nghiên cứu thiết kế chế tạo và khảo nghiệm thiết bị nâng cao nhiệt trị cho vỏ trấu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM







MAI THANH HUYỀN








NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ KHẢO
NGHIỆM THIẾT BỊ NÂNG CAO NHIỆT TRỊ
CHO VỎ TRẤU

LUẬN VĂN THẠC SĨ










HÀ N
ỘI, NĂM 2015

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page ii


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM






MAI THANH HUYỀN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ KHẢO
NGHIỆM THIẾT BỊ NÂNG CAO NHIỆT TRỊ
CHO VỎ TRẤU



CHUYÊN NGÀNH: CƠ KHÍ
MÃ SỐ: 60.52.01.03




NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC




TS. NGUYỄN ĐÌNH TÙNG

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn tốt nghiệp này là kết quả lao động của tôi
dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Đình Tùng, không sao chép từ bất cứ tài
liệu nào. Các số liệu được sử dụng trong luân văn để thực hiện cho việc nhận
xét, đề xuất là số liệu khảo sát thực tế của tôi. Ngoài ra tôi cũng có sử dụng một
số nhận xét, nhận định của các tác giả từ các nguồn khác nhau và được ghi trong
phần tài liệu tham khảo.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm
trước Hội đồng cũng như kết quả luận văn của mình.

Hà Nội, ngày tháng năm 2015
Người cam đoan



Mai Thanh Huyền
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page ii

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đề tài nghiên cứu này, tôi xin chân thành cám ơn:
• Các quý Thầy, Cô của Bộ Môn Cơ học kỹ thuật, Khoa cơ điện – Học
Viện nông nghiệp Việt Nam nơi tôi thực hiện đề tài tốt nghiệp này, qua

quá trình triển khai thực hiện đề tài đã đã giúp đỡ, chỉ dẫn, sửa chữa và tạo
điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này.
• Tôi xin gửi lời cám ơn đến TS. Nguyễn Đình Tùng người đã hướng dẫn,
giúp đỡ tôi để hoàn thành nội dung nghiên cứu này.
• Tôi xin cảm ơn tới các đồng nghiệp và cơ quan nơi tôi đang công tác
“Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông nghiệp-RIAM, Bộ Công
Thương” đã giúp đỡ tôi về cơ sở vật chất phục vụ cho nghiên cứu và hỗ
trợ tôi trong quá trình triển khai thực hiện nghiên cứu này.
• Cuối cùng tôi cũng xin chân thành cảm ơn đến gia đình đã tạo mọi điều
kiện tốt để giúp tôi hoàn hành luận văn trong thời gian đã định.

Hà Nội, ngày tháng năm 2015
Tác giả



Mai Thanh Huyền

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page iii

MỤC LỤC
Lời cam đoan ii
Lời cảm ơn iii
Mục lục iv
Danh mục chữ viết tắt vi
Danh mục bảng ix
Danh mục đồ thị, hình x
MỞ ĐẦU i
Chương 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 4

1.1.Tổng quan về tiềm năng sinh khối/phụ phế phẩm nông nghiệp 4
1.1.1. Tiềm năng sinh khối từ phụ phế phẩm nông nghiệp trên thế giới 4
1.1.2. Tiềm năng sinh khối từ phụ phế phẩm nông nghiệp ở Việt Nam 4
1.2. Tổng quan về thiết bị nâng cao nhiệt trị vỏ trấu 11
1.2.1.Công nghệ chuyển đổi/xử lý sinh khối nhằm nâng cao nhiệt trị trên thế giới
11
1.2.2. Công nghệ/thiết bị nâng cao nhiệt trị ở Việt Nam 20
Chương 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24
2.1. Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu 24
2.1.1.Quy trình công nghệ xử lý nhiệt cho vỏ trấu 24
2.1.2.Thiết bị nâng cao nhiệt trị cho vỏ trấu 26
2.1.3. Nguồn nhiệt cung cấp cho thiết bị xử lý 27
2.2. Nội dung nghiên cứu 31
2.3. Phương pháp nghiên cứu 31
2.3.1.Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: 31
2.3.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: 32
2.3.2.1. Phương pháp đo đạc xác định các thông số nghiên cứu 32
2.3.2.2 Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm 34
2.3.2.3 Phương pháp gia công số liệu thực nghiệm 34
2.3.4. Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết thực nghiệm: 36
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page iv

3.1. Kết quả tính toán thiết kế thiết bị xử lý nhiệt 37
3.1.1. Tính chọn vật liệu chế tạo thiết bị 37
3.1.2. Xác định các thông số kích thước của thiết bị 37
3.1.3 Kiểm tra kết quả tính chọn kích thước thiết bị 40
3.1.4 Tính công suất bộ phận dẫn động 45
3.1.5 Kết quả thiết kế 46

