Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
2
BỘ CÔNG THƯƠNG
TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC VÀ MÁY NÔNG NGHIỆP
VIỆN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY NÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2012 Đề tài :
“NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI ĐỂ
THAY THẾ ĐIỆN NĂNG TRONG THIẾT BỊ ÉP THANH
NHIÊN LIỆU TỪ PHỤ PHẾ PHẨM NÔNG NGHIỆP "
M∙ sè: 36.12RD/H§-KHCN

Cơ quan chủ trì Chủ nhiệm đề tài
Viện NCTKCT máy Nông nghiệp

TS. Nguyễn Đình Tùng KS. Nguyễn Văn Thành
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
4
Mục lục
LỜI MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
7
1.1 Tầm quan trọng của việc Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay
thế điện năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp.
7
1.1.1 Tình hình sản xuất và sử dụng năng lượng sinh khối trên thế giới 7
1.1.2 Tình hình sản xu
ất và sử dụng năng lượng sinh khối ở Việt Nam 10
1.2 Quy trình công nghệ sản xuất thanh/củi nhiên liệu 13
CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN THIẾT BỊ TẠO THANH NHIÊN LIỆU 16
2.1 Tính năng kỹ thuật của lực ép
16
2.2 Các loại buồng ép và quá trình ép thanh 17
2.3 Tính năng của máy ép và một số loại máy ép 18
2.3.1 Máy ép thanh nhiên liệu kiểu thủy lực 19
2.3.2 Máy tạo thanh nhiên liệu kiểu pít tông (lệch tâm) cơ c
ấu biên tay quay.24

năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
5
LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây sự chú ý tới các công nghệ năng lượng tái tạo
nói chung và năng lượng sinh khối nói riêng đã tăng mạnh trên toàn cầu để thay
thế dần các loại năng lượ
ng hóa thạch với lý do: nguồn năng lượng hóa thạch
ngày càng cạn kiệt dần và gây ô nhiễm môi trường.
Nguồn năng lượng thiếu hụt trầm trọng trên thế giới cũng như Việt Nam,
tình trạng thiếu hụt này đựơc thể hiện cùng với sự phát triển kinh tế, đặc biệt là
các ngành công nghiệp.
Do đó việc ứng dụng năng lượng từ các nguồn năng lượng tái tạo như
:
năng lượng gió, năng lượng thuỷ triều, năng lượng địa nhiệt, năng lượng mặt
trời và đặc biệt là năng lượng sinh khối (Biomass) ngày càng được quan tâm
nhiều hơn.
Riêng đối với năng lượng sinh khối (Biomass) có ưu điểm hơn cả đối với
các nước đang phát triển và có nền sản xuất nông nghiệp là chính như Việt Nam,
vì nguồn tiềm năng sinh khối t
ừ các phụ phế phẩm nông lâm nghiệp là rất lớn,
bởi Việt Nam là nước chiếm tới khoảng gần 75% dân số làm nông nghiệp, có
3/4 diện tích là đồi núi và có trên 38% diện tích rừng che phủ. Hàng năm các
phụ phế phẩm từ nông lâm nghiệp (rơm dạ, vỏ trấu, lõi ngô, gỗ vụn, dăm
bào,mùn cưa,…). Tuy nhiên việc sử dụng các phế thải này vẫn theo cách truyền
thống như đun nấu trong sinh hoạt gia đình, làm phân bón và ph
ần nhiều là “vứt
bỏ” ngoài môi trường, do vậy chưa mang lại hiệu quả kinh tế.
Để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng từ sinh khối điều cần thiết là
phải ứng dụng các công nghệ để chuyển đổi nguồn năng lượng đó sao cho làm
tăng mật độ năng lượng (kJ/m3) lên. Một trong những công nghệ đó đó là công

sinh khối để thay thế điện năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế
phẩm nông nghiệp là yêu cầu không chỉ mang tính thời sự cấp thi
ết, có ý nghĩa
khoa học và thực tiễn, góp phần vào chủ trương công nghiệp hoá, hiện đại hoá
nông nghiệp, tăng cường khả năng sản xuất của công nghiệp sản xuất nhiên liệu
sinh khối trong nước.

