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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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
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,
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
Copyright: Tài liệu đại học ©