ĐẶT VẤN ĐỀ Với tổng khối lượng vỏ trấu toàn cầu là 130 triệu tấn thì hàng năm nguồn sinh khối này có thể tạo ra xấp xỉ 1.56×109 GJ năng lượng (tương đương 433×106 MWh). Đối với Việt Nam thì con số này tương ứng 96×106 GJ năng lượng (tương đương 267×106 MWh). Việt Nam là một trong những nước có nền nông nghiệp lúa nước phát triển, hàng năm sinh ra khoảng 8 triệu tấn trấu, trong đó khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL) khoảng 4 triệu tấn, và chỉ một lượng trấu nhỏ được sử dụng trong công nghiệp, nông nghiệp, sinh hoạt. Một lượng lớn trấu còn lại không sử dụng và thải bỏ ra sông, suối, kênh… làm ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước khu vực ĐBSCL.
Công tác nghiên cứu - triển khai thiết kế và chế tạo các mẫu lò hơi đốt trấu theo công nghệ lớp sôi là việc rất cần thiết đối với ngành năng lượng của các nước đang phát triển và có tiềm năng về trấu lớn như Việt Nam. Việc nhập hoàn toàn công nghệ đốt trấu theo lớp sôi gặp phải vấn đề về giá thành cao và tuổi thọ thấp do chất lượng nước nhiễm phèn tại ĐBSCL và do không tuân thủ hoàn toàn quy trình vận hành lò hơi, điều đó càng không thể giúp các cán bộ kĩ thuật chúng ta nắm vững được các vấn đề về công nghệ lớp sôi thiết kế và sử dụng, vận hành loại thiết bị mới đó, không thể triển khai ra qui mô lớn để có thể áp dụng hiệu quả công nghệ này. Vì vậy Nghiên cứu tính toán trao đổi nhiệt trong buồng lửa lò hơi đốt trấu lớp sôi cải tiến có vai trò quan trọng để đẩy nhanh việc áp dụng công nghệ đốt trấu theo lớp sôi ở Việt Nam. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.
Tình hình nghiên cứu trên phạm vi thế giới Trên thế giới công tác nghiên cứu áp dụng công nghệ lớp sôi đối với nhiên liệu trấu được đẩy mạnh từ năm 1998, “Nghiên cứu đặc tính cháy của nhiên liệu trấu trong lò hơi lớp sôi” (Chen Guanyi et al. Báo cáo khoa học này trình bày đặc tính cháy của nhiên liệu trấu trong lò hơi lớp sôi được thực nghiệm kiểm chứng và phân tích kết quả. Thực nghiệm cho thấy nhiên liệu trấu có thể bắt cháy tại nhiệt độ 340oC. Nhiên liệu trấu có thể cháy ổn định khi cấp tới lớp sôi tại nhiệt độ lớp 400oC, thoát chất bốc nhanh, nhưng cháy cốc là khó khăn.
Kiểm chứng quá trình cháy cho thấy cường độ cháy tập trung trong vùng pha loãng, nhiệt độ trong vùng này cao hơn vùng pha đặc. Trong điều kiện thực nghiệm, cường độ cháy trong vùng tâm của lớp sôi là mãnh liệt nhất. “Các thông số lớp sôi cơ bản là tốc độ sôi 1÷2m/s, chiều cao lớp 0.42m và hệ số không khí thừa 2. Mặc dù cháy cốc trấu là khó khăn, hiệu suất cháy đạt 97%.
Những kết quả này rất hữu dụng cho thiết kế và vận hành lò hơi lớp sôi đốt trấu trong kỹ thuật. Năm 2010, một nghiên cứu khác có giá trị tham khảo là “Quá trình cháy của nhiên liệu trấu trong buồng đốt lớp sôi” (T. Madhiyanon et al. Một buồng đốt lớp sôi công suất nhiệt 250 kWth được nghiên cứu thực nghiệm cho quá trình cháy của nhiên liệu trấu bao gồm hiệu suất cháy (Ec), tỉ lệ hấp thụ nhiệt trong lớp sôi (Ic), phân bố nhiệt độ và phát thải khí.
