Ứng dụng Gom Rác GRAC

Nhiên liệu từ sinh khối nông nghiệp

#1
Bộ ứng cứu tràn đổ hóa chất và môi trường
Sinh khối thảo mộc là một trong những nguồn năng lượng tái tạo phổ biến nhất và rẻ. Sự quan tâm ngày càng tăng đối với nguồn nhiên liệu này liên quan đến các yếu tố kinh tế và sinh thái. Hiện nay năng lượng tái tạo trong nhiều trường hợp còn đắt hơn năng lượng thu được từ các nguồn truyền thống nhưng khoảng cách giữa chúng đang càng ngày càng thu hẹp. Những nước phát triển trong nhiều năm qua đã và đang thực hiện những chương trình rộng lớn về lĩnh vực phát triển các nguồn năng lượng tái tạo. Theo dự báo của cơ quan năng lượng thế giới đến năm 2020 tỷ lệ các nguồn năng lượng tái tạo trong cân bằng năng lượng thế giới sẽ đạt khoảng 20%, trong đó tỷ lệ sinh khối là trên một phần ba.

Người ta thường áp dụng những phương pháp sau đây để biến đổi sinh khối một cách kinh tế và hợp lý thành nhiên liệu và năng lượng thuận tiện.

- Biến hoán nhiệt hoá (đốt trực tiếp, nhiệt phân, khí hoá);

- Biến hoán theo công nghệ sinh học (thu được các loại cồn nguyên tử thấp);

- Chế biến nhiệt hoá và cơ học thành nhiên liệu đóng bánh.

Sinh khối thảo mộc thuộc loại nhiên liệu chất lượng cao. Về chất bốc nhiên liệu sinh khối vượt trội than. Năng lượng thu được từ sinh khối đạt tới 38% năng lượng sơ cấp sử dụng ở các nước phát triển. ở Thuỵ Điển năm 1998 sản lượng điện năng thu được từ sử dụng nhiên liệu sinh khối đã đạt tới 18%.

Những phương hướng chủ yếu về hoàn thiện và phát triển việc sử dụng sinh khối để sản xuất điện và nhiệt năng là:

- Tối ưu hoá mức độ sử dụng hợp lý năng lượng sinh khối với sự cân nhắc về nhu cầu, thay đổi cơ cấu và giá thành nguyên liệu.

- Mở rộng việc sử dụng các dạng nguồn năng lượng địa phương.

- Hoàn thiện các sơ đồ công nghệ và thiết bị của các hệ thống cung cấp nhiệt và điện năng, kể cả các điều kiện vận hành chúng.

Rõ ràng là cùng với sự tăng giá các chất mang năng lượng truyền thống sẽ đưa vào lưu thông một cách kinh tế và hợp lý càng ngày càng nhiều dạng nhiên liệu địa phương bao gồm cả những loại nhiệt trị thấp hơn so với các nhiên liệu đang sử dụng hiện nay.

Nhờ các công nghệ và thiết bị hiện đại việc chế biến sinh khối với nhiệt trị 5-10MJ/kg (thấp hơn nhiệt trị của củi hơn 2 lần) đạt hiệu quả tốt. Điều đó cho phép mở rộng nguồn nhiên liệu sinh khối của các thảo mộc hoang dại với độ ẩm cao.

Việc sử dụng các dạng nhiên liệu khoáng đem đến nhiều độc hại cho môi trường xung quanh ở những địa điểm khai thác và khi vận chuyển chúng. Khi đốt chúng một lượng đáng kể oxit nitơ (N0x), oxit lưu huỳnh (S0x) và C02 thải vào khí quyển, còn khi đốt than thải cả các hạt bụi, trong khi đó nếu đốt sinh khối để sản xuất điện và nhiệt thì rất an toàn về sinh thái.

Đối với nông nghiệp công tác cấp bách là tạo ra những nguồn sản xuất nhiệt và năng lượng độc lập dưới dạng các lò đốt, các lò hơi cỡ không lớn vận hành bằng phế thải nông nghiệp. Vào mùa gặt, các thiết bị lò đốt có thể sử dụng để sấy các sản phẩm nông nghiệp thay cho việc phải đốt dầu để sấy như trước đây.

Việc sử dụng sinh khối làm nhiên liệu có hiệu quả kinh tế đáng kể. Đốt 5T rơm rạ cho phép tiết kiệm được 1T dầu đốt lò hoặc 1000m3 khí thiên nhiên. Cần phải hiểu rằng trong các lò sấy nông sản hiện đại một phần ba chi phí cho việc sấy lúa thuộc về nhiên liệu.