3.2. Kết quả chế tạo thiết bị 47
3.3. Kết quả cân bằng và tính toán thông số nhiệt trị phụ thuộc vào độ ẩm từ mô
hình trên máy tính 49
3.3.1. Kết quả mô hình cân bằng năng lượng và khối lượng 49
3.2.2. Kết quả tính toán xác định nhiệt trị thấp của vỏ trấu phụ thuộc hàm ẩm trên
mô hình máy tính 49
3.4. Kết quả khảo nghiệm 52
3.4.1. Mục đích khảo nghiệm 52
3.4.2. Nội dung khảo nghiệm 52
3.4.3. Điều kiện và vật liệu khảo nghiệm 53
3.4.4. Dụng cụ đo khảo nghiệm 54
3.4.5. Kết quả khảo nghiệm và bàn luận 55
3.4.5.1. Công suất tiêu thụ 55
3.4.5.2. Kết quả và các thông số chất lượng của sản phẩm 56
3.4.5.3. Đánh giá trên cơ sở số liệu tính toán và thí nghiệm 62
3.4.6. Kết quả quy hoạch hóa thực nghiệm 64
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73
Kết luận 73
Kiến nghị: 74
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu Ý nghĩa
NL Năng lượng
SK Sinh khối

ĐBSH Đồng Bằng Sông Hồng
ĐBSCL Đồng Bằng Sông Cửu Long
CO
2
Khí cacbonic
(C) Cacbon
(H) Hidro
(O) Oxy
(N) Nitơ
(S) Lưu huỳnh
(a) Tro
(w) Nước
ρ
Khối lượng riêng
λ
Hệ số dẫn nhiệt
σ
u

Ứng suất uốn tiêu chuẩn
σ
k

Giới hạn bền kéo
σ
ch

Giới hạn bền chảy
t
c

Giới hạn bền cắt
w
1
Độ ẩm đầu vào của vỏ trấu
W
2
Độ ẩm đầu vào của vỏ trấu
V
ts
Thể tích của thiết bị
G
1
Khối lượng vật liệu xử lý nhiệt vào thiết bị xử lý nhiệt
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page vi

t Thời gian xử lý nhiệt
ρ
v

Khối lượng riêng của trấu
M Hệ số phụ thuộc vào kích thước của vật liệu xử lý nhiệt
β
Hệ số điền đầy: theo kinh nghiệm
L Chiều dài của thiết bị xử lý nhiệt
D Đường kính của thiết bị xử lý nhiệt
m Hệ số lưu ý đến dạng cánh trong thùng
k
1
Hệ số lưu ý đến đặc tính chuyển động của vật liệu

α
Góc nghiêng của thiết bị xử lý nhiệt
n Tốc độ quay của thiết bị
t
1
Thời gian vật liệu lưu trú trong thùng
S Chiều dày của thiết bị
Q
t
Trọng lượng thân thiết bị
Q
vl
Trọng lượng của vật liệu
Q
c
Trọng lượng cánh
D
vltr
Đường kính trong vành lăn
D
vln
Đường kính ngoài vành lăn
B Bề rộng vành lăn
Q
vl
Trọng lượng vành lăn
Q Trọng lượng của thiết bị
η
Hệ số hiệu chỉnh
M

u
Mô men uốn tại mặt cắt nguy hiểm
W Mô men chống uốn của thiết bị
T Phản lực tại con lăn
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page vii

S
đ
Lực đẩy con lăn trượt theo phương ngang
S
e
Lực ép gối đỡ con lăn lên bệ
P
r
Tải trọng riêng tính cho một đơn vị chiều dài
N Công suất cần thiết để quay thiết bị
N
đc
Công suất làm việc của động cơ
Hu Nhiệt trị thấp của vỏ trấu
BW Nhiệt trị cao của vỏ trấu
P Công suất định mức của động cơ
U Điện áp định mức
I Dòng điện định mức của động cơ
Cosϕ
Hệ số công suất của động cơ

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page viii

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page ix

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1. Sản lượng một số loại cây trồng qua các năm (nghìn tấn)
Hình 1.2. Các nguồn sinh khối chủ yếu ở Việt Nam
Hình 1.3. Các hình ảnh về phụ phẩm nông nghiệp sử dụng một phần nhỏ để đun
nấu, còn phần lớn chưa sử dụng gây ô nhiễm môi trường ở Việt Nam
Hình 1.4. Tỷ lệ và cấu trúc cắt ngang của vỏ trấu
Hình 1.5 – Lượng vỏ trấu khổng lồ thải ra từ các cơ sở xay xát
Hình 1.6. Trấu đã chuyển thành nhiên liệu dạng thanh và dạng viên
Hình 1.7. Phương pháp công nghệ chuyển đổi năng lượng từ nguồn năng lượng
tái tạo
Bảng 1.3. Tiềm năng sinh khối & các phụ phẩm nông nghiệp ở một số vùng/châu
lục trên thế giới
Hình 1.8. Sơ đồ tỷ lệ phần trăm độ ẩm của một số loại sinh khối
Hình 1.9. Các nhu cầu sinh khối khác nhau tương thích bởi các công nghệ sử
dụng sinh khối khác nhau như (1- nhiệt; 2- đồng phát nhiệt-điện; 3- phát điện
bằng turbin hơi; 4- phát điện bằng turbin khí ) sử dụng các nguồn nhiên liệu sinh
khối khác nhau (khí, lỏng, rắn)
Hình 1.10. So sánh giá năng lượng từ 3 nguồn nhiên liệu: viên nhiên liệu sinh
khối, dầu mỏ, khí gas
Hình 1.11. So sánh giá viên nhiên liệu sinh khối (viên gỗ) biến động theo tháng
trong năm và giữa các năm
Hình 1.12. T ỷ lệ và sản lượng viên nhiên liệu sinh khối (viên gỗ) tăng lên nhanh
chóng trong giai đoạn từ 1996 đến 2009
Hình 1.13. Mô hình tóm lược cân bằng năng lượng khi dùng công nghệ xử lý
nhiệt nguyên liệu thô