Ảnh hưởng của tốc độ sôi, hệ số không khí thừa và khả năng thay đổi phụ tải lò được phân tích. Kết quả chỉ ra rằng hệ thống có thể vận hành mà không cần sử dụng vật liệu trơ thứ hai làm vật liệu lớp sôi nhưng vẫn có thể đạt được hiệu suất cháy và hệ số trao đổi nhiệt cao bằng cách chất rắn được tái tuần hoàn trong lớp với dòng không khí xoáy. Hiệu suất cháy Ec đạt 99.8% và tỉ lệ hấp thụ nhiệt trong 17 lớp sôi Ic đạt 1. Khi tăng tốc độ sôi và hệ số không khí thừa gây giảm hiệu suất cháy Ec.
Phát thải CO and NOx tăng tỉ lệ thuận với hệ số không khí thừa, nằm trong dải 50 – 550 ppm và 230 – 350 ppm [2]. Một số đề tài nghiên cứu khác trên thế giới liên quan đến đề tài: 1) P. Zainura (2008) Effect of fluidising velocity on the combustion of rice husk in a bench-scale fluidised bed combustor for the production of amorphous rice husk ash. Otero (2002) Combustion behaviour of rice husk in a bubbling fluidised bed.
Biomass and Bioenergy, 23(3), 171-179. 4) Sheng Huang, Shan Jing, Jinfu Wang, Zhanwen Wang, Yong Jin (2001) Silica white obtained from ricehusk in a fluidized bed. Leckner (1987) Heat flow measurements in fluidized bed boilers. Proceedings of 9th International Conference on FBC - Boston, (I), 592–597.
6) W Prins (1987) Fluidized bed combustion of a single carbon particle. PhD dissertation, University Twente, Enschede (the Netherlands). Tình hình nghiên cứu trong nước Tại Việt nam cuối năm 2005 công tác triển khai nghiên cứu công nghệ lò hơi lớp sôi đốt nhiên liệu sinh khối nói chung và trấu nói riêng được đẩy mạnh, một số công trình, bài báo khoa học được công bố tại các hội thảo về nghiên cứu và ứng dụng công nghệ lớp sôi và lớp sôi tuần hoàn FB&CFB. Một công trình khoa học tiêu biểu có giá trị tham khảo là“Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ lớp sôi và lớp sôi tuần hoàn ở Việt Nam” (Phạm Hoàng Lương và Đỗ Văn Thắng, 2006).
Nghiên cứu thực nghiệm đã được thực hiện trên một buồng đốt lớp sôi đốt trấu có đường kính 0.8 m với công suất nhiệt 50 kWth, và không khí cháy được gia nhiệt nhờ các thanh điện trở đến nhiệt độ khoảng 400-450oC. Với tốc độ gió từ 0.7 m/s, cường độ cháy thay đổi từ 203 - 441 kg/m2h và hệ số không khí thừa dao động từ 10 - 30%, hệ số trao đổi nhiệt giữa lớp sôi và tường buồng đốt tại vùng cháy nhiên liệu và tại vùng phía trên buồng đốt dao động tương ứng trong khoảng 265 - 320 W/m2oC và 73 - 110 W/m2oC. Dựa vào các kết quả phân tích tro và khói thải từ buồng đốt, hiệu suất cháy nhiên liệu đã được xác định và dao động trong khoảng 97 - 99% [19]. Các kết quả nghiên cứu về công nghệ cháy sinh khối trong lò hơi lớp sôi cho phép hoàn thiện quy trình vận hành công nghệ cháy lớp sôi trong các buồng đốt - lò hơi công nghiệp, đồng thời đề xuất những hướng nghiên cứu mới nhằm khai thác hiệu quả loại hình công nghệ này trong tương lai gần ở Việt Nam.
Một số nghiên cứu khoa học trong nước liên quan đến đề tài: 1) Hội Thảo Khoa Học do Bộ Công Thương (MOIT), Ngân Hàng Thế Giới (WB) và Tổ Chức Tiền Tệ Quốc Tế (2009) Năng Lượng Trấu: “Chuyển hóa Phế Thải thành Năng Lượng và Lợi Nhuận”. Thành phố Hồ Chí Minh. 18 2) Nguyễn Thanh Quang, Phạm Duy Vũ, Mã Phước Hoàng (2007) Công nghệ và chế tạo lò hơi đốt nhiên liệu xấu kiểu tầng sôi tái tuần hoàn. Đề tài UTCN-07 ĐHBKĐN.
