Tái sử dụng chất thải sinh khối cho lò hơi công nghiệp để thu hồi năng lượng

1 Sổ tay đào tạo Dự án về Hiệu quả năng lượng và thu hồi năng lượng cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ tiểu vùng sông Mê Kông thuộc Hiệp hội các quốc gia Đông Nam Á: Tái sử dụng chất thải sinh khối cho lò hơi công nghiệp để thu hồi năng lượng Quỹ ASEAN Tổ chức Năng suất Châu Á 2 Lời nói đầu Dự án về Hiệu quả năng lượng và thu hồi năng lượng cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ tiểu vùng sông Mê Kông thuộc Hiệp hội các quốc gia Đông Nam Á: Tái sử dụng chất thải sinh khối cho lò hơi công nghiệp để thu hồi năng lượng do Quỹ Hỗ trợ ASEAN tài trợ, được thực hiện bởi Tổ chức Năng suất Châu Á (APO) với sự hỗ trợ của các Tổ chức Năng suất Quốc gia: Thái Lan, Campuchia, Việt Nam, Cộng hoà Dân chủ Nhân dân Lào và Đại sứ quán Liên bang Myanmar. Trong giai đoạn đầu, các cuộc họp trù bị giữa các bên đã diễn ra tại Bangkok, Phnom Penh, Vientiane, Hà Nội và Yangon vào tháng 3 năm 2006 nhằm đánh giá tình hình năng lượng, những lựa chọn giải pháp năng lượng tái tạo, nguồn chất thải sinh khối và sử dụng lò hơi dùng chất thải sinh khối trong các doanh nghiệp vừa và nhỏ. Chương trình đào tạo khu vực đã được tổ chức sau đó tại Bang kok, từ ngày 17-21/7/2006. Tổ chức Năng suất Châu Á đã cử các chuyên gia là Ngài Hiroshi Omori, Chủ tịch, Công ty TechnoSoft - Tokyo và Ngài Mah Soo, Chuyên gia tư vấn, Trademall Dotcom- Malaysia cho chương trình đào tạo trên và cũng là các chuyên gia biên soạn sổ tay đào tạo. Sổ tay đào tạo này bao hàm những thông tin cơ bản về năng lượng sinh khối, hiệu quả năng lượng và lò hơi sử dụng chất thải sinh khối và các vấn đề liên quan tập trung vào các doanh nghiệp vừa và nhỏ nhằm trang bị thêm những thông tin cần thiết về sử dụng chất thải sinh khối như là nguồn nguyên liệu chính cho lò hơi và những thông số tiết kiệm chi phí ----------------- 3 Nội dung Chương 1: Giới thiệu dự án ------------------------------------------------------------------------------- 5 1.1. Mục tiêu dự án: ---------------------------------------------------------------------------------------- 5 1.2. Đơn vị tài trợ: ------------------------------------------------------------------------------------------- 5 1.3. Thời gian thực hiện: --------------------------------------------------------------------------------- 5 1.4. Quốc gia tham gia: ----------------------------------------------------------------------------------- 5 1.5. Ban Điều hành:----------------------------------------------------------------------------------------- 5 1.6. Thông tin liên quan đến dự án: ----------------------------------------------------------------- 5 1.7. Kết quả dự án------------------------------------------------------------------------------------------- 5 Chương 2: Năng lượng sinh khối ----------------------------------------------------------------------- 6 2.1. Các Quốc gia Khu vực Mê Kông ----------------------------------------------------------------- 6 2.2. Tình hình năng lượng tại các quốc gia khu vực sông Mê Kông -------------------- 6 2.3. Năng lượng sinh khối-------------------------------------------------------------------------------- 8 2.3.1. Khái niệm về sinh khối------------------------------------------------------------------------ 8 2.3.2. Năng