Hình 2.1. Sơ đồ quy trình công nghệ xử lý nhiệt cho vỏ trấu
Hình 2.2. Ví dụ về liên kết hóa học của cấu trúc Cellulose
Hình 2.3. Sự bẻ vỡ cấu trúc liên kết cứng của sinh khối (biomass)
Hình 2.4. Ví dụ về cấu trúc của sinh khối được ví như „bức tường“
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page x

Hình 2.5. Thiết bị nâng cao nhiệt trị cho vỏ trấu
Hình 2.6. Nguyên lý khí hóa cùng chiều
Hình 2.7. Đồng hồ bấm giờ
Hình 2.6. Cân ẩm Startorius MA45
Hình 3.1. Vị trí và kích thước cánh nâng
Hình 3.2. Sơ đồ bố vị trí bố trí cánh nâng
Hình 3.3. Sơ đồ và vị trí bố trí con lăn đỡ
Hình 3.4. Sơ đồ phân bố trọng tải trên thiết bị xử lý nhiệt
Hình 3.5. Biểu đồ mô men uốn của thân thiết bị xử lý nhiệt được tính toán trên
phần mềm SAP 2000V12
Hình 3.6. Bảng giá trị tính toán độ bền của thân thiết bị bằng phần mềm tính toán
SAP 2000V12
Hình 3.7. Biểu đồ phân bố các thành phần ứng suất trên thân thiết bị được tính
toán trên máy tính nhờ phần mềm SAP 2000V12
Hình 3.8. Sơ đồ xác định phương, chiều và giá trị của lực tác dụng lên con lăn đỡ
Hình 3.9. Kết quả mô phỏng thiết bị trên cơ sở số liệu tính toán
Hình 3.10. Kết cấu của thiết bị được xây dựng thông qua bản vẽ tổng thể
Hình 3.11.Hình ảnh về gia công chế tạo thân trống và xác định vị trí hàn cánh
nâng-chuyển liệu
Hình 3.12. Hình ảnh về sơn lớp bảo vệ
Hình 3.13. Hình ảnh về sơn hoàn thiện thiết bị
Hình 3.14. Hình ảnh về khi khảo nghiệm nguội chạy không tải thiết bị
Hình 3.15. Mô hình cân bằng khối lượng, năng lượng khi xử lý nhiệt

Hình 3.16. Phương trình và kết quả tính toán cho nguyên liệu vỏ trấu với độ ẩm
W
3
= 10%
Hình 3.17. Phương trình và kết quả tính toán cho nguyên liệu vỏ trấu với độ ẩm
W
3
= 12%
Hình 3.18. Phương trình và kết quả tính toán cho nguyên liệu vỏ trấu với độ ẩm
W
3
= 14%
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page xi

Hình 3.19.Biểu đồ mối quan hệ giữa nhiệt trị phụ thuộc vào độ ẩm
BW & Hu = f(w) cho nguyên liệu vỏ trấu
Hình 3.20. Hình ảnh về khảo nghiệm đánh giá thiết bị xử lý nhiệt
Hình 3.21. Hình ảnh về vật liệu thí nghiệm
Hình 3.22. Các thiết bị đo được sử dụng trong thí nghiệm
Hình 3.23. Hình ảnh màu sắc các mẫu thí nghiệm vỏ trấu để đánh giá theo cảm
quan
Hình 3.24. So sánh giá trị nhiệt trị của vỏ trấu khi nghiên cứu lý thuyết và thực
nghiệm
Hình 3.25 Thời gian tăng nhiệt trị thấp cho vỏ trấu phụ thuộc vào độ ẩm đầu vào
W
1
và nhiệt trị đầu vào Hu
1
khi độ ẩm đầu ra W

2
= 1,2%
Hình 3.26 Số vòng quay của trống xử lý nhiệt phụ thuộc vào độ ẩm đầu ra W
2
và
nhiệt trị đầu vào Hu
1
khi độ ẩm đầu vào W
1
= 12%
Hình 3.27: Nhiệt trị thấp của trấu sau quá trình xử lý nhiệt (H
u2
) phụ thuộc vào
cặp thông số như độ ẩm đầu vào W
1
và nhiệt trị thấp của vỏ trấu trước khi đưa
vào trống xử lý nhiệt Hu
1
khi độ ẩm đầu ra W
2
= 1,2%