3) Phạm Văn Lang (2005) Sử dụng chất thải sinh khối trong sản xuất nông - lâm nghiệp bằng công nghệ đốt tầng sôi để phát nhiệt - điện. Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn. 4) Nguyễn Đức Cường (2005) Nghiên cứu, định hướng tính khả thi nhà máy đồng phát năng lượng đốt trấu quy mô thích hợp & phân tích đánh giá khả năng nối lưới quốc gia. Phòng Phát Triển Năng Lượng Nông Thôn và Công Nghệ Mới, Viện Năng Lượng.
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu đánh giá các công nghệ đốt trấu cho lò hơi hiện tại ở Việt Nam, đề ra phương pháp tính trao đổi nhiệt phù hợp cho loại lò lớp sôi cải tiến thiết kế, so sánh đánh giá kết quả tính toán và thực nghiệm kiểm chứng, kết hợp với các kết quả của một số tác giả đã công bố. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU − Nghiên cứu phương án thiết kế lò hơi đốt trấu lớp sôi cải tiến. − Nghiên cứu tính toán trao đổi nhiệt trong buồng lửa đốt trấu lớp sôi cải tiến. − Tính toán trao đổi nhiệt trong buồng lửa đốt trấu lớp sôi cải tiến.
− So sánh đánh giá giữa kết quả tính toán và thực nghiệm kiểm chứng kết hợp với các kết quả của một số tác giả đã công bố. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CÁCH TIẾP CẬN VẤN ĐỀ Để thực hiện được nội dung của đề tài đặt ra, cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu được sử dụng như sau. Cách tiếp cận Tổng quan về nguồn trấu, đặc tính nhiên liệu, tìm hiểu công nghệ và thiết bị đốt trấu đã ứng dụng trong thực tế sản xuất qua khảo sát thực tế và qua các phương tiện thông tin đại chúng, tài liệu chuyên ngành,…Đánh giá ưu nhược điểm, từ đó làm cơ sở cho việc lựa chọn công nghệ và đưa ra phương án thiết kế lò hơi phù hợp. Cập nhật các nghiên cứu mới nhất về công nghệ lò hơi lớp sôi đốt trấu, áp dụng tính toán trao đổi nhiệt trong buồng lửa cho lò hơi đốt trấu lớp sôi cải tiến.
Phương pháp nghiên cứu − Thu thập số liệu khảo sát đánh giá tiềm năng nhiên liệu trấu tại ĐBSCL. − Thu thập số liệu khảo sát đánh giá các lò hơi đốt trấu hiện có tại ĐBSCL − Bằng các phương trình tính toán kết hợp với các hệ số tính toán thực nghiệm, tính toán trao đổi nhiệt trong buồng lửa lò hơi đốt trấu lớp sôi cải tiến. − So sánh đánh giá giữa số liệu tính toán và thực nghiệm kiểm chứng kết hợp với các kết quả của một số tác giả đã công bố. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Đề tài giải quyết bài toán thực tế về việc sử dụng nhiên liệu trấu hiệu quả để sản xuất năng lượng trong công nghiệp tại Việt Nam.
Kết quả của đề tài với việc đưa ra phương án tính toán trao đổi nhiệt trong buồng lửa lò hơi đốt trấu lớp sôi cải tiến khẳng định chúng ta hoàn toàn có thể thiết kế, chế tạo toàn bộ các thiết bị trong hệ thống lò hơi công nghiệp đốt những thứ tưởng chừng vứt bỏ như trấu để cung cấp nhiệt cho hầu khắp các ngành công nghiệp bằng chính nội lực trong nước. NGHIÊN CỨU PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ LÒ HƠI ĐỐT TRẤU LỚP SÔI CẢI TIẾN 2. TIỀM NĂNG NGUỒN NHIÊN LIỆU TRẤU VÀ KHẢ NĂNG CUNG CẤP 2. Tổng quan về nguồn trấu tại Việt Nam Việt Nam rất đa dạng và phong phú về các nguồn sinh khối như vỏ trấu, bã mía, vỏ cà phê…nhưng chỉ có một phần nhỏ được sử dụng làm nhiên liệu đốt tạo ra năng lượng.
Trong đó, vỏ trấu là một nguồn sinh khối quan trọng nhưng chưa được khai thác triệt để. Vỏ trấu có thể được sử dụng để sản xuất năng lượng ở Việt Nam.
