Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học: Nghiên cứu kiểm soát chất lượng viên nén sinh khối thông qua điều khiển thông số công nghệ trong quá trình sản xuất

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:75

Thêm vào BST

Báo xấu

48
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài tiến hành nghiên cứu nhằm 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học: Nghiên cứu kiểm soát chất lượng viên nén sinh khối thông qua điều khiển thông số công nghệ trong quá trình sản xuất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- VÕ THÀNH DŨNG NGHIÊN CỨU KIỂM SOÁT CHẤT LƯỢNG VIÊN NÉN SINH KHỐI THÔNG QUA ĐIỀU KHIỂN THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT C K LU N V N THẠC S K THU T H A HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. V N ĐÌNH SƠN THỌ H Nội – Năm 2017
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình 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”, Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Văn Đình Sơn Thọ, thầy giáo trực tiếp hƣớng dẫn và chỉ bảo cho tôi hoàn thành luận văn này. Tôi cũng đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ tạo điều kiện của Viện Đào tạo sau đại học, Viện Công nghệ hóa học, các thầy cô trong bộ môn Công nghệ Hữu cơ - Hóa dầu. Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động viên, khích lệ tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này. Mặc dù đã có nhiều cố gắng để thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh nhất. Song do thời gian hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai sót trong quá trình làm luận văn. Vì vậy, tôi rất mong nhận đƣợc sự góp ý của quý thầy, cô giáo và các bạn để luận văn hoàn chỉnh hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 20 tháng 02 năm 2017 Tác giả Võ Thành Dũng 1
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................................................... 1 MỤC LỤC ......................................................................................................................................................... 2 DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................................................... 4 DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ .................................................................................................................. 5 LỜI MỞ ĐẦU.................................................................................................................................................... 6 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH KHỐI ....................................................................... 8 1.1. Tiềm năng về sinh khối của Việt Nam [3] ......................................................................... 8 1.2. Tổng quan về viên nén gỗ .................................................................................................. 9 1.3. Chỉ tiêu chất lƣợng viên nén gỗ năng lƣợng [6].............................................................. 12 1.4. Công nghệ sản xuất viên nén gỗ tại nhà máy ................................................................... 16 1.4.1. Quá trình sản xuất [6] ...................................................................................................... 17 1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của viên nén gỗ [2] .............................................. 20 CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM ................................................................................................................... 