Để đốt trực tiếp phế liệu thảo mộc người ta sử dụng các buồng đốt khác nhau: đốt trên ghi cố định, đốt trên tầng sôi tuần hoàn và đốt theo lớp xoáy nhiệt độ thấp. Những thiết bị buồng đốt và lò hơi các loại đó đang có nhu cầu ngày càng gia tăng trên thị trường thế giới.

Phương pháp biến hoán nhiệt hoá chính đối với sinh khối là đốt trực tiếp. Trong nông nghiệp để sấy khô và tăng cường quạt gió cho nông phẩm người ta sử dụng rộng rãi các máy cấp nhiệt công suất từ 0,25 đến 2,5MW. Chúng được sản xuất ra để chạy bằng dầu hoặc khí hợp bộ với các thiết bị sấy trong đó có các thiết bị sấy lúa năng suất từ 2,5 đến 50T/h, chúng còn được sử dụng để sưởi cho gia cầm, ấp trứng, cho nhà kính...

Trong tương lai không xa các lò đốt đó có thể được thay thế bằng các thiết bị đốt phế liệu thảo mộc (rơm rạ, trấu, cây hướng dương khô...).

Song song với các công nghệ đốt trực tiếp người ta nghiên cứu triển khai các công nghệ đốt 2 giai đoạn, nhiên liệu rắn sơ bộ được khí hoá, còn khí thu được đốt trong lò. Việc đốt 2 giai đoạn càng ngày càng phổ biến rộng rãi bởi vì nó cho phép nghiên cứu triển khai các thiết bị hoạt động với hiệu suất cao, có tính linh hoạt hơn khi thay đổi các chế độ hoạt động của casc thiết bị sử dụng nhiệt, ô nhiễm môi trường ít hơn và ít đòi hỏi về chất lượng nhiên liệu.

Để nghiên cứu triển khai các thiết bị lò đốt trực tiếp cần phải biện giải sơ đồ công nghệ của thiết bị lò đốt cho phép giảm thiểu các chi phí về chế tạo, bảo dưỡng và vận hành thiết bị đó, nghiên cứu triển khai và chuẩn y kết cấu đảm bảo vận hành tin cậy lâu dài với cơ giới hoá hợp lý và tự động hoá quá trình vận hành, dự kiến sử dụng thiết bị với nhiều chức năng.

ở Liên Bang Nga những công tác thử nghiệm chủ yếu về đốt các phế liệu thảo mộc đã được tiến hành trên thiết bị thí nghiệm công suất 0,3-0,5MW với thiết bị buồng đốt thử nghiệm công nghiệp công suất gần 1,5MW tại công ty nông nghiệp “Kavkaz” thuộc vùng Krasnodar và tại trạm thử nghiệm thuộc Viện Cơ giới hoá nông nghiệp L.B.Nga ở thành phố Armavir. Thiết bị buồng đốt công suất 1,5MW đã được nghiên cứu triển khai làm mẫu thử đầu tiên cho các thiết bị công suất lớn hơn (tới 5MW) và đã cho phép thực hiện các chế độ đốt cháy khác nhau đối với hàng loạt nhiên liệu với các đặc tính cơ lý khác biệt nhau và nhiệt trị khác nhau.

Sơ đồ công nghệ của thiết bị buồng đốt vạn năng tổ hợp với máy sấy lúa CL-5 năng suất 10T/h (lúa mì)
Trong các thử nghiệm đã thực hiện và nghiên cứu một số sơ đồ hiện đại về đốt trực tiếp các phế liệu thảo mộc (cây hướng dương, rơm rạ, lõi ngô và rơm đóng bánh) trên lò ghi và lò tầng sôi, lò đốt có ngọn lửa. Chú ý đến yếu tố là 70-75% khối lượng phế liệu thảo mộc là chất bốc nên điều quan trọng là đốt sao cho giảm đến mức tối đa các chất cháy đi theo khói thải ra. Điều đó có thể thực hiện bằng cách tổ chức đốt trong lò có ngọn lửa cũng như trong tầng sôi.

Kích cỡ các hạt rơm (rạ, cỏ) đóng bánh, các lõi ngô, thân hướng dương, thân cây ngô nghiền nát thay đổi từ 20 đến 50mm, tốt nhất là đốt chúng trong các lò ghi hoặc tầng sôi.