lượng sinh khối: lợi ích và khó khăn ------------------------------------------- 8 2.3.3. Công nghệ chuyển đổi năng lượng sinh khối---------------------------------------- 9 2.4. Hàm lượng nước và năng suất nhiệt của sinh khối ------------------------------------- 9 2.4.1. Hàm lượng nước và lựa chọn quá trình trong chuyển đổi sinh khối------- 9 2.4.2. Năng suất nhiệt của sinh khối ----------------------------------------------------------- 10 2.4.3. Quá trình đốt cháy của nguyên liệu sinh khối bằng gỗ ----------------------- 12 2.5. Các đặc tính khác của sinh khối -------------------------------------------------------------- 13 2.5.1. Theo mùa vụ (Đặc biệt là cây có hạt)------------------------------------------------- 13 2.5.2. Đặc tính của năng lượng sinh khối ---------------------------------------------------- 13 2.5.3. Sơ chế nhiên liệu sinh khối---------------------------------------------------------------- 14 Chương 3: Lò hơi sinh khối ------------------------------------------------------------------------------16 Chương 3: Lò hơi sinh khối ------------------------------------------------------------------------------16 3.1. Phân loại lò hơi--------------------------------------------------------------------------------------- 16 3.1.1. Ống nước và ống lửa------------------------------------------------------------------------- 16 3.1.2. Hình dạng ống: --------------------------------------------------------------------------------- 17 3.2. Lò hơi dùng nhiên liệu rắn ---------------------------------------------------------------------- 18 3.2.1. Loại cố định-------------------------------------------------------------------------------------- 19 3.2.2. Loại chuyển động ----------------------------------------------------------------------------- 19 3.2.3. Lò tầng sôi --------------------------------------------------------------------------------------- 20 3.2.4. Lò quay -------------------------------------------------------------------------------------------- 21 Chương 4: Hiệu suất năng lượng và kiểm toán năng lượng --------------------------------21 4.1. Hiệu suất năng lượng của lò hơi -------------------------------------------------------------- 21 4.2. Bảo toàn năng lượng lò hơi --------------------------------------------------------------------- 21 4.2.1. Nhiệt lượng hao phí trong lò hơi-------------------------------------------------------- 21 4.2.2 Các phương pháp bảo toàn năng lượng trong lò hơi---------------------------- 23 4.2.3. Kiểm toán năng lượng của các nhà máy -------------------------------------------- 26 Chương 5. Chỉnh sửa lại lò hơi -------------------------------------------------------------------------29 5.1. Các vấn đề then chốt khi nghiên cứu việc chỉnh sửa lại lò hơi sử dụng sinh khối -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 29 5.2. Kinh nghiệm trong việc chỉnh sửa lại của Công ty Thai K. Boiler Co., Ltd.