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 1

MỞ ĐẦU

Hiện nay, biến đổi khí hậu và những hệ lụy của biến đổi khí hậu đã trở
thành một thách thức nghiêm trọng. Những hệ lụy đó đã, đang và sẽ làm đảo lộn
cuộc sống của nhân loại, làm tiêu tan bao nhiêu công phu mà con người đã bỏ ra

để xây dựng một thế giới giàu đẹp trên các mặt vật chất và tinh thần. Nhờ các
tiến bộ khoa học và kỹ thuật mà con người có thể đánh giá được tầm quan trọng
trong không gian và thời gian của hiện tượng biến đổi khí hậu cũng như đoán
trước được các tác hại của nó trong tương lai. Nguyên nhân chính của hiện tượng
biến đổi khí hậu là việc sử dụng các nhiên liệu hóa thạch để tạo ra năng lượng.
Chính vì thế, trong những năm gần đây, môi trường và năng lượng là hai vấn đề
quan tâm hàng đầu không chỉ của bất kỳ một quốc gia hay vùng lãnh thổ nào, mà
đã và đang là chủ đề nóng của toàn cầu.
Hiện nay con người đang “lạm dụng” các nguồn năng lượng hóa thạch.
Đây lại chính là nguồn năng lượng không tái tạo, nếu không được quản lý và sử
dụng một cách hợp lý thì chẳng mấy chốc các nguồn năng lượng này sẽ cạn kiệt.
Mặt khác sử dụng năng lượng hóa thạch còn gây ra ô nhiễm môi trường do quá
trình khai thác và khí thải khi đốt; đặc biệt là nồng độ khí CO
2
cao gây ra hiệu
ứng nhà kính và làm biến đổi khí hậu trái đất. Các nỗ lực hiện nay đều nhắm vào
việc giảm hay ngừng tiêu thụ các nhiên liệu hóa thạch. Đây là hướng đi chính
trong những năm sắp tới của ngành năng lượng trên thế giới. Chính vì vậy, xu
hướng hiện nay của các nước trên thế giới là hướng tới các nguồn năng lượng
sạch và bền vững, vừa làm giảm ô nhiễm môi trường vừa có khả năng tái tạo, và
năng lượng từ nguồn sinh khối (biomass) hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu
trên.
Có nhiều thống kê khác nhau về tiềm năng của năng lượng sinh khối từ
phụ phế phẩm nông nghiệp. Ví dụ như Smil (1999) ước lượng rằng cho đến giữa
thập kỷ 90 của thế kỷ XX, tổng lượng phụ phế nông nghiệp là khoảng 3,5 – 4 tỷ
tấn mỗi năm, tương đương với một 65 EJ năng lượng (1,5 tỷ toe). Hal và cộng sự
(1993) tính toán rằng chỉ với lượng thu hoạch nông nghiệp cơ bản của thế giới (ví
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 2

dụ như lúa mạch, lúa mì, gạo, bắp, mía đường ) và tỷ lệ thu hồi là 25% thì năng
lượng tạo ra được là 38 EJ và giúp giảm được 350 – 460 triệu tấn khí thải CO
2

mỗi năm. Hiện trạng thực tế là một tỷ lệ khá lớn các phụ phế nông nghiệp này
vẫn còn bị bỏ phí hoặc sử dụng không đúng cách, gây các ảnh hưởng tiêu cực
đến môi trường, sinh thái và lương thực. Theo ước tính của WEC, tổng công suất
toàn cầu từ nhiên liệu bã thải nông nghiệp khoảng 4.500 MWh.
Như vậy năng lượng sinh khối được quan tâm và sử dụng nhiều hơn vì các
lý do sau đây:
•
Thứ nhất, đây là một nguồn năng lượng tái tạo, nếu chúng ta có thể bảo
đảm được tốc độ trồng cây thay thế.
•
Thứ hai, sinh khối được phân bố đồng đều trên bề mặt Trái Đất hơn các
nguồn năng lượng khác như nhiên liệu hóa thạch , và có thể được khai
thác mà không cần đòi hỏi đến các kỹ thuật hiện đại, phức tạp và tốn kém.
•
Thứ ba, sinh khối tạo ra cơ hội cho các địa phương, các khu vực và các
quốc gia trên toàn thế giới tự bảo đảm cho mình nguồn cung cấp năng
lượng một cách độc lập.
•
Thứ tư, sinh khối là một giải pháp thay thế cho năng lượng hóa thạch,
giúp cải thiện tình hình thay đổi khí hậu đang đe dọa Trái Đất.
•
Cuối cùng sinh khối có thể giúp nông dân địa phương trong lúc gặp khó
khăn về vụ mùa thu hoạch và tạo việc làm tại các vùng nông thôn.
Riêng Việt Nam, với đặc thù là một nước nông nghiệp, có tiềm năng về
năng lượng sinh khối rất lớn, đặc biệt là năng lượng từ phụ phế liệu nông nghiệp
trong đó vỏ trấu là một đối tượng cần được quan tâm. Bình quân hàng năm Việt

