nghiên cứu sản xuất viên nhiên liệu từ biomass

Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008

100
NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT VIÊN NHIÊN LIỆU
TỪ BIOMASS
RESEARCH MANUFACTURE OF PELLET FROM BIOMASS

SVTH: HOÀNG NGUYỄN THU HÀ
Lớp 03N2- Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng
GVHD: TS NGUYỄN THANH QUÁNG
Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng

Tóm tắt:
Việt nam là một nước nông nghiệp và hàng năm thải ra một lượng lớn đến hàng chục triệu
tấn các chất phế thải(sinh kh ối) như trấu, bã mía, vỏ hạt điều, mùn cưa, rơm Sử dụng
nguồn sinh khối này một cách thích hợp để sản xuất nhiệt và điện năng sẽ đem lại cơ hội mới
cho Nông nghiệp, cải thiện an ninh năng lượng, và mang lại lợi ích cho môi trường và xã hội.
Bài nghiên cứu giới thiệu kỹ thuật chuyển sinh khối thành viên nhiên liệu bằng cách nén trấu,
mùn cưa dưới tác dụng nhiệt, viên nhiên liệu được đốt hoặc đồng đốt với than trong các lò
hơi, nhà máy điện hoặc sử dụng trực tiếp ở hộ gia đình.
Abstract:
Vietnam is agricultural country and annual release of agricultural waste(Biomass), such as rice
husk, bagasse, cashew shell, wood sawdust, straw… may be amount of many decade millions
tones. Using Biomass ressonable for heat and electricity will provide new opportunities for
agricultural, improve energy security, and bring environmental and social benefits. This
research introduces a conversion technology biomass into pellets fuel, that are made by
compressing rice husk, sawdust in the presence of heat to produce small blocks that can be
fired, co-fired in boilers, power stations or used directly in home heating units.

1. Mở đầu:
Sử dụng hiệu quả năng lượng sinh khối đang là vấn đề được quan tâm trên thế giới

nhằm giảm một phần sức ép về sử dụng nhiên liệu. Sinh khối ở nước ta có nhiều dưới dạng
phế thải nông nghiệp (trấu, rơm,vỏ lạc ), phế thải của sản xuất, chế biến gỗ (mùn cưa, dăm
bào, gỗ vụn ). Ngoại trừ mía đường thì các nguồn sinh khối khác ở Việt Nam vẫn chưa được
khai thác sử dụng hiệu quả. Hiện nay trên thế giới đã nghiên cứu và ứng dụng phát triển công
nghệ sản xuất viên nhiên liệu và đã tìm được thị trường thương mại rộng lớn. Sử dụng viên
nhiên liệu từ Biomass vừa tận dụng lượng phế thải từ Nông Nghiệp, giảm chi phí vận chuyển
và lưu trữ, có thể sử dụng làm chất đốt cho nhiều loại lò công suất vừa và nhỏ, vừa cắt giảm
năng lượng hoá thạch, tiết kiệm chi phí sản xuất, nhiệt trị cao, tăng chất lượng quá trình cháy,
giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính. Việc đầu tư nghiên cứu và ứng dụng phát triển
công nghệ sản xuất tạo viên ở nước ta đang mở ra hướng sử
dụng năng lượng mới từ biomass trong các hệ thống cháy
cũng tốt như các nguồn năng lượng khí, hơi nước,nhiệt
…khác, mang lại lợi ích môi trường và đảm bảo an ninh
năng lượng cho các quá trình phát triển kinh tế bền vững.
2. Nội dung:
2.1. Sử dụng sinh khối và viên nhiên liệu trên thế giới và
ở Việt Nam:
Phụ phẩm thừa từ Nông nghiệp bao gồm: vỏ trấu
(100 triệu tấn), mùn cưa(250 triệu tấn), vỏ lạc (4,5 triệu
tấn), vỏ hạt điều, bã mía, gỗ vụn(400 triệu tấn),
Bảng 1.2. Sử dụng viên
nhiên liệu ở một số nước
trên thế giới
NƯỚC
Sử dụng(tấn)
Canada
690.000
Thụy Điển
1.400.000
Italia