.

Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
Trong chương này nhóm tác giả trình bày một số nội dung tóm lược
như sau:
• Tầm quan trọng của việc Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh
khối để thay thế điện n
ăng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ
phế phẩm nông nghiệp,
• Quy trình công nghệ sản xuất thanh/củi nhiên liệu.

1.1 Tầm quan trọng của việc Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để
thay thế điện năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm
nông nghiệp.

1.1.1 Tình hình sản xuất và sử dụng năng lượng sinh khối trên thế giới.
Sản xuất tiêu thụ ở Châu Âu [2]
Người ta ước tính trong năm 2008 có khoảng 8 triệu tấn thanh/củi gỗ được sản

một lớn lên. Hình 1.2 thể hiện lượng tiêu thụ, sản xuất và xuất khẩu thanh nhiên
liệu ở Châu Âu từ năm 2000 đến năm 2010 [2].
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
9

Hình 1.2 Lượng tiêu thụ thanh/củi gỗ ở Châu Âu [2]

Qua hình 1.2 cho thấy nhu cầu sử dụng thanh/viên gỗ ở Châu Âu đã tăng
một cách đáng kể. Năm 2000 sử dụng khoảng 700 nghìn tấn, tăng hơn 5 lần vào
năm 2005 (khoảng 3,7 triệu tấn) và hơn 18 lần vào năm 2010 (khoảng 18,3 triệu
tấn). Nhu cầu sử dụng ngày một lớn, nên ngành sản xuất thanh gỗ cũng phát
triển rất nhanh, từ 65 nghìn tấn (vào năm 2000) lên 3,1 triệu tấn (năm 2005), và
gần 9 triệ
u tấn (vào năm 2010). Tuy vậy các nhà sản xuất ở Châu Âu vẫn chưa
khi nào cung cấp đủ cho chính thị trường của khu vực mình. Sự chênh lệnh giữa
cầu – cung (cầu>cung) ngày một lớn. Năm 2000 chênh lệch đó chỉ khoảng 100
nghìn tấn thì đến năm 2005 là gần 600 tấn và tăng một cách nhanh chóng trong
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
10
những năm tiếp theo, tới năm 2010 độ chênh lệch giữa cầu và cung là gần 5 triệu
tấn [2].
Sản xuất tiêu thụ ở Bắc Mỹ
Trên thế giới thì ngoài Châu Âu, khu vực Bắc Mỹ cũng có một nề
n công nghiệp

Quy dầu tương
đương
(triệu TOE)
Tỷ lệ (%)
Rừng tự nhiên 6,842 2,390 27,2
Rừng trồng 3,718 1,300 14,8
Đất không rừng 3,850 1,350 15,4
Cây trồng phân tán 6,050 2,120 24,1
Cây công nghiệp và cây
ăn quả
2,400
0,840
9,6
Phế liệu gỗ 1,649 0,580 6,6
Tổng 25,090 8,780 100,0
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 53,43 12,08 100,0

Trong khi đó việc sử dụng những phụ phế phẩm trong sản xuất nông - lâm
nghiệp hiện nay tại Việt Nam chưa mang lại hiệu quả kinh tế. Do vậy việc sử
dụng nguồn này để sản xuất thanh/củi nhiên liệu sẽ mang lại cơ hội mới cho
Nông nghiệp, cải thiện an ninh năng lượng và mang lại nhiều lợi ích cho môi
trường xã hội. Ngoài ra còn là một trong những nền tảng phát tri
ển kinh tế đất
nước nói chung và củng cố an ninh năng lượng năng lượng nói riêng.
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM


thì tổng công suất điện cần sử dụng khoảng 30 kW, khi đó bộ phận gia nhiệt
chiếm khoảng 7,5 kW (chiếm 25% tổng công suất điện), Nếu sử dụng năng
lượng sinh khối để thay thế năng lượng điện ở bộ phận gia nhiệt ở khuôn ép thì
cần khoảng 2,5kg c
ủi (đối với thanh củi trấu)
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
13
Dưới đây là bảng so sánh sơ bộ về hiệu quả kinh tế khi sản xuất củi nhiên
liệu sử dụng nguồn gia nhiệt là điệt và khi sử dụng nguồn gia nhiệt từ sinh khối.
Bảng 1.2 B
ảng so sánh hiệu quả kinh tế khi sử dụng năng lượng điện và
năng lượng sinh khối để gia nhiệt khuôn ép
TT
Nguồn gia
nhiệt
Khối
lượng
Đơn vị
Đơn giá
(đồng)
Chi phí cho
1h làm việc
(200kg sp)
(đồng)
Chi phí
cho 1000
kg sp

