nylon là rất cần thiết góp phần giảm thiểu ô nhiễm từ môi trường và sử dụng năng lượng từ quá trình đốt cháy hỗn hợp trên là cần thiết. Để giải quyết vấn đề xử lý rác thải rắn này, giải pháp được đề xuất là xay các chất thải nhựa này trộn với mùn cưa và ép chúng lại thành các viên nén đa nguyên liệu, sau đó đem đốt chúng trong lò khí hóa để cung cấp năng lượng nhiệt cho quá trình sấy và bảo quản sản phẩm tại chính các nhà máy chế biến gỗ này [3]. Việc lựa chọn công nghệ lò đốt cần căn cứ vào đặc điểm của nguyên liệu sử dụng và quy mô thực tế sản xuất.1 Nhiệt trị của các nhóm nhựa NPR [1]: Giá trị đo Giá trị tính Nhóm Kết quả nhiệt trị cao nhiệt trị thấp HHV (MJ/kg) LHV (MJ/kg) 1 PET 24,7 23,8 2 HDPE 40,2 37,1 3 PVC 23,9 22,9 4 LDPE 45,7 42,6 5 LLDPE 42,0 38,9 xxvii 6 PP 44,1 41,0 7 PS 40,4 38,6 8 Khác 40,7 - Bảng 1.1 được sử dụng để tham khảo tính nhiệt trị của nylon về mặt lý thuyết sử dụng cho việc tính toán nhiệt trị viên nén đa nguyên liệu theo tỉ lệ thành phần vì nylon cũng là một loại nhựa.
MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu xác định hiệu suất khí hóa khi đốt viên nén đa nguyên liệu có thành phần từ mùn cưa, bột gỗ và nylon phế thải. Mục tiêu cụ thể: - Nghiên cứu thực nghiệm xác định được công thức sản xuất tạo ra viên nén đa nguyên liệu có thành phần từ thành phần mùn cưa và nylon phế thải; - Thiết kế chế tạo được một lò đốt khí hóa kiểu nghịch đốt viên nén đa nguyên liệu; - Xác định nhiệt trị viên nén đa nguyên liệu; - Xác định được hiệu suất khí hóa khi đốt viên nén trong lò đốt của đề tài luận văn. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ THỰC HIỆN - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về quá trình tạo viên nén; - Nghiên cứu về công nghệ khí hóa và lựa chọn kiểu lò đốt khí hóa cho đề tài luận văn; - Xây dựng công thức sản xuất viên nén đa nguyên liệu theo hướng nghiên cứu của đề tài; - Thiết kế chế tạo lò đốt viên nén đa nguyên liệu; - Đánh giá chất lượng viên nén đa nguyên liệu theo các công thức và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến hình thành viên nén đa nguyên liệu để đốt khí hóa; - Thực nghiệm đốt khí hóa viên nén để xác định nhiệt trị viên nén và đánh giá hiệu suất đốt khi hóa viên nén đa nguyên liệu. PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Tập trung vào nghiên cứu thực nghiệm với công suất tạo viên nén đa thành phần.
có thành phần là nylon phế thải và bụi gỗ và mùn cưa; - Thực nghiệm quá trình khí hóa viên nén đa nguyên liệu với tỉ lệ được chọn; - Xác định được hiệu suất đốt khí hóa viên nén. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu tổng quan: Thu thập, cập nhật thông tin từ các bài báo, công trình đã công bố trong và ngoài nước, các hội thảo trong nước và quốc tế về công nghệ khí hóa được sử dụng. Ngoài ra công nghệ tạo viên và ứng dụng của nó cũng được tìm hiểu để phục vụ đề tài. - Khảo sát các lò đốt khí hóa trong thực tiễn.
- Nghiên cứu lí thuyết: Dựa vào các lí thuyết về động học, nhiệt động học phản ứng của quá trình cháy, khí hóa và nhiệt phân sinh khối. - Nghiên cứu thực nghiệm: Xây dựng hệ thống thí nghiệm lò khí hóa đốt nhiên liệu hắc ín cao kết hợp với máy tạo viên nén đa thành phần làm nhiên liệu tại Đại học Công Nghiệp TP HCM để, i) nghiên cứu quá trình khí hóa với viên nén đa thành phần để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến hiệu suất đốt của thiết bị; ii) nghiên cứu đánh giá khả năng tạo viên nén đa thành phần và lựa chọn mẫu thích hợp. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI - Góp phân nâng cao hiệu quả sử dụng phế phẩm từ các nhà máy chế biến gỗ; - Góp phần giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường từ rác thải nylon trong nhà máy chế biến gỗ dưới dạng sử dụng nhiệt trong việc đốt khí hóa cung cấp cho quá trình sấy; - Kết quả nghiên cứu khi mở rộng cho phép giải quyết vấn đề xử lý rác thải nhựa trong nông nghiệp khi đốt khí hóa với các phế phẩm trong nông nghiệp. xxix Chương 1 TỔNG QUAN 1.
Tổng quan về sản xuất viên nén 1. Giới thiệu tổng quát về viên nén và các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng. Nó là quá trình xử lý nhiên liệu Biomass từ các phụ phẩm gỗ để tăng hiệu quả sử dụng so với nhiên liệu ban đầu. Việc chuyển từ nhiên liệu sinh khối sang dạng viên nén giúp tăng hiệu quả sử dụng nhiệt của vật liệu biomass do hàm lượng ẩm của vật liệu giảm xuống.
Viên nén gỗ được chế tạo với kích thước nhỏ, đường kính từ (6 ÷ 8) mm, chiều dài từ (10 ÷ 30) mm, khối lượng riêng trong khoảng từ (650 ÷ 700) kg/m3. Ở Châu Âu, tiêu chuẩn về viên nén gỗ được dựa theo tiêu chuẩn kỹ thuật EN 14961. Tiêu chuẩn này được sử dụng trong mục đích giao thương giữa các nước với nhau. Những thông số kỹ thuật quan trọng cho tất cả các nhiên liệu rắn là độ ẩm (M), tỉ lệ kích thước từng phần (D/L), hàm lượng tro (S).
Khi độ ẩm của nhiên liệu được kí hiệu là M12, tức độ ẩm lớn nhất cho phép của nhiên liệu là 12%. Ngoài ra còn một số tính chất khác là nhiệt trị, khối lượng riêng, độ bền,. ENplus là tiêu chuẩn chứng nhận hàng đầu thế giới về chất lượng của viên nén gỗ, được ra đời vào năm 2010 và được phát triển để đảm bảo chất lượng của chuỗi sản xuất viên nén gỗ từ quá trình sản xuất đến thu mua cũng như phân phối cho người tiêu dùng. Enplus đã được Hiệp hội sinh khối Châu Âu (European Biomass Association) phát triển, cùng với Hội đồng Viên nén mùn cưa Châu Âu (EPC – European Pellet Council) là đơn vị chủ trì.
Mỗi doanh nghiệp sản xuất viên nén gỗ đạt chứng nhận Enplus đều có con dấu xác nhận duy nhất gồm biểu tượng và một ID. Tất cả các công ty được chứng nhận ENplus (bao gồm các chứng chỉ bị đình chỉ) đều được liệt kê trên trang web của Enplus và danh sách luôn được cập nhật. Dựa trên các đặc tính của viên nén gỗ thì chứng nhận Enplus được phân thành 3 loại chất lượng viên nén gỗ là: ENplus A1, ENplus A2. Mỗi loại chứng nhận sẽ có một biểu tượng chất lượng duy nhất được sử dụng kết hợp với con dấu chứng nhận.