550.000
Đức
400.000
Mỹ
650.000
Đan Mạch
400.000

Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008

101
rơm rạ… (số liệu thế giới năm 1987). Theo thống kê 60% lượng này là ở các nước đang phát
triển và hầu hết bị thải ra môi trường. Nén tạo viên nhiên liệu là cách biến hàng triệu tấn
biomass này thành năng lượng để sản xuất phục vụ đời sống, sản xuất vừa và nhỏ cho thương
mại và sản xuất điện với quy mô vài trăm MWh, thị trường viên năng lượng ngày càng sôi
động ở nhiều quốc gia trên thế giới.
Việt Nam từ khi gia nhập
WTO đã mở rộng thị trường hợp tác
đầu tư, mở ra cơ hội thách thức cho
tất cả các ngành kinh tế, đặc biệt là
Nông Nghiệp với nhiều mặt hàng
xuất khẩu chủ lực: thóc gạo, gỗ, cà
phê… Do đó lượng phế thải sẽ tập
trung quy mô lớn và nhu cầu cần xử
lý sao cho có hướng tốt nhất để phát
triển tiềm năng sinh khối từ đó
mang lại. Lượng phụ phẩm sinh ra ở
một số vùng do tác giả tính toán ở
bảng 2.2. Khoảng 10% phụ phẩm
này được sử dụng làm chất đốt tại chỗ như ở lò gạch, lò nấu nướng hộ gia đình nông thôn, 5%

là nhiên liệu công nghiệp (trấu, bã mía) để sản xuất nhiệt cục bộ trong lò hơi, hệ thống sấy,3%
làm thức ăn gia súc, làm hương liệu, phân bón cho đất… Hơn 80% còn lại là thải ra môi
trường, đổ xuống kênh, sông, hoặc đốt trụi hoàn toàn. Tại ĐBằng SCL việc đốt trấu để lấy
nguyên liệu sản xuất điện được một số tỉnh thành như Cần Thơ, An Giang tính đến vì sản xuất
1KW điện cần 2kg trấu, hoặc sử dụng thay dầu FO tiết kiệm chi phí 3 lần, trong khi đó giá
nhiên liệu trấu, mùn cưa cực rẻ khoảng 100-300 đ/kg so với than đá là 2.400 đ/kg. Công suất
phát nhiệt tương đương của một số nhiên liệu biomass so với than, các giá trị chỉ rõ để sinh ra
1kWh nhiệt thì cần bao nhiêu kg nhiên liệu được tính toán ở bảng 3.2.
Bảng 3.2 Công suất nhiệt phát ra tương đương
Nhiên liệu
Trấu
Bã
mía
Vỏ hạt
điều
Mùn cưa
Rơm
Than
cám
Phát nhiệt tương đương b,
kg/kWh
3,78
2,08
4,25
4,04
3,56
6,61
Hiện nay đơn vị Calofic Cần thơ đặt hàng thiết bị nén viên nhiên liệu từ trấu sản xuất
theo công nghệ Nhật Bản đang mở ra thị trường cho viên nhiên liệu.
2.2. Đặc điểm viên nhiên liệu:

Nếu tập trung lại trấu, mùn cưa là nguồn năng lượng mới có thể thay thế cho than
(bảng 4):
+ Lượng nhiệt sinh ra đủ lớn để sử dụng cho mục đích phát nhiệt điện liên tục.
+ Có thành phần cháy như năng lượng truyền thống.
+ Có thể xác định các thiết bị kỹ thuật để tận dụng nhiệt của nó.
Bảng 4.2. Thành phần phế phẩm và so sánh than
Thành phầnKL
Q
t
lv
(MJ/kg)
%C
%H
%O
%S
%N
%A
%W


(kg/m
3
)
Trấu
13,6
37,13
4,12
31,6
0,05
0,36

17,75
9
150
Mùn cưa
14,56
39,6
5,2
34,4
0
0,3
0,48
15
190
Than cám5
13,72
36,7
2,7
11,1
3,2
0,7
28,6
2,34
1000
Bảng 2.2. Lượng phụ phẩm ở Việt Nam
Phụ phẩm
Tổng cả nước
>11 triệu tấn
Trấu
Tổng
6,8 triệu tấn

ĐBsông Cửu Long
3,7 triệu tấn
ĐB Bắc Trung Bộ
0,76 triệu tấn
DH Nam Trung
Bộ
0,68 triệu tấn
Mùn cưa
Tổng
5,8 triệu tấn
Miền Trung
1,15 triệu tấn
Tây Nguyên
2,5 triệu tấn
Tây Bắc
0,055-0,06triệu tấn
Cà phê
Tây Nguyên
0,3 - 0,5 triệu tấn
Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008

102
Viên nhiên liệu được tạo từ phụ phẩm là viên hình trụ đưòng kính  6- 8mm, dài không
quá 38mm, độ ẩm cao hơn 2 lần, nhiệt trị thấp hơn 1,2 lần với các đặc điểm sau:
+Khối lượng riêng tăng 5-10 lần, giảm chi phí vận chuyển lưu trữ.
+Tăng chất lượng quá trình cháy do độ ẩm thấp.
+Giảm lượng CO
2
,SO
2

, giảm hiệu ứng nhà kính (xem bảng 5.2), lượng chất thải trung
bình 1,2g so với tiêu chuẩn Mĩ là 7,5g/h.
Bảng 5.2:Lượng CO
2
tiết kiệm
+Sản xuất nhiệt hơn do nhiệt lượng trong viên nhiên liệu cao
88130 kCal/h so với than 17600- 22700 kCal/h.
+Sử dụng chất đốt rất thuận lợi, chất lượng đồng nhất, có thể
đốt ở nhiều loại lò khác nhau từ đốt lấy nhiệt ở lò
hộ gia đình đến lò hơi công suất vừa và nhỏ,giá thành nhiên liệu
giảm.
2.3. Đặc điểm công nghệ tạo viên:
Áp suất quá trình nén từ 30- 150 Mpa, áp suất cao sẽ giải
phóng lượng Lignin(chiếm khoảng 15% khối lượng vật liệu) liên kết các thành phần tế bào.
Nếu không đạt được áp suất 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,
quá trình tạo viên mà áp suất khác nhau.
Hình1. Quan hệ giữa áp suất và mật độ viên
-Áp suất thấp từ 1-5 Mpa
-Áp suất trung bình từ 5-100 Mpa
-Áp suất cao trên 100 Mpa
-Áp suất cao nhất của quá trình nén 450 Mpa
Mật độ viên nhiên liệu bị ảnh hưởng
bởi kích thước đầu vào, nguyên vật liệu càng
mịn, mật độ càng dày từ 700- 1200 kg/m
3
.

Đường kính của nguyên vật liệu <1mm thì quá
trình tạo viên tiết kiệm năng lượng đến 3 lần.
Độ ẩm cũng ảnh hưởng đến 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 nhiên
liệu.
2.4. Dây chuyền sản xuất viên nhiên liệu từ Biomass:
Phương pháp sản xuất viên nhiên liệu đã được tiêu chuẩn hoá và xây dựng thành hệ
thống hoàn chỉnh (hình2.2) và các quá trình và thiết bị chính để tạo viên trong bảng 6.2.
Bảng 6.2.Các quá trình và đặc điểm
Quá trình chính
Mục đích
Sản phẩm
Thiết bị
Ghi chú
Sấy

giảm ẩm,
tăng nhiệt
độ vật liệu
Vật liệu có độ ẩm
<15%, nhiệt độ
>70
0
C
Lò hơi, tbị sấy
thùng quay, xiclon,
quạt, đường ống gió
Lò hơi đốt
bằng nhiên liệu
biomass

Nghiền
giảm kích
thước vật
liệu

vật liệu đường kính
<1mm,d*r <3*3mm
Thùng nghiền,quạt,
đường ống gió,
xiclon lọc bụi
giảm năng
lượng cho quá
trình nén 3 lần
Nhiên liệu
Tiết
kiệm
CO
2
Điện
3323 lbs
Dầu
943 lbs
Khí Gas
549 lbs
Viên NL
8872 lbs
densit
y

Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008

103
Nén
Tạo viên
nhiên liệu
Viên nhiên liệu có
đường kính từ 6-8
mm,chiềudài<38mm
Máy tạo viên, tbị
gầu tải, thùng chứa
liệu,cấp dầu tự
động
quyết định chất
lượng viên
nhiên liệu
Làm mát
Giảmẩm,sản
phẩm cuối
cùng có chất
lượng tốt
Viên nhiên liệu có
độ ẩm từ 10- 12 %
thiết bị tháp làm
mát, xiclon khử bụi,
máy sàng lọc
sản phẩm có
hình thứcđẹp,
thời gian lưu

trữ dài
**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 trong bảng 7.2:
Bảng 7.2.PP nén viên nhiên liệu:

Áp suất QT
Mô tả quá trình
Nén bằng pittông
cơ khí
110 – 140 MPa

Nén bằng pittông
thuỷ lực
>30MPa
Nén bằng trục vít
60 – 100 MPa

Nén bằng rulô
206 – 448 MPa


Hình2.Sơ đồ hệ thống sản xuất viên nhiên liệu


Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008

104
2.5. Chế tạo thử nghiệm:
Hệ thống cấu tạo như hình 3.2, vật liệu liên tục được đưa qua phễu vào xylanh, pittơng

chuyển động lên xuống nhờ cơ cấu đòn bẩy nén vật liệu liên tục trong xylanh, dưới sức ép của
pittơng, lớp vật liệu nén thành viên và ra ngồi.
Các lực chính trong q trình tạo viên:
+Lực pittơng(P2) : lực này do đòn bẩy tác động lên pittơng nén vật liệu thành viên và
đẩy vật liệu ra ngồi.
+Lực ma sát của xylanh: lực này ngăn dòng vật liệu ra ngồi làm nó kết dính lại thành
viên.
Hình 3. Thiết bị nén tạo viên nhiên liệu
L1=10cm
L2=73cm
H1=3cm
H2=8cm
D1=8mm
D2=16mm






Trong q trình thực nghiệm, ta xác định được cùng lượng mùn cưa, khi lực tác dụng
càng lớn thì mật độ viên càng tăng. Hình 4 biểu diễn mật độ và độ vụn của viên phụ thuộc vào
lực nén tác dụng vào pittơng khi cùng một lượng mùn cưa cho một lần nén tạo viên là 2g, độ
ẩm thích hợp cho q trình nén là 15%.
Độ vụn của viên phụ thuộc
vào lực nén
0
5
10
15

20
25
30
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Lực nén P (N)
Độ vụn (%)

Mật độ viên phụ thuộc vào lực nén
0
200
400
600
800
1000
1200
1000 2000 3000 4000 5000 6000
Lực nén P(N)
Mật độ viên(kg/m3)

Hình4. Độ vụn và mật độ viên phụ thuộc vào lực nén
Sau q trình nén tạo viên nhiên liệu, sản phẩm tạo ra có hình dáng, kích thước như
hình 5.2. Sản phẩm bền, khi thả từ độ cao 21cm khơng vỡ, khi đốt sản phẩm bắt lửa nhanh,
cháy hồn tồn, khi đốt từ 10 viên trở lên sẽ tạo ngọn lửa vàng cháy rất mạnh và cao, thời gian
cháy khoảng 5 phút.

1. HT đòn bẩy
2. Cánh dẫn hướng
3. Pittông
4. Xylanh
5. Lỗ tạo viên
Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008

105


Hình 5.2Viên nhiên liệu từ mùn cưa và quá trình cháy

3. Kết luận:
Với tốc độ tăng trưởng kinh tế hơn 8,5% năm 2007, thị trường cung cầu năng lượng ở
Việt Nam đang ngày càng sôi động, viên nhiên liệu từ biomass với những đặc điểm hiệu quả
cháy cao hơn, sản xuất nhiệt nhiều hơn, là nhiên liệu cháy sạch, không gây bụi bẩn, không
gian lưu trữ nhỏ, dễ sử dụng, có thể đốt ở nhiều loại lò với công suất khác nhau, và do tận
dụng nguồn phế thải từ Nông Nghiệp nên giá thành nhiên liệu rẻ, tiết kiệm chi phí nhiên liệu
…có khả năng thay thế cho các nguồn năng lượng hoá thạch trong các quá trình sản xuất. Tuy
nhiên, ở Việt Nam vẫn chưa có sự đầu tư và phát triển công nghệ sản xuất viên nhiên liệu từ
biomass dạng công nghiệp. Kết quả nghiên cứu này là cơ sở để xây dựng dây chuyền sản xuất
viên nhiên liệu ứng dụng thực tế, chế tạo máy tạo viên và nắm bắt công nghệ sản xuất mang
lại nhiều lợi ích kinh tế và góp phần lớn bảo vệ môi trường.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trang web về pellet-process của FAO
[2] Trang web về pelltizing của Đức http:// www.agico.com.cn
[3] Nguyễn Thanh Quang_ “Phát điện phụ phẩm Nông Nghiệp”_Tạp chí Khoa nhiệt