Với mục đích tạo ra tầng sôi ổn định người ta đưa vào tầng sôi vật liệu trơ. Sơ đồ tổng quát đốt các phế liệu thảo mộc trong tầng sôi như sau:

Đối với các lò đốt với bề mặt sàng không lớn lắm (0,56m2 trên thiết bị thử) việc cung cấp gió thổi đồng đều vào tất cả các khoang của mặt sàng sẽ đảm bảo tầng sôi ổn định theo toàn bộ diện tích mặt sàng. Trong trường hợp đó độ cao khác nhau của tầng sôi theo từng khoang không có ý nghĩa đáng kể bởi vì việc cấp nhiên liệu đưa vào khoang gần với vách trước của lò với độ cao tầng nhỏ nhất ở đó cường độ tầng sôi so với các khoang khác được cân bằng. Đối với các lò đốt với bề mặt lớn hơn, mặt sàng dài hơn (trong thiết bị buồng đốt công suất 1,5MW chiều dài mặt sàng 2m) cường độ tầng sôi có thể khác biệt nhau đáng kể theo chiều dài mặt sàng được phân ra các khoang. Một trong các biện pháp nâng cao chất lượng tầng sôi và cháy kiệt nhiên liệu là tổ chức tuần hoàn bên trong cho vật liệu, thí dụ ở khoang ngoài cùng với độ cao lớn của tầng sôi người ta đưa vào phần lớn gió thổi. Việc đốt nhiên liệu trong tầng sôi với tuần hoàn bên trong đạt hiệu suất cao hơn. Sau khi các hạt nhiên liệu rơi trên bề mặt tầng sôi, các hạt nhỏ bị các dòng tuần hoàn nâng lên với khí của buồng đốt. Hướng và cường độ các dòng đó được điều tiết bằng gió thổi sơ cấp vào mặt sàng phân ra thành khoang còn các hạt lớn hơn tuần hoàn trong tầng sôi. Trong tầng sôi người ta duy trì nhiệt độ không cao lắm (550-7000C). Trong điều kiện đó xảy ra sự thoát nhanh các chất bốc, chủ yếu cháy ngay trên không gian của tầng sôi. Việc cung cấp nhiệt cho tầng sôi được thực hiện nhờ nhiệt lượng của các hạt tuần hoàn, sự sấy nóng bức xạ và sự cháy kiệt hydrocarbon không bốc hơi... Nhiệt độ không gian trên tầng sôi cao hơn nhiệt độ bề mặt tầng sôi khoảng 150-2560C.

Để quá trình cháy nhiệt độ thấp được ổn định chỉ cần để chiều cao tầng sôi không lớn lắm trên mặt sàng (0,2-0,25m).

Việc đốt trong tầng sôi có hàng loạt ưu việt so với đốt có ngọn lửa. Trong việc đốt có ngọn lửa, trung tâm ngọn lửa có nhiệt độ rất cao gây sự bào mòn mạnh do các hạt bay ra. Những hạt này đọng lại trên các bề mặt trao đổi nhiệt theo tuyến đường khói, dẫn đến làm xấu đi sự trao đổi nhiệt và đòi hỏi thường xuyên làm sạch chúng. Ngoài ra các bề mặt đó bị bào mòn nhanh. Nhưng vì các phế liệu thảo mộc thực tế là loại nhiên liệu không có tro nên việc xả chúng khỏi tầng sôi chỉ cần thực hiện định kỳ (theo mức độ ứ đọng chúng).

Việc đốt nhiên liệu ẩm tốt nhất là tiến hành trong tầng sôi với độ cao tầng sôi tăng hơn (0,25-0,4m). Trong trường hợp đó xảy ra không chỉ quá trình sấy khô mà còn nhiệt phân nhiên liệu để khí hoá. Điều đó cho phép đốt các phế liệu thảo mộc với nhiệt trị cháy 7-9MJ/kg, điều mà đốt theo phương pháp ngọn lửa không thực hiện được.

Bằng phân tích kỹ thuật đã xác định rằng hàm lượng các hạt lớn tính bằng % trong tro bay khi đốt kiểu ngọn lửa cao hơn so với nhiên liệu đầu vào. Hàm lượng đó còn cao hơn được xác định trong tầng sôi (khi đốt kiểu tầng sôi). Điều đó khẳng định tính hiệu quả khi đốt phế liệu thảo mộc được nghiền nhỏ trong tầng sôi cũng như đốt kiểu nhọn lửa khi sử dụng các phế liệu thảo mộc làm nhiên liệu đốt trong các buồng đốt của thiết bị trong tổ hợp với máy sấy lúa CK-5 thay thế dầu diesel thì cứ mỗi tấn lúa được sấy khô có thể tiết kiệm được từ 12 đến 20 lít dầu diesel. Năng suất một vụ lúa một máy sấyCK-5 là 2500T, do đó, sau mỗi vụ lúa, một máy sấy CK-5 của tổ hợp với lò đốt nói trên khi đốt phế liệu thảo mộc sẽ tiết kiệm được khoảng 40T dầu diesel.

(Theo Năng lượng, Kinh tế,Kỹ thuật, Sinh thái 1/2006)
 
Top