Kích
thước
lớn
Làm
nhỏ

Sấy
Ép củi
Làm
mát
Đóng
bao
Phân
loại
Phụ
phẩm NN
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
14
Hình 1.3 Sơ đồ khối quy trình sản xuất thanh nhiên liệu từ phụ phẩm nông nghiệp
Từ sơ đồ cho thấy các công đoạn trong dây chuyền công nghệ sản xuất thanh
nhiên liệu từ phụ phẩm nông nghiệp được phân ra như sau:
Công đoạn phân loại
Đây là công đoạn chuẩn bị phụ phẩm, dựa vào kích thước của nguyên liệu ta
tiến hành như sau:

tuổi thọ của bộ phận ép (nhất là vít ép) [7].
Công đoạn làm mát sản phẩm
Sau khi ép, nhiệt độ của thanh nhiên liệu rất cao. Muốn bảo quản hoặ
c sử dụng
chúng ta phải làm nguội sản phẩm tới nhiệt độ môi trường, đồng thời trong quá
trình làm nguội sản phẩm cũng được giảm ẩm. Như vậy sẽ tốt hơn cho quá trình
sử dụng.
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
16
CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN THIẾT BỊ TẠO THANH NHIÊN LIỆU

Trong chương này nhóm tác giả trình bày một số nội dung tóm lược
như sau:
• Tính năng kỹ thuật của lực ép,
• Các loại buồng ép và quá trình ép thanh,
• Tính năng của máy ép và một số loại máy ép đang dùng,
• Lựa chọn kiểu gia nhiệt khuôn ép.
2.1 Tính năng kỹ thuật của lực ép
Trong lĩnh vực sản xuất thanh/củi nhiên liệu, việc áp dụng đúng kiểu
loại thiết bị cho công
đoạn tạo thanh là rất quan trọng. Trên cơ sở kết cấu,
nguyên lý và áp suất trong quá trình ép được thực hiện của từng loại máy,
ta cần thiết phải nhận quá trình ép tạo thanh trong từng loại trước lúc sử
dụng nó.
Sau đây tác giả tìm hiểu về các quy trình ép thanh/củi nhiên liệu dưới
tác dụng của lực ép:
a) Lực ép quay vòng theo bước vít – thiết bị loại này vận chuyển, nén Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
18

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý quá trình tạo thanh nhiên liệu [5]
a) Kiểu kín và b) Kiểu hở
2.3 Tính năng của máy ép và một số loại máy ép
Dựa trên tính năng kỹ thuật, ta phân ra các kiểu ép như sau:
a) Ép liên tục – vật liệu đưa vào và sản phẩm ra liên tục. Loại này được
thể hiện nhờ máy ép kiểu vít. Thiết bị này hoạt động theo kiểu chuyển
động tròn, vật liệu được dịch chuyển nh
ờ cánh vít và dọc theo buồng
ép kiểu hở.
b) Ép xung – vật liệu được ép từg phần nhỏ nhờ đầu ép của thiết bị ép.
Quá trình ép vật liệu xảy ra theo chu trình, vì vậy trong thanh nhiên liệu
vật liệu được xếp theo từng lớp. Phương pháp nà được sử dụng trong máy
ép liểu pít tông và máy ép khuôn.
c) Ép một pha – vật liệu được ép chỉ trong một lần. Loại này áp dụng

Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
20
Loại này phụ thuộc vào kích thước buồng và đầu ép. Thiết bị tạo thanh
nhiên liệu thủy lực cho ta dải năng suất làm việc có thể đạt được là rất lớn từ
hàng chục đến hàng trăm kg/h.
Nă
ng suất thiết bị còn phụ thuộc mật thiết vào đặc tính của vật liệu cần ép
như: độ ẩm, độ mịn và tỷ trọng.
• Máy ép thanh nhiên liệu kiểu thủy lực buồng hở hình 2.4

Hình 2.4 Kết cấu máy tạo thanh nhiên liệu kiểu thủy lực buồng hở [5]
1. Buồng nạp liệu 6. Đầu ép thứ cấp
2. Đầu ép sơ cấp 7. Buồng ép
3. Van điều chỉnh áp lực 8. Cơ cấu thủy lực
4. Tủ điện điều khiển 9. Đầu kẹp thanh nhiên liệu
5. Bơm thủy lực
Loại máy tạo thanh nhiên liệu kiểu thuỷ lực b kính buồng hở
(hình2.4),
đường kính buồng ép khoảng 50 ÷ 100mm, chiều dài thanh nhiên liệu dài không
quá 02 lần đường kính.
Tuy nhiên loại máy này có hạn chế về thủy lực học nên năng suất máy ép
không được lớn, không vượt quá 300kg/h.
Hình 2.5 và hình 2.6 dưới đây giới thiệu về nguyên lý và quy trình làm việc
của máy tạo thanh nhiên liệu dạng thủy lực kiểu buồng hở.
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện

Đặc tính kỹ thuật: Loại thiết bị tạo thanh nhiên liệu bằng thủy lực buồng
kín có cơ cấu lớn hơn loại buồng hở.
Thể tích buồng ép khoảng 500 ÷ 4.000dm
3
. Năng suất có thể đạt tới 200 ÷
400 kg/h. Loại này thường dùng cho ép phế liệu gỗ và giấy.

Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
23
Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý và kết cấu máy tạo thanh nhiên liệu kiểu thủy lực
buồng kín[5]
1. Cấp liệu bằng cơ khí 6. Buồng cấp liệu
2. Đầu ép sơ cấp 7. Cơ cấu đẩy sản phẩm
3,4,8,9. Sylanh th
ủy lực 8. Cơ cấu đóng mở cửa ra
liệu
5. Đầu ép thứ cấp Hình 2.8 Quy tình hoạt động của máy tạo thanh nhiên liệu thủy lực kiểu
kín[5]
Trên hình 2.8 thể hiện các công đoạn tròn 01 quy trình tạo thanh nhiên liệu
đối với máy ép thủy lực kiểu buồng kín:
I. Thiết bị cấp liệu vào đầy buồng cấp liệu.
II. Sylanh thủy lực đứng đẩy đầu ép sơ cấp xuống vật liệu và bịt kín phần
trên buồng ép.
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Thiết bị loại này tạo ra thanh nhiên liệu hình trụ có đường kính từ 40 đến
120 mm,chiều dài đến 300 mm. Năng suất thiết bị từ 150 đến 2.500 kg/h, áp suất
ép đạt tới 200Mpa. Thanh nhiên liệu tạo bởi lực ép xung có kết cấu theo lớp từ
mộ
t vài đến một vài chục mm. Với kết cấu như vậy, thanh nhiên liệu loại này có
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
25
thể dễ dàng bẻ ra thành nhiều lớp( loại) với nhiều kích thước. Sơ đồ nguyên lý,
cấu tạo của máy ép loại này được thể hiện dưới hình 2.9 và hình 2.10 sau đây:

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý máy tạo thanh nhiên liệu kiểu pít tông[5]
1. Cơ cấu trục khủyu hoặc lệch tâm 4. Thiết bị cấp liệu
2. Rãnh định hướng 5. Buồng cấp liệu
3. Đầu ép 6. Buồng ép

Hình 2.10 Sơ đồ cấu tạo máy tạo thanh nhiên liệu kiểu pít tông[5]
1. Tủ điểu khiển 6. Đầu ra nhiên liệu
2. Động cơ điện 7. Buồng ép
3. Dây đai truyền động 8. Cơ cấu ép
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM


dịch chuyển trên giàn đỡ sản phẩm – thanh nhiên liệu được thoát ẩm ra môi