Nam sản xuất ra xấp xỉ 45 triệu tấn lúa (theo tổng kết của ngành lúa gạo Việt
Nam năm 2014) và thải ra khoảng 9,0 triệu tấn trấu tương đương năng lượng của
3,4 triệu tấn than cám. Tuy nhiên loại năng lượng này lại có một số nhược điểm:
nhiệt trị thấp (nhiệt trị của trấu bằng khoảng 70% so với than cám), tỷ trọng thấp,
vận chuyển khó khăn, chi phí vận chuyển lớn, khó bảo quản đặc biệt là ô nhiễm
không khí khi đốt trực tiếp….
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 3

Chính vì những lý do trên đòi hỏi cần phải có những nghiên cứu và biện
pháp làm tăng ưu điểm, hạn chế nhược điểm của nguồn năng lượng từ vỏ trấu để
việc sử dụng nguồn năng lượng này có hiệu quả nhất.
Với sự tiến bộ của khoa học ngày nay trấu đã được chuyển thành nhiên
liệu dạng thanh hoặc dạng viên pellet theo phương pháp ép trực tiếp để sử dụng
thay thế cho than đá nhưng khi ép trực tiếp thành dạng viên hay thanh nhiên liệu
có một số nhược điểm: chi phí năng lượng cho khâu/công đoạn nghiền rất lớn
(khi ép viên pellet bắt buộc phải nghiền nhỏ), thiết bị nhanh hao mòn,
Vấn đề đặt ra muốn chuyển hóa vỏ trấu dư thừa thành nhiên liệu (dạng
viên, thanh) mà tăng được nhiệt trị lên (20-30)% đồng thời giảm chi phí điện
năng cho khâu máy ép, và/hoặc cho quá trình làm nhỏ (khi ép viên pellet). Từ
phân tích trên cho thấy sự cần thiết phải nghiên cứu thiết bị nâng cao nhiệt trị
cho vỏ trấu.
Được sự cho phép của Học Viện Nông nghiệp Việt Nam, dưới sự hướng
dẫn của TS. Nguyễn Đình Tùng, chúng tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu thiết kế
chế tạo và khảo nghiệm thiết bị nâng cao nhiệt trị cho vỏ trấu”.
Đề tài gồm các nội dung sau:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan nghiên cứu
Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu
Chương 3: Kết quả và thảo luận

Kết luận và kiến nghị

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 4

Chương 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

Trong nội dung chương này chúng tôi trình bày về các vấn đề sau:
• Tổng quan về tiềm năng sinh khối (vỏ trấu)
• Tổng quan về công nghệ/thiết bị xử lý nhiệt sinh khối

1.1.Tổng quan về tiềm năng sinh khối/phụ phế phẩm nông nghiệp
1.1.1. Tiềm năng sinh khối từ phụ phế phẩm nông nghiệp trên thế giới
Nguồn sinh khối (SK) bao gồm các phụ phẩm từ nông nghiệp, các phế
liệu từ công nghiệp chế biến gỗ, rác thải đô thị,…
Phụ phế phẩm nông nghiệp là chất thải phát sinh trong quá trình hoạt động
nông nghiệp. Theo ước tính của Tổ chức Nông nghiệp và lương thực Liên hợp
quốc (FAO), mỗi năm có khoảng 3 tỷ tấn phế phẩm nông nghiệp phát sinh trên
phạm vi toàn thế giới, trong đó các phế thải từ cây lúa chiếm một sản lượng lớn
nhất tới 863 triệu tấn, phế thải từ cây lúa mì và ngô tương ứng là 754 và 591 triệu
tấn. Với lượng sinh khối từ phụ phế phẩm nông nghiệp lớn các nước đã và đang
tìm kiếm các phương pháp tận dụng và xử lý nguồn phụ phế phẩm này theo cách
an toàn, thân thiện với môi trường. Nguồn nguyên liệu này được dùng vào nhiều
mục đích khác nhau như dùng để sản xuất điện, sử dụng trực tiếp làm chất đốt, sử
dụng để trồng nấm, sử dụng làm phân hữu cơ, sản xuất dầu sinh học, sử dụng
trong thủ công mỹ nghệ
Trong những năm gần đây, công nghệ sinh khối (SK) đã, đang và sẽ phát
triển ngày một nhanh, mạnh trên thế giới. Công nghệ này góp phần thay thế dần
các nguồn nguyên liệu hóa thạch, vì nguồn nguyên liệu hóa thạch đang dần ngày
càng cạn kiệt. Hơn nữa các nguồn này còn gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm

trọng [2-5]
1.1.2. Tiềm năng sinh khối từ phụ phế phẩm nông nghiệp ở Việt Nam
Đối với Việt Nam nông nghiệp luôn đóng vai trò quan trọng trong sự phát
triển của xã hội. Nhất là trong giai đoạn hiện nay an ninh lương thực đang là vấn
đề “nóng” của thế giới, cho dù Việt Nam đã có sự chuyển dịch về cơ cấu kinh tế,
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 5

nhưng ngành nông nghiệp vẫn đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an
ninh lương thực quốc gia và xuất khẩu nông sản ra nước ngoài.

