Tài liệu 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 NỘI, NĂM 2015 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 ii 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 i 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 ii 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 .......................................................26 2.1.3. Nguồn nhiệt cung ...................................................27 nhiệt cấp trị cho cho thiết vỏ bị trấu xử lý 2.2. Nội dung nghiên cứu ..................................................................................31 2.3. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................31 2.3.1.Phương pháp nghiên ...........................................................31 cứu lý thuyết: 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 .........................36 nghiên cứu kết hợp lý Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật thuyết thực nghiệm: Page 3 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN..........................................................37 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 4 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 4 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 CO2 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 σu Ứng suất uốn tiêu chuẩn σk Giới hạn bền kéo σch Giới hạn bền chảy tc Giới hạn bền cắt w1 Độ ẩm đầu vào của vỏ trấu W2 Độ ẩm đầu vào của vỏ trấu Vts Thể tích của thiết bị G1 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 v t Thời gian xử lý nhiệt ρv 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 k1 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 t1 Thời gian vật liệu lưu trú trong thùng S Chiều dày của thiết bị Qt Trọng lượng thân thiết bị Qvl Trọng lượng của vật liệu Qc Trọng lượng cánh Dvltr Đường kính trong vành lăn Dvln Đường kính ngoài vành lăn B Bề rộng vành lăn Qvl Trọng lượng vành lăn Q Trọng lượng của thiết bị η Hệ số hiệu chỉnh Mu 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 vi Sđ Lực đẩy con lăn trượt theo phương ngang Se Lực ép gối đỡ con lăn lên bệ Pr Tải trọng riêng tính cho một đơn vị chiều dài N Công suất cần thiết để quay thiết bị Nđc 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 vii Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page viii 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 9 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 W3 = 10% Hình 3.17. Phương trình và kết quả tính toán cho nguyên liệu vỏ trấu với độ ẩm W3 = 12% Hình 3.18. Phương trình và kết quả tính toán cho nguyên liệu vỏ trấu với độ ẩm W3 = 14% Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 10 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 W1 và nhiệt trị đầu vào Hu1 khi độ ẩm đầu ra W2 = 1,2% Hình 3.26 Số vòng quay của trống xử lý nhiệt phụ thuộc vào độ ẩm đầu ra W2 và nhiệt trị đầu vào Hu1 khi độ ẩm đầu vào W1 = 12% Hình 3.27: Nhiệt trị thấp của trấu sau quá trình xử lý nhiệt (Hu2) phụ thuộc vào cặp thông số như độ ẩm đầu vào W1 và nhiệt trị thấp của vỏ trấu trước khi đưa vào trống xử lý nhiệt Hu1 khi độ ẩm đầu ra W2 = 1,2% Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 11 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 CO2 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 1 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 CO2 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 2