Các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong lò hơi đốt nhiên liệu sinh khối
I. KHÁI QUÁT VỀ NHIÊN LIỆU CHO LÒ HƠI CÔNG NGHIỆP
Nhiên liệu sử dụng trong các lò hơi công nghiệp Trong các lò hơi công nghiệp thường sử dụng một số loại nhiên liệu sau:
Nhiên liệu hóa thạch, gồm có: than (than cám, than đá), dầu (dầu DO, dầu FO), khí (khí LPG, khí thiên nhiên, khí CNG, khí LNG);
Nhiên liệu sinh khối, gồm có: trấu (vỏ trấu rời, viên nén, thanh củi), mùn cưa (dưới dạng hạt nhỏ hoặc bột, viên nén, củi thanh), dăm bào, gỗ vụn, bã mía, bã vỏ hạt điều,….
Bài viết này cung cấp các thông tin chủ yếu tập trung vào nhiên liệu rắn. Thành phần nhiên liệu rắn được xem xét bao gồm:
- Thành phần công nghệ (Phân tích tương đối)
Thành phần công nghệ của nhiên liệu thường chỉ được sử dụng với nhiên liệu rắn, nó giúp nhà quản lý năng lượng có một sự hình dung tốt về nhiên liệu được sử dụng trong buồng đốt. Thành phần công nghệ của nhiên liệu cho ta biết thành phần % khối lượng của: độ ẩm, chất bốc, độ tro, hàm lượng cốc.
Độ ẩm (% W) Độ ẩm vốn sẵn có trong nhiên liệu gốc, nó tăng hay giảm tùy theo cách bảo quản và vận chuyển nhiên liệu. Độ ẩm của nhiên liệu làm tăng tổn thất nhiệt do bốc hơi và hơi quá nhiệt, giảm lượng nhiệt trên mỗi kg nhiên liệu. Về một khía cạnh nào đó, nó giúp giải quyết các hạt nhiên liệu mịn dính với nhau và giúp truyền nhiệt bức xạ.
Chất bốc (% V) Chất bốc là những chất khí thoát ra khi nhiên liệu bị phân hủy nhiệt, thành phần chủ yếu của nó là H2, CO, CH4, CxHy và các khí không cháy như CO2 và N2. Chất bốc càng nhiều thì chiều dài ngọn lửa càng dài và nhiên liệu càng dễ bắt lửa và cháy ổn định. Chất bốc thiết lập giới hạn tối thiểu độ cao và thể tích của lò, ảnh hưởng đến yêu cầu gió cấp 2 và các vấn đề về phân phối gió.
Độ tro (% A) Tro là phần tạp chất còn lại không cháy được trong nhiên liệu khi quá trình cháy đã kết thúc. Hàm lượng tro cao ảnh hưởng đến hiệu suất của lò hơi, làm tăng chi phí xử lý. Nếu tro bụi quá nhiều trong khói sẽ gây mài mòn các bề mặt nhận nhiệt, nhất là bụng lò, sườn lò và các đầu ống lửa ra khỏi mặt sàng, gây tắc các ống lửa, mương khói, bộ hâm nước. Hàm lượng tro cũng rất quan trọng đối với thiết kế của ghi lò, thể tích đốt, thiết bị xử lý tro và kiểm soát ô nhiễm của lò hơi.
Hàm lượng cốc Cốc là thành phần còn lại sau khi các chất bốc và độ ẩm trong nhiên liệu đã thoát ra. Cốc có thể ở dạng thiêu kết (dạng cứng và xốp) hoặc không thiêu kết (dạng bột mềm). Hàm lượng cốc phản ánh lượng carbon cố định có trong nhiên liệu, yếu tố tạo nhiệt chính trong quá trình cháy.
- Thành phần hóa học (Phân tích tuyệt đối)
Thành phần hóa học của nhiên liệu cho ta biết tất cả các thành phần hóa học có trong nhiên liệu, không quan tâm đến hình dạng vật lý mà các thành phần thể hiện.
Thành phần hóa học trong nhiên liệu thường cho theo % khối lượng và bao gồm một số thành phần chính như: % C, % H, % O, % S, % N, % A (tro), % W (độ ẩm). Thành phần hóa học của nhiên liệu giúp ta xác định lượng không khí cần thiết cho quá trình cháy và thể tích, thành phần của sản phẩm cháy. Thông tin này cần thiết cho tính toán nhiệt độ ngọn lửa và thiết kế ống khói,….