Hình 1.1. Sản lượng một số loại cây trồng qua các năm (nghìn tấn)
Việt Nam là nước thuộc khu vực Đông Nam Á, có tổng diện tích khoảng
331.690 km
2
, trong đó khoảng gần 35% là rừng tự nhiên, 28,5% là đất canh tác,
tập trung ở hai vùng chính: sông Hồng nằm ở phía Bắc Việt Nam và sông Mê
Kông nằm ở phía nam của Việt Nam. Với điều kiện tự nhiên thuận lợi như nóng
ẩm, mưa nhiều, đất đai phì nhiêu… nên sinh khối phát triển rất nhanh. Do vậy,
nguồn phụ phẩm từ nông, lâm nghiệp phong phú, liên tục gia tăng. Như phần lớn
các nước Đông Nam Á, ở Việt Nam năng lượng sinh khối có vai trò rất lớn trong
việc bình ổn năng lượng quốc gia. Sinh khối cung cấp 60-65% cho nhu cầu tiêu
thụ năng lượng sơ cấp [1, 2]. Phần lớn năng lượng sinh khối cần cho việc sử
dụng trong sinh hoạt gia đình ở các vùng nông thôn, miền núi, nơi có hơn 75%
dân số sinh sống. Nguồn sinh khối bao gồm các phụ phẩm từ cây trồng, các phụ
phẩm từ gỗ, các phế liệu từ công nghiệp chế biến gỗ, rác thải đô thị,… Hàng năm
nước ta có khoảng khoảng nửa triệu tấn vỏ cà phê, hơn năm triệu tấn bã mía, gần
sáu triệu tấn cùi ngô đặc biệt có gần bảy triệu tấn vỏ trấu, ….(hình 1.2). Điều đó
cho thấy nguồn phụ phế phẩm từ vỏ trấu tương đối lớn.
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page 6


Hình 1.2. Các nguồn sinh khối chủ yếu ở Việt Nam [1,2]
Những năm gần đây, có nhiều tiến bộ khoa học kỹ thuật ứng dụng vào
việc tận dụng các phụ, phế phẩm trong quá trình sản xuất nông sản, thực phẩm,
để sản xuất phân hữu cơ vi sinh, vật liệu xây dựng, thức ăn chăn nuôi, khí đốt, và
đặc biết là năng lượng tái tạo.
Điều đáng lưu ý, khác với các công nghệ năng lượng tái tạo khác, công
nghệ năng lượng sinh khối (NLSK) không những chỉ thay thế năng lượng hóa
thạch mà còn góp phần đáng kể trong việc xử lý chất thải, đây là nguồn nguyên
liệu còn có thể tận dụng được để sản xuất ra năng lượng (nhiệt, điện). Hơn thế
nữa, lợi thế của SK còn có thể chủ động trong việc dự trữ và sử dụng khi cần và
còn có tính chất ổn định. Với tiềm năng SK như vậy, nếu được sử dụng để tạo ra
năng lượng nhiệt/điện thì sẽ góp phần làm ổn định hơn tình hình cung cấp điện,
nhiệt thiếu hụt ngày càng lớn như hiện nay. Các tác giả [2-5] cho thấy, hiện nay
trên quy mô toàn cầu, thì NLSK là nguồn lớn thứ tư, chiếm khoảng 15% tổng
năng lượng tiêu thụ của thế giới. Nhất là ở các nước đang phát triển (trong đó có
Việt Nam), SK thường là nguồn NL rất lớn, trung bình đóng góp khoảng 38%
trong tổng cung cấp NL [2,5].
Tuy nhiên, trên thực tế hiện nay ở Việt Nam, phụ phẩm từ nguồn sinh
khối nói chung, từ sản xuất nông nghiệp, chế biến nông sản nói riêng mới chỉ
được sử dụng một phần nhỏ ở các vùng nông thôn miền núi vào đun nấu sinh
hoạt hàng ngày (hình 1.3) còn phần lớn trong số đó bỏ thừa lãng phí mà chưa
được sử dụng, đó còn là tác nhân gây ra ô nhiễm môi trường nước, ví dụ: khi
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 7

người dân đổ trấu bừa bãi xuống các dòng sông (hình 1.3), ngoài gây ô nhiễm
còn gây cản trở giao thông trên các dòng sông.

Hình 1.3. Các hình ảnh về phụ phẩm nông nghiệp sử dụng một phần nhỏ để đun
nấu, còn phần lớn chưa sử dụng gây ô nhiễm môi trường ở Việt Nam [2,7]
Trong khi đó, mấy năm gần đây giá của các nhiên liệu từ nguồn hóa
thạch (dầu mỏ, khí hoá lỏng, than đá…) trên thị trường thế giới liên tục tăng và
liên tục biến động, lên xuống thất thường ảnh hưởng đến sinh hoạt của người
dân, và đặc biệt là ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động sản xuất kinh của các doanh
nghiệp trong cả nước.
Trong khi đó ở Việt Nam các nguồn nguyên liệu từ phụ phẩm nông
nghiệp tuy có rất nhiều nhưng chỉ một phần nhỏ được sử dụng vào việc đun nấu,
làm thức ăn cho gia súc, còn phần lớn trong số đó là thải bỏ, đổ ra môi trường
sông ngòi, ao hồ gây ô nhiễm (hình 1.3) như đã nêu trên.
Qua phân tích về tiềm năng phụ phế phẩm nông nghiệp ở Việt Nam như
trên cho thấy, phụ phẩm nông nghiệp từ cây lúa, trong đó vỏ trấu chiếm tủy lệ
tương đối lớn, nhất là ở hai khu vực sản xuất lúa lớn nhất ở Việt Nam là Đồng
bằng Sông Hồng và Đồng bằng Sông Cửu Long. Chính vì vậy vỏ trấu cần được
quan tâm đi sâu nghiên cứu nhằm tận thu để sử dụng với mục đích khác có hiệu
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 8

quả hơn. Tuy nhiên để có cơ sở lựa chọn được công nghệ và thiết bị phù hợp
đem lại hiệu quả cao trong việc xử lý vỏ trấu cần thiết phải đi sâu khảo sát kỹ
hơn cho đối tượng phụ phẩm nông nghiệp là vỏ trấu, cụ thể như sau đây:
• Tiềm năng của vỏ trấu.
Theo số liệu của Báo cáo thống kê năm 2014 của Bộ Nông nghiệp và phát
triển nông thôn Việt Nam thì diện tích trồng lúa của Việt Nam giảm so với năm
2013 nhưng sản lượng lúa của cả nước ta đạt xấp xỉ 45 triệu tấn, với sản lượng
lúa này thải ra khoảng 9 triệu tấn vỏ trấu. Trong đó Đồng Bằng Sông Cửu Long
(ĐBSCL) cung cấp khoảng 5 triệu tấn trấu/năm (bảng 1.1) [18].

Bảng 1.1: Diện tích trồng lúa, sản lượng lúa và vỏ trấu
cả nước từ 2005 đến 2014
Năm
Diện tích trồng lúa
(Nghìn ha)
Sản lượng lúa
(Nghìn tấn)
Sản lượng trấu
(Nghìn tấn)
2005 7.329,2 35.832,9 7.166,6
2006 7.324,8 35.849,5 7.169,9
2007 7.207,4 35.942,7 7.188,5
2008 7.400,2 38.729,8 7.745,9
2009 7.437,2 38.950,2 7.790.0
2010 7.489,4 40.005,6 7.980,0
2011 7.655,4 42.398,5 8.479,7
2012 7.761,2 43.737,8 8.748,7
2013 7.899,4 44.076,1 8.815,2
2014 7.805,7 44.843,7 8.968,7

• Cấu tạo và thành phần của vỏ trấu
Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xay
xát, chiếm khoảng 20% khối lượng của hạt thóc (hình 1.4).
Trong vỏ trấu chứa khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy trong quá
trình đốt và khoảng 25% còn lại chuyển thành tro. Chất hữu cơ chứa chủ yếu
cellulose, lignin và Hemi - cellulose (90%), ngoài ra có thêm thành phần khác
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 9

như hợp chất nitơ và vô cơ. Lignin chiếm khoảng 25-30% và cellulose chiếm

khoảng 35-40%. Vỏ trấu không có chất dinh dưỡng.


Hình 1.4. Tỷ lệ và cấu trúc cắt ngang của vỏ trấu [7]
Bảng 1.2. Thành phần hữu cơ của vỏ trấu
[7,9]

Thành phần
(%)
(C) (H) (O) (N) (S) (a) (w) H
u
(kj/kg)

Vỏ trấu
39,79 5,23 38,63 0,13 - 13,92 2,30 15,20
Khối lượng riêng 115-125 (kg/m
3
)
• Tình hình sử dụng trấu tại Việt Nam
Vỏ trấu có rất nhiều tại ĐBSCL và ĐBSH là hai vùng trồng lúa lớn nhất
cả nước. Vỏ trấu có rất nhiều ứng dụng trong đời sống và công nghiệp. Từ lâu bà
con nông dân đã biết sử dụng vỏ trấu làm nhiên liệu đốt như đun bếp, đốt lò
gạch, làm nhiên liệu phát điện, sử dụng vỏ trấu tạo thành củi trấu, dùng làm phân
bón ruộng nhưng cũng chỉ sử dụng được khoảng 10% lượng vỏ trấu. Vì thế
chúng thường không được sử dụng hết nên phải đem đốt hoặc đổ xuống sông
suối để tiêu hủy.
Tại ĐBSCL, các nhà máy xay xát đổ trấu xuống sông, rạch. Trấu trôi lềnh
bềnh khắp nơi, chìm xuống đáy gây ô nhiễm nguồn nước. Tại đây, trấu chỉ
có công dụng duy nhất là làm chất đốt nên mỗi khi vụ mùa đến bà con nông dân
phải đối mặt với việc xử lý trấu dư thừa, nhất là từ khi Nhà nước có chính sách

cấm các lò gạch thủ công hoạt động (hình 1.5)
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 10



Hình 1.5 – Lượng vỏ trấu khổng lồ thải ra từ các cơ sở xay xát

Với lượng tồn dư lớn nhưng vỏ trấu lại có một số nhược điểm sau:
- Nhiệt trị thấp (nhiệt trị của trấu bằng khoảng 70% so với than cám)
- Tỷ trọng thấp, vận chuyển khó khăn, chi phí vận chuyển lớn, khó bảo
quản đặc biệt là ô nhiễm không khí khi đốt trực tiếp….
Chính vì những lý do trên đòi hỏi cần phải có những nghiên cứu và biện
pháp làm tăng ưu điểm, hạn chế nhược điểm của nguồn năng lượng từ vỏ trấu để
việc sử dụng nguồn năng lượng này có hiệu quả nhất.
Ngày nay trấu đã được chuyển thành nhiên liệu dạng thanh hoặc dạng viên
pellet theo phương pháp ép trực tiếp để sử dụng thay thế cho than đá.

Hình 1.6. Các dạng dạng thanh và dạng viên nhiên liệu được sản xuất từ
vỏ trấu

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 11

Khi ép trực tiếp thành dạng viên hay thanh nhiên liệu (hình 1.6) có một số
nhược điểm:
 Chi phí năng lượng cho khâu/công đoạn nghiền rất lớn (khi ép viên pellet
bắt buộc phải nghiền nhỏ)
 Thiết bị nhanh hao mòn,
 Khi ép dạng thanh (dạng ép vít hoặc cơ cấu biên tay quay) năng suất thấp,

thiết bị nhanh hao mòn: thường 20-26 giờ phải thay ruột vít khi ép dùng
phương pháp máy ép trục vít hoặc 1-2 ngày thay bộ ruột đối với trường
hợp khi ép sử dụng máy ép theo nguyên lý cơ cấu biên tay quay.
Vấn đề đặt ra muốn chuyển hóa vỏ trấu dư thừa thành nhiên liệu (dạng
viên, thanh) mà tăng được nhiệt trị lên (20-30)% đồng thời giảm chi phí điện
năng cho khâu máy ép, và/hoặc cho quá trình làm nhỏ (khi ép viên pellet). Từ
phân tích trên cho thấy sự cần thiết phải nghiên cứu thiết bị nâng cao nhiệt trị
cho vỏ trấu.
1.2. Tổng quan về thiết bị nâng cao nhiệt trị vỏ trấu
1.2.1.Công nghệ chuyển đổi/xử lý sinh khối nhằm nâng cao nhiệt trị trên thế
giới
Công nghệ năng lượng tái tạo nói chung và công nghệ sinh khối nói riêng
có vai trò ngày một quan trọng góp phần trong sự phát triển và tìm ra nguồn năng
lượng mới - năng lượng tái tạo nhằm thay thế dần các nguồn nhiên liệu hóa
thạch. Các nguồn năng lượng tái tạo có thể sử dụng để chuyển đổi thành các
nguồn năng lượng sơ và thứ cấp (năng lượng nhiệt, điện) để ứng dụng trong các
lĩnh vực công-, nông nghiệp được trình bày ở hình 1.7 dưới đây:
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 12


Hình 1.7. Phương pháp công nghệ chuyển đổi năng lượng từ nguồn năng lượng
tái tạo [6]
Trên hình 1.7 là công nghệ khí hóa để chuyển đổi năng lượng tái tạo từ sinh
khối. Ngoài phương pháp như trên hình 1.7 còn có các nguồn năng lượng tái tạo
khác như năng lượng địa nhiệt, năng lượng mặt trời, sóng biển,…có thể được
chuyển đổi thành các nguồn năng lượng như:
- Năng lượng nhiệt,
- Năng lượng hóa,
- Năng lượng điện.

Có nhiều cách khác nhau để chuyển đổi năng lượng từ nguồn nhiên liệu
sinh khối (Biomass), đặc biệt là từ phụ phế phẩm nông nghiệp.
Các phương thức/cách thức chuyển đổi năng lượng từ sinh khối, đặc biệt
từ phụ phế phẩn nông nghiệp đã, đang và sẽ được thế giới quan tâm ngày một
nhiều, các công nghệ đó được trình bày một cách sơ lược như sau đây:
- Nguồn năng lượng từ các loại cây trồng, cây cỏ;
- Phụ phẩm cây trồng (rơm rạ, gỗ rừng);
- Phụ phế liệu hữu cơ (phụ phế liệu ngành công nghiệp chế biến gỗ );
- Rác thải hữu cơ (bùn kênh rãnh, các phế liệu khác…).
Tất cả các nguồn nhiên liệu trên được phân loại, xử lý, chế biến, làm khô,
ép viên, lưu kho/vận chuyển, sau đó lưu kho hoặc các công đoạn khác vẫn như
nêu trên chỉ riêng công đoạn ép viên sau cùng, sau đó lưu kho và vận chuyển để
ra cho ta nguồn nhiên liệu theo tiêu chuẩn nhất định. Từ nguồn nhiên liệu được