-- 29 5.3. Chỉnh sửa các bộ phận của lò hơi ------------------------------------------------------------ 30 Chương 6. Hiệu quả kinh tế của lò hơi sinh khối------------------------------------------------31 6.1. Quy trình hiệu quả toán hiệu quả kinh tế------------------------------------------------- 31 6.2. Nhiên liệu sinh khối sẵn có --------------------------------------------------------------------- 32 6.2.1. Các loại nhiên liệu sinh khối-------------------------------------------------------------- 32 6.2.2. Giá nhiên liệu tại các nước vùng sông Mekong----------------------------------- 32 6.3. Dạng năng lượng và mức năng lượng------------------------------------------------------ 33 6.3.1. Nước nóng và hơi nước --------------------------------------------------------------------- 33 6.4. Giá cả sử dụng --------------------------------------------------------------------------------------- 35 4 6.5. Đầu tư --------------------------------------------------------------------------------------------------- 35 6.5.1. Lò hơi tạo hơi nước --------------------------------------------------------------------------- 35 6.6. Phương pháp tính toán hiệu quả kinh tế-------------------------------------------------- 36 6.6.1. Tính toán lợi nhuận--------------------------------------------------------------------------- 37 6.6.2. Các chỉ số đánh giá hiệu quả kinh tế-------------------------------------------------- 37 6.7. Các thông tin khác cần có để tính toán hiệu quả kinh tế--------------------------- 37 6.8. Ví dụ về tính toán ----------------------------------------------------------------------------------- 38 6.8.1. Lắp đặt mới lò hơi sinh khối -------------------------------------------------------------- 39 6.8.2. Tổng kết------------------------------------------------------------------------------------------- 41 6.9. Kết luận ------------------------------------------------------------------------------------------------- 41 Chương 7 . Những nét chính trong Cơ chế phát triển sạch (CDM) và sinh khối ----43 7.1. Quy trình CDM từ lập kế hoạch dự án đến đạt được CER. ------------------------- 43 7.2. Áp dụng CDM vào những nước vùng sông Mekong.---------------------------------- 43 7.2.1. Phân loại CDM quy mô nhỏ. -------------------------------------------------------------- 43 7.2.2 Chon lựa phương pháp luận. -------------------------------------------------------------- 44 5 Chương 1: Giới thiệu dự án 1.1. Mục tiêu dự án: 1) Đào tạo và xây dựng năng lực cho các tổ chức năng suất quốc gia và các tổ chức liên quan về dự án hiệu quả năng lượng và năng lượng tái tạo tập trung vào doanh nghiệp vừa và nhỏ, đặc biệt chú trọng đến lò hơi công nghiệp thông qua hội thảo khu vực, các chương trình đào tạo và chương trình học qua mạng. . 2) Phổ biến rộng rãi khái niệm, thực hành và công nghệ về hiệu quả năng lượng và năng lượng tái tạo qua các ấn phẩm, trang web, … 1.2. Đơn vị tài trợ: Quỹ Hỗ trợ ASEAN 1.3. Thời gian thực hiện: Một năm (2006) 1.4. Quốc gia tham gia: Thái Lan, Campuchia, Việt Nam, Công hoà Dân chủ Nhân dân Lào, Liên bang Myanma 1.5. Ban Điều hành: Tổ chức Năng suất Châu Á, Nhật Bản Viện Năng suất Thái Lan, Thái Lan Trung tâm Năng suất Việt Nam, Việt Nam Trung tâm Năng suất Quốc gia Campuchia, Campuchia Văn phòng Phát triển và Quảng bá Doanh nghiệp vừa và nhỏ, Cộng hoà Dân chủ Nhân dân Lào Đại sứ quán Liên bang Myanma, Nhật Bản 1.6. Thông tin liên quan đến dự án: 1) Các doanh nghiệp vừa và nhỏ khu vực Sông Mê Kông dựa vào lò hơi công nghiệp với nguồn năng lượng hơi nước. 2) Những nhiên liệu hoá thạch như than đá, dầu và khí đốt mang lại chi phí cao và là nguyên nhân chính gây ô nhiễm 3) Nhu cầu cần để khai thác chất thải sinh khối - nguồn nguyên liệu đang dư thừa trong khu vực như là nhiên liệu thay thế cho lò hơi sử dụng nhiên liệu hoá thạch 4) Nhu cầu cần để cải tiến các thông số hiệu quả năng lượng trong khi sử dụng chất thải sinh khối 1.7. Kết quả dự án 1) Xây dựng năng lực cho các bên liên quan trong khu vực Mê Kông: Cung cấp dịch vụ kỹ thuật về dự án hiệu quả năng lượng và năng lượng tái tạo cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ, chú trọng vào lò hơi công nghiệp. 