- Nhiệt trị ( Q ) Nhiệt trị (Năng suất tỏa nhiệt) của nhiên liệu là lượng nhiệt sinh ra khi đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu rắn, lỏng (kJ/kg hoặc kcal/kg) hoặc 1 m3 khí ở điều kiện tiêu chuẩn (kJ/m3 tc hoặc kcal/m3 tc). Điều kiện tiêu chuẩn là P = 760 mmHg và t = 00C. Nhiệt trị của nhiên liệu có thể xác định trực tiếp bằng thực nghiệm trên nhiệt lượng kế hoặc dùng các công thức thực nghiệm theo các thành phần của nhiên liệu. Người ta phân biệt Nhiệt trị thấp, Qt (NCV- Net Calorific Value hoặc LHV- Lower Heating Value) và Nhiệt trị cao, Qc (GCV- Gross Calorific Value hoặc HHV- Higher Heating Value). Nhiệt trị thấp, Qt là nhiệt trị ứng với trường hợp khi hơi nước có trong sản phẩm cháy tồn tại ở dạng hơi. Trong kỹ thuật và trong tính toán ta hay sử dụng giá trị này do trong thực tế khi đốt nhiên liệu, hơi nước đều đi theo khói thải ra ngoài môi trường. (Lý do: không muốn hơi nước ngưng tụ trên bề mặt thiết bị để chống ăn mòn.) Nhiệt trị cao, Qc là nhiệt trị ứng với trường hợp khi hơi nước có trong sản phẩm cháy đều được ngưng tụ (đã tính đến lượng nhiệt do hơi nước giải phóng ra khi bị ngưng tụ). Nhiệt trị thấp được tính bằng cách dùng nhiệt trị cao trừ đi lượng nhiệt hóa hơi này
II. NHIÊN LIỆU SINH KHỐI
Khái niệm Sinh khối (Biomass) là một thuật ngữ có ý nghĩa bao hàm rất rộng dùng để mô tả các vật chất hữu cơ có nguồn gốc từ sinh vật vốn có thể sử dụng như một nguồn năng lượng. Sinh khối còn có thể được xem như một dạng tích trữ năng lượng Mặt Trời. Năng lượng từ Mặt Trời được “giữ” lại bởi cây cối qua quá trình quang hợp trong giai đoạn phát triển của chúng. Năng lượng sinh khối được xem là tái tạo vì nó được bổ sung nhanh hơn rất nhiều so với tốc độ bổ sung của năng lượng hóa thạch vốn đòi hỏi hàng triệu năm. Ngoài ra, việc sử dụng sinh khối để tạo năng lượng có tác động tích cực đến môi trường. Hiển nhiên việc đốt sinh khối không thể giải quyết ngay vấn đề mất cân bằng vể tỷ lệ CO2 hiện nay. Tuy nhiên, sinh khối vẫn góp phần quan trọng trong việc sản xuất năng lượng và bảo vệ cân bằng môi trường, vì nó tạo ra ít CO2 hơn năng lượng hóa thạch. Một cách khái quát, CO2 tạo ra bởi việc đốt sinh khối sẽ được “cô lập” tạm thời trong cây cối được trồng mới để thay thế nhiên liệu hay là một chu kỳ tuần hoàn kín với tác động hết sức nhỏ lên môi trường.
Tóm lại, sinh khối là một nguồn năng lượng hấp dẫn bởi các lý do sau:
Đây là một nguồn năng lượng tái tạo, nếu chúng ta có thể bảo đảm được tốc độ trồng cây thay thế;
Sinh khối là nguồn năng lượng sạch: gần như không chứa lưu huỳnh, giảm phát thải CO2 nếu coi nhiên liệu sinh khối có phát thải trung tính (sinh khối lấy CO2 từ không khí khi chúng phát triển và trả lại không khí khi nó bị đốt cháy, chu trình này diễn ra ngắn);
Sinh khối được phân bố đồng đều hơn trên bề mặt Trái Đất so với các nguồn năng lượng nhất định khác (ví dụ, 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;
Nó tạo ra cơ hội cho các địa phương và các khu vực trên toàn quốc tự bảo đảm cho mình nguồn cung cấp năng lượng một cách độc lập;
Giá thành thấp hơn so với nhiên liệu hóa thạch. Đây là một giải pháp thay thế cho năng lượng hóa thạch, giúp giảm thiểu biến đổi khí hậu đang đe dọa Trái Đất;
Nó 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. Các nguồn sinh khối được chuyển thành các dạng năng lượng khác như điện năng, nhiệt năng, hơi nước và nhiên liệu qua các phương pháp chuyển hóa như đốt trực tiếp, chuyển đổi nhiệt hóa học (khí hóa, cracking nhiệt, hóa lỏng), chuyển đổi nhiệt sinh hóa (phân hủy yếm khí, lên men) hoặc các phương pháp khác (sơ chế thành dạng có thể tích nhỏ và năng suất nhiệt cao, cacbon hóa, dầu sinh học).
Sinh khối sử dụng làm nhiên liệu đốt trực tiếp trong các lò hơi công nghiệp thường là chất thải sinh khối từ các ngành lâm nghiệp, nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt như: phế thải rừng, vỏ cây, gỗ dăm, mùn cưa, bã mía, trấu, rơm, bã vỏ hạt điều, thân cây ngô, lõi bắp ngô,… . Không sử dụng các loại nhiên liệu sinh khối có độ đa dạng sinh học cao hoặc độ phát thải cacbon cao như các loại cây gỗ lớn khai thác từ các khu rừng đặc dụng, tại các khu rừng quốc gia, các khu bảo tồn thiên nhiên, các khu rừng ngập mặn,… . Chúng ta giới hạn chỉ đề cập đến việc đốt trực tiếp nhiên liệu sinh khối (dưới dạng nguyên thủy hoặc đã qua sơ chế như nén lại dưới dạng viên, củi thanh hoặc dạng bánh) trong các lò hơi công nghiệp để tạo ra hơi nước cung cấp cho dây chuyền công nghệ của doanh nghiệp.
Các dạng nhiên liệu sinh khối phổ biến trên thị trường
- Dạng hạt nhỏ (mùn cưa, dăm bào và vỏ trấu rời hoặc mịn hơn nữa dưới dạng bột cám nếu được nghiền thêm)
Dạng nhiên liệu này rất phù hợp cho các lò hơi đốt kiểu tầng sôi. Ưu điểm của loại lò này là quán tính nhiệt không lớn quá cho nên có thể linh hoạt điều chỉnh nhiên liệu theo phụ tải hơi, cách phối gió của lò hầu như rất đều trong không gian chính của lò vì vậy hiệu suất cháy của nhiên liệu tương đối cao. Có thể đốt được với những nhiên liệu có độ ẩm tương đối lớn, nhiệt độ vận hành thường vào khoảng từ 8500C đến 9000C nên vấn đề tạo muội than và nóng chảy tro rất ít xảy ra. Đây là kiểu lò hơi được phát triển mạnh trong những năm gần đây.
- Dạng nhiên liệu dạng viên như bã vỏ hạt điều hay từ các nguyên liệu trấu, mùn cưa, bã mía, gỗ,… hoặc hỗn hợp của chúng được nghiền sau đó được nén lại dưới dạng các viên nhiên liệu có đường kính (5-12) mm và chiều dài (10-40) mm.
Hiện nay dạng nhiên liệu này được sử dụng khá phổ biến trong các lò hơi mà trước đây sử dụng nhiên liệu than đá, kiểu lò thông thường là kiểu ghi xích và nếu với kích thước hợp lý cũng có thể sử dụng trong lò tầng sôi.
- Dạng nhiên liệu được ép thành khối hoặc thành thanh
Loại này thông thường được ép từ vỏ trấu hoặc mùn cưa hoặc hỗn hợp của chúng thành khối dưới dạng củi thanh có đường kính từ từ (50-100) mm và chiều dài (100-1000) mm, gọi là củi trấu hoặc củi mùn cưa (đôi lúc còn được ép dưới dạng bánh cho tiện vận chuyển). Dạng nhiên liệu này thường được sử dụng trong các lò hơi với buồng đốt kiểu ghi tĩnh hoặc ghi xích, khi đốt có thể để nguyên thanh hoặc đập (băm) ra thành miếng Một số các phế thải khác của nông nghiệp Dạng nhiên liệu này thường được sử dụng trong các lò hơi loại ghi xích.
Theo Lương Thế Ngọc 2016, Các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong lò hơi đốt nhiên liệu sinh khối.
http://media.lcee.vn/Images/Upload//User/admin2/2016/9/12/lo_hoi_sinh_khoi.pdf