23 2.1. Phân tích thành phần kỹ thuật ............................................................................................... 23 2.1.1. Xác định độ ẩm .................................................................................................................... 23 2.1.2. Xác định hàm lượng tro ....................................................................................................... 23 2.1.3. Xác định hàm lượng chất bốc .............................................................................................. 23 2.1.4. Xác định nhiệt trị ................................................................................................................. 24 2.2. Xác định thành phần nguyên tố ............................................................................................ 25 2.2.1. Tính hàm lượng carbon cố định .......................................................................................... 25 2.2.2. Xác định hàm lượng carbon và hydro tổng (Cpt, Hpt) .......................................................... 25 2.2.3. Xác định hàm lượng lưu huỳnh............................................................................................ 25 2.2.4. Xác định hàm lượng nitơ ..................................................................................................... 26 2.2.5. Xác định hàm lượng oxy ...................................................................................................... 26 2.2.6. Xác định hàm lượng oxit kim loại chính có trong tro .......................................................... 26 2.2.7. Xác định các hàm lượng oxit kim loại kiềm và kiềm thổ trong tro ...................................... 30 2.3. Đánh giá khả năng cháy của sinh khối bằng phƣơng pháp phân tích nhiệt trọng lƣợng ....... 32 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................................................... 34 3.1. Thành phần hóa học của sinh khối gỗ ................................................................................... 34 3.2. Kết quả phân tích proximate thành phần kỹ thuật và phân tích ultimate thành phần nguyên tố ...................................................................................................................................................... 36 3.3. Nghiên cứu quá trình cháy của gỗ keo .................................................................................. 40 CHƢƠNG 4. THIẾT KẾ THIẾT BỊ SẤY VÀ ĐÁNH GIÁ MỘT VÀI THÔNG SỐ ẢNH HƢỞNG ........ 45 4.1. Tính toán cho hệ thống sấy .............................................................................................. 45 2
4.2. Tính toán cho thùng quay [1] ........................................................................................... 45 a) Các thông số ban đầu tính toán cho quá trình sấy bằng thùng quay ................................. 45 b) Tính toán các thông số của khói lò ................................................................................... 46 c) Cân bằng vât liệu và cân bằng năng lƣợng của máy sấy .................................................. 52 d) Tính toán thiết bị chính thùng sấy .................................................................................... 52 e) Cân bằng nhiệt lƣợng của thiết bị sấy............................................................................... 55 4.3. Tính toán lò đốt................................................................................................................. 65 4.4. Khảo sát chế độ Sấy khi độ ẩm thay đổi .......................................................................... 67 CHƢƠNG 5. CHẤT LƢỢNG SẢN PHẨM ................................................................................................ 71 KẾT LUẬN ..................................................................................................................................................... 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................................................... 74 3
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tổng hợp các nguồn sinh khối của Việt Nam [3] .............................................................. 8 Bảng 1.2 Tiềm năng sinh khối gỗ [3]................................................................................................ 9 Bảng 1.3 Tiềm năng phụ phẩm nông nghiệp [3] ............................................................................... 9 Bảng 0.5 Tiêu chuẩn viên nén của Thụy Điển [5] .......................................................................... 13 Bảng 0.4 Tiêu chuẩn chất lƣợng viên nén [5] ................................................................................. 14 Bảng 0.6 Tiêu chuẩn viên nén tại U.S dựa trên tiêu chuẩn PFI 2010 [5] ........................................ 15 Bảng 0.7 Tiêu chuẩn viên nén tại Mỹ [5]........................................................................................ 15 Bảng 3.1 Đặc tính của dăm gỗ keo từ thực nghiệm và tham khảo .................................................. 37 Bảng 3.2 Thành phần oxit trong tro của gỗ keo .............................................................................. 39 Bảng 3.3 Giản đồ TG – DTG gỗ keo trong môi trƣờng không khí với tốc độ gia nhiệt 3 oC/phút . 41 Bảng 3.4 Giản đồ TG – DTG gỗ keo trong môi trƣờng không khí với tốc độ gia nhiệt 5 0C/ phút 42 Bảng 3.5 Giản đồ TG – DTG gỗ keo trong môi trƣờng không khí với tốc độ gia nhiệt 10 oC/ phút .......................................................................................................................................................... 42 Bảng 3.6 Dải nhiệt độ của từng giai đoạn trong quá trình đốt cháy trong môi trƣờng không khí .. 43 Bảng 3.7 TG của dăm gỗ keo ở 3 tốc độ gia nhiệt khác nhau trong môi trƣờng không khí.................... 43 Bảng 4.1 Thông số của khói lò tính toán ........................................................................................ 51 Bảng 4.2 Thông số của thùng sấy ................................................................................................... 55 Bảng 4.3 Cân bằng nhiên liệu của thùng sấy .................................................................................. 64 Bảng 4.4 Thông số của khói lò ở các điều kiện khác nhau ............................................................. 67 Bảng 4.5 Thông số của quá trình sấy thực ...................................................................................... 68 Bảng 4.6 Lƣợng nhiên liệu tiêu thụ và vận tốc của khói lò ............................................................ 68 Bảng 4.7 Lƣợng nhiên liệu lò đốt thay đổi ứng với độ ẩm nhiên liệu thay đổi............................... 69 Bảng 4.8 Ảnh hƣởng của độ ẩm nhiên liệu đến thời gian lƣu trong vùng sấy ............................... 69 Bảng 5.1 Chỉ tiêu chất lƣợng sản phẩm .......................................................................................... 71 4
DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Nhu cầu tiêu thụ viên nén ở một số khu vực sau 10 năm [8] ...................10 Hình 1.2 Tốc độ tiêu thụ viên nén ở một số khu vực [8] ........................................11 Hình 0.3 Cấu trúc của PrEN 14961 [6] ....................................................................12 Hình 2.1 Thiết bị đo nhiệt trị (Parr calorimetry ) ....................................................24 Hình 2.2 Thiết bị AAS của phòng thí nghiệm .........................................................32 Hình 2.3 Sơ đồ phân tích nhiệt ................................................................................33 Hình 3.1 Các thành phần hóa học cấu tạo nên gỗ [4] ..............................................34 Hình 3.2 Cấu tạo hóa học của gỗ [7]........................................................................35 Hình 3.3 Thành phần và cấu tạo của thành phần trong gỗ [10] ...............................35 Hình 3.4 Quan hệ giữa hàm ẩm của dăm gỗ keo và số ngày phơi ...........................37 Hình 4.1 Đồ thị Các dòng năng lƣợng của thiết bị sấy thùng quay .........................65 Hình 4.2 Sự phụ thuộc lƣợng nhiên liệu đốt vào độ ẩm nhiên liệu để đảm bảo nhiệt độ khói lò là 350oC ....................................................................................................69 Hình 4.3 Sự thay đổi thời gian lƣu trong thiết bị sấy khi độ ẩm của nguyên liệu thay đổi để đạt độ ẩm đầu ra là 10%. ................................................................................70 Hình 4.4 Sự thay đổi số vòng quay theo thời gian lƣu trong vùng sấy ....................70 5
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 1.1. 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. Bảng 1.1 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. 1.2. 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. Hình 1.1 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. Hình 1.2 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 200.000-300.000 tấn/ năm. 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). Trong những năm tới nhu cầu về nhiên liệu bền vững đƣợc chú trọng trong đó có nhiên liệu biomass.Vì vậy viên nén gỗ là một thị trƣờng tiềm năng để chú trọng phát triển. Cần có những chính sách hợp lí về phát triền thị trƣờng, đầu tƣ cho cải thiện tiêu chuẩn về chất lƣợng của viên nén gỗ. Các doanh nghiệp trong nƣớc phải liên kết với nhau và tập trung vào tiêu thụ viên nén trong thị trƣờng nội địa. Cần có bộ tiêu chuẩn sử dụng cho viên nén về chỉ tiêu chất lƣợng sản phẩm có thể dựa trên tiêu chuẩn của các quốc gia phát triển hơn [8]. 1.3. Chỉ tiêu chất lƣợng viên nén gỗ năng lƣợng [6] Viên nén gỗ (wood pellet) là một trong những nhiên liệu biomass.Viên nén đƣợc chế tạo ra từ gỗ phế thải nhƣ mùn cƣa, mùn gỗ bào hay gỗ thừa của các ngành chế tạo đồ gia dụng và các ngành chế biến gỗ khác. Viên nén gỗ có 2 dạng chính đƣợc sử dụng là Wood pellet và Briquettes. Trong đó:  Dạng wood pellet đƣợc chế tạo với kích thƣớc nhỏ hơn, đƣờng kính từ 6-8 mm, chiều dài từ 10-30mm. khối lƣợng riêng trong khoảng từ 650-700(kg/m3). PrEN-14961 6 phần Chung 6 phần Phần 1 Phần 2 Phần 3 Phần 4 Phần 5 Phần 6 PrEN-14961-1 PrEN-14961-2 PrEN-14961-3 PrEN-14961-4 PrEN-14961-5 PrEN-14961-6 Viên nén sinh Viên nén gỗ Bánh gỗ nén Dăm gỗ Gỗ cháy khối khác Ví dụ Bảng 1: Hệ thống phân lớp cho sinh khối rắn Bảng 3: Bánh gỗ Ví dụ Bảng 2: Dạng truyền thống cho sinh khối rắn Bảng 4: Viên nén Ví dụ Bảng 3-15: Bảng cho nhiên liệu sinh học Bảng 5: Dăm gỗ Hình 1.3 Cấu trúc của PrEN 14961 [6] 12
Bảng 1.4 Tiêu chuẩn viên nén của Thụy Điển [5] Đặc tính Phƣơng Đơn vị Nhóm 1 Nhóm 2 Nhóm 3 pháp đánh giá Đƣờng kính Phân tihcs mm < 4 lần