2) Thiết kế tài liệu đào tạo và sổ tay kỹ thuật cho các quốc gia khu vực sông Mê Kông. 3) Thiết kế trang web và dữ liệu công nghệ phù hợp chuyên về hiệu quả năng lượng và năng lượng tái tạo cho các bên liên quan sử dụng. 4) Phổ biến rộng rãi các ấn phẩm thông qua Tổ chức Năng suất Quốc gia và các tổ chức liên quan trong khu vực Mê Kông. 6 Chương 2: Năng lượng sinh khối . 2.1. Các Quốc gia Khu vực Mê Kông Bảng 2.1 Đưa ra một số chỉ số chính của 5 quốc gia khu vực sông Mê Kông, qua đó thấy: Đất trồng trọt ở Cộng hoà Dân chủ Nhân dân Lào có tỷ phần nhỏ nhất. Dân số và mật độ dân số ở Thái Lan là cao nhất. Tổng sản phẩm quốc gia (GDP: dựa theo tỷ giá công bố chính thức) của Thái Lan là cao nhất, tiếp sau là Việt Nam. Tỷ phần giữa nông nghiệp và công nghiệp cao nhất là Cộng hoà dân chủ nhân dân Lào và tiếp đến là Thái Lan. Sự khác nhau giữa các chỉ số này ảnh hưởng rất lớn đến nhu cầu sử dụng chất thải sinh khối tại mỗi quốc gia. Bảng 2.1: Đất, Dân số và GDP trong các quốc gia Vùng Mê Kông Cambodia Lao PDR Myanmar Thailand Vietnam Diện tích đất đai (km2) 181,040 236,800 676,578 514,000 329,560 Đất trồng trọt (%) * 20.44 4.01 -- 27.54 20.14 Dân số (Số liệu năm 2006) ** 13,881,427 6,368,481 50,519,490 64,631,595 84,402,966 Mật độ dân số (/km) 76.7 26.9 74.7 125.7 256.1 Tỉ US$ 4.7 2.5 -- 183.9 43.8 Nông nghiệp 35.0 48.6 -- 9.3 20.9 Công nghiệp 30.0 25.9 -- 45.1 41.0 Tổng sản phẩm quốc nội (số liệu năm 2005) Dịch vụ 35.0 25.5 -- 45.6 38.1 2.2. Tình hình năng lượng tại các quốc gia khu vực sông Mê Kông Nhằm nghiên cứu tiềm năng sử dụng năng lượng sinh khối trong lò hơi công nghiệp của các doanh nghiệp vừa và nhỏ vùng Mê Kông, cần đưa ra những con số về tình hình cung cấp và sản xuất năng lượng trong các quốc gia này. Hình 2.1: Tỉ lệ tăng trưởng của việc sản xuất năng lượng trong các quốc gia vùng Mê Kông Qua hình này ta thấy tỉ lệ tăng trưởng sản xuất năng lượng của Việt Nam và Thái Lan là cao hơn so với Myanma (Trong dữ liệu của Cơ quan Năng lượng Quốc tế không có dữ liệu của Campuchia và Cộng hoà Dân chủ Nhân dân Lào). Hình 2.1 Tổng năng lượng tiêu thụ trong các Quốc gia vùng Mê Kông (Triệu OE/năm)1 1 International Energy Agency (IEA) Energy Balance in Non-OECD countries 2003 0 10,000 20,000 30,000 40,000 50,000 60,000 1971 1974 1977 1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 M yanm ar Thailand Vietnam 7 Hình 2.2: Thể hiện cơ cấu cung cấp năng lượng chính (PES) trong năm 2003 So với Thái Lan thì Việt Nam và Myanmar có nguồn năng lượng sinh khối (chất thải và chất đốt tái tạo) chiếm phần đáng kể trong nguồn cung cấp năng lượng chính . Hình2.2 Cung cấp Năng lượng chính trong các quốc gia vùng Mê Kông năm 2003 (Triệu TOE/năm)2 Hình 2.3 Chỉ ra phần đóng góp hiện tại của năng lượng sinh khối đến Tổng sản phẩm quốc nội (GNP) trong các quốc gia Châu Á. Các quốc gia phát triển có diện tích đất nhỏ như