ra còn một số tính chất khác là khối lƣợng riêng, nhiệt trị…  Chỉ tiêu cơ bản đánh giá chất lƣợng sản phẩm viên nén Biomass Bảng 1.5 Tiêu chuẩn chất lượng viên nén [5] Thông số Đơn vị ENPlus-A1 ENPlus-A2 EN-B Phƣơng pháp phân tích 5 Đƣờng kính mm 6 (±1) hoặc 8 (±1) 2) ) 5 Chiều dài mm 3,15≤L≤40 3) ) Tỷ trọng đổ Kg/m3 ≥ 600 EN 15103 Nhiệt trị thấp MJ/kg 16,5≤Q≤19 16,3≤Q≤19 16≤Q≤19 EN 14918 Hàm ẩm wt% ≤10 EN 14774-1 Độ mịn (
Bảng 1.6 Tiêu chuẩn viên nén tại U.S dựa trên tiêu chuẩn PFI 2010 [5] Trung bình Tiêu chuẩn Sử dụng Tỷ trọng 40-46 38-46 38-46 Đƣờng kính (mm) 5,84-7,25 5,84-7,25 5,84-7,25 Chỉ số độ bền viên ≥96,5 ≥95 ≥95 nén Tro (%) ≤1 ≤2 ≤6 Chiều dài (%>1,5 ≤1 ≤1 ≤1 inch) Hàm ẩm (%) ≤6 ≤10 ≤10 Hàm lƣợng clo ≤300 ≤300 ≤300 (phần triệu)  Tại Châu Âu: Bảng 1.7 Tiêu chuẩn viên nén tại Mỹ [5] Thuộc tính nhiên liệu PFI Tiêu chuẩn Sử dụng Tiêu chuẩn PFI PFI đánh giá Tỷ trọng 40-46 38-46 38-46 ASTM E 873 Đƣờng kính mm 5,84-7,25 5,84-7,25 5,84-7,25 NIST Chiều dài, lớn % ≤1 ≤1 ≤1 NIST hơn 1,5 inch Chỉ số độ bền % ≥96,6 ≥96,6 ≥96,6 LD2668.T4 viên nén 1962 Y68 Tro % ≤1 ≤1 ≤1 D1102-84 Hàm ẩm % ≤8 ≤10 ≤10 ASTM E 871 Hàm lƣợng ppm ≤300 ≤300 ≤300 ASTM E clo 776 Nhiệt độ chảy F NA NA NA ASTM mềm của tro D1857 Nhiệt trị BTU/h NA NA NA ASTM E711 Phụ gia, chất % NA NA NA kết dính +) Quy chuẩn sử dụng cho viên nén sử dụng trong công nghiệp [6] 15
+) Tiêu chuẩn cho viên nén sử dụng trong hộ gia đình [6] Với loại viên nén đƣợc sử dụng trong hộ gia đình thì việc truy nguyên nguồn gốc của nguyên liệu chế tạo là cần thiết. Với loại viên nén này thì nguyên liệu sử dụng là gỗ không đƣợc qua sử lý hóa học, yêu cầu là các loại cây thân gỗ. Chỉ tiêu chất lƣợng về hàm lƣợng các chất chứa trong viên nén cũng rất khắt khe (hàm lƣợng các chất nhƣ S, Cl, kim loại…). Đối với loại viên nén này thì nguyên liệu đƣợc tuyển chọn trƣớc khi đƣa vào sản xuất. Vì loại nhiên liệu này sử dụng trong hộ gia đình sẽ gây ảnh hƣởng đến ngƣời sử dụng. Cần yêu cầu rất cao về hàm lƣợng tro và các chất nhƣ S, Cl và hàm lƣợng kim loại nặng.  Tại Đức tiêu chuẩn về viên nén cũng theo tiêu chuẩn của Châu Âu về viên nén gỗ  Tại thị trƣờng Châu Á [5] Tại Châu Á, các quốc gia tiêu thụ hàng đầu viên nén biomass là Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc. Tại các quốc gia này viên nén chủ yếu đƣợc sử dụng cho hộ gia đình dùng để lấy nhiệt cấp cho các loại bếp sử dụng trong nhà. Vì vậy chỉ tiêu chất lƣợng sản phẩm tƣơng đƣơng với sản phẩm dùng trong các hộ gia đình của Châu Âu. Theo tiêu chuẩn của Nhật Bản là tiêu chuẩn JIS về viên nén dựa trên tiêu chuẩn quốc tế EN (Europe Standard). Các tiêu chí về chất lƣợng giúp đánh giá chất lƣợng sản phẩm viên nén và là các thông số quan trọng sử dụng trong giao thƣơng buôn bán. 1.4. Công nghệ sản xuất viên nén gỗ tại nhà máy Viên nén gỗ thƣờng đƣợc sản xuất từ mùn cƣa, mùn gỗ nghiền hay từ quá trình cắt chế biến gỗ. Độ ẩm của nguyên liệu là một yếu tố quan trọng trong quá trình sản xuất. Nếu vật liệu có độ ẩm quá cao cần thiết phải trải qua quá trình sấy. Nhƣng nếu độ ẩm trong vật liệu quá thấp dẫn đến quá trình tạo viên nén trở nên khó khăn do không kết dính đƣợc vật liệu. Độ ẩm tối ƣu cho quá trình sản xuất trong nguyên liệu là từ 10-15 %. Các loại gỗ thân mềm là vật liệu nhẹ hơn so với các loại gỗ cứng do hàm lƣợng Lignin trong chúng cao. Hàm lƣợng Lignin trong gỗ chính là chất kết dính tự nhiên cho viên nén để tăng độ cứng. Hàm lƣợng Lignin chứa nhiều trong vỏ cây. 16
Nếu để sản xuất 1 tấn sản phẩm viên nén (độ ẩm từ 7-10%) yêu cầu số lƣợng nguyên liệu khoảng 7m3 mùn cƣa (độ ẩm 50-55%) hoặc 10m3 mùn gỗ cắt (độ ẩm 10-15%). Viên nén gỗ cũng đƣợc sản xuất từ nguyên liệu fresh biomass, những loại này hiện tại đang nghiên cứu chƣa sản xuất tại một số quốc gia. Vì lý do, hàm lƣợng tro trong quá trình sử dụng tạo ra cao và nhiệt trị cháy thấp, hơn nữa khả năng bảo quản của nó cũng thấp hơn so với các loại viên nén sản xuất từ các loại nguyên liệu ở trên. Tuy vậy, viên nén sản xuất từ vật liệu vỏ cây có khả năng tăng đƣợc độ bền cơ học. 1.4.1. Quá trình sản xuất [6] Các quá trình cơ bản của công nghệ sản xuất viên nén năng lƣợng biomass bao gồm giai đoạn sau: Chuẩn bị nguyên liệu, tách loại vỏ, nghiền nhỏ, sấy, tạo viên, làm mát, đóng gói bảo quản. +) Nguyên liệu thô sau khi thu về nếu là dạng gỗ nguyên sẽ đƣợc cho qua thiết bị tách loại vỏ, phần thân gỗ sau đó đƣợc chuyển đến giai đoạn tiếp theo còn phần vỏ thu đƣợc có thể sử dụng làm nhiên liệu đốt cho quá trình sấy. Quá trình tách loại vỏ giúp đảm bảo yêu cầu kĩ thuật cho viên nén về giảm hàm lƣợng tro và kim loại trong viên nén. Vì hàm lƣợng tro và hàm lƣợng các kim loại thƣờng có nhiều trong vỏ cây. +) Nguyên liệu sau quá trình tách loại vỏ đƣợc chuyển qua giai đoạn băm chặt tạo thành wood chip có kích thƣớc
3. Một sàng lỗ đƣợc lắp tại đƣờng ra để lọc nguyên liệu. Nguyên liệu đạt kích thƣớc chuẩn sẽ lọt qua sàng. Nguyên liệu có kích thƣớc còn lớn sẽ đƣợc nghiền tiếp. Thay đổi cỡ sàng, tốc độ quay của trục hay cài đặt lại thông số búa nghiền sẽ thay đổi thành phẩm sau nghiền. Tốc độ quay lớn hơn, lỗ sàng nhỏ hơn và nhiều búa nghiền hơn sẽ cho thành phẩm nhỏ mịn hơn. Mỗi chi tiết máy trên có thể đƣợc điều chỉnh riêng biệt hoặc đồng bộ để cho ra thành phẩm có kích cỡ chuẩn theo yêu cầu. Có 3 máy nghiền: 1. Máy nghiền thô/ nghiền ƣớt (Green Hammermill) – do Van Gelder sản xuất. Máy nghiền này sẽ nghiền nguyên liệu từ kích cỡ 100mm x 100mm x 100mm xuống kích cỡ 25mm x 10mm x 2mm. Qua thử nghiệm và điều chỉnh thông số máy ngƣời ta thấy việc kết hợp giữa việc lắp 48 búa nghiền và dùng sàng 16mm/18mm sẽ cho ra thành phẩm và kích cỡ tốt nhất. 2. Máy nghiền thô làm nhiên liệu (Fuel Hammermill) – do Schutte Buffalo sản xuất. Máy nghiền này sẽ nghiền nguyên liệu từ kích cỡ 25mm x 10mm x 2mm xuống kích cỡ 15mm x 10mm x 3mm. Máy có 40 búa nghiền và sử dụng sàng 8mm. Máy chạy đƣợc cả 2 chiều nhằm sử dụng tối đa búa nghiền. Rotor phải đƣợc đảo chiều thƣờng xuyên. +) Quá trình sấy là công đoạn tiếp theo của dây chuyền công nghệ. Sấy là một trong những công đoạn quan trọng nhất của công nghệ. Vì độ ẩm của vật liệu là rất quan trọng trong quá trình tạo viên. Nếu độ ẩm vật liệu quá cao thì quá trình nén vật liệu trở nên khó khăn do vật liệu bị kết dính làm tắc lỗ thoát viên, còn nếu độ ẩm quá nhỏ thì quá trình tạo viên nén không thể thực hiện đƣợc(do thiếu kết dính). Độ ẩm thích hợp của quá trình nén là từ 10-15%. Công đoạn sấy có thể sử dụng thiết bị sấy thùng quay hoặc thiết bị sấy bằng thổi khí. Thông thƣờng trong công nghiệp sử dụng thiết bị sấy thùng quay, do nó phù hợp với sấy các vật liệu hạt nhỏ và nhiên liệu Biomass với quy mô trung bình và lớn. Tùy thuộc vào độ ẩm của vật liệu ban đầu vào mà ta điều chỉnh thời gian lƣu phù hợp thông qua tốc độ quay của thùng hay thông số của tác nhân sấy. Tác nhân sấy thƣờng sử dụng là khói lò có nhiệt độ cao khoảng 350ºC, khói lò ra khỏi thiết bị giảm xuống thấp hơn 100ºC. Ngoài ra có thể sử dụng tác nhân sấy là hơi nƣớc chƣa bão hòa ẩm hay không khí nóng cho quá trình sấy. Sau khi vật liệu 18
sấy đi qua thiết bị sấy đƣợc vận chuyển nhờ thiết bị thổi khí qua các cyclon để tách loại khói lò và vật liệu sấy. Tác nhân sấy thƣờng đƣợc sử dụng nhờ quá trình đốt trực tiếp nhiên liệu than hay nhiên liệu biomass. +) Nghiền mịn là công đoạn tiếp theo cho quá trình sau khi đã qua nghiền thô. Máy nghiền giúp đảm bảo kích cỡ hạt đạt đến kích cỡ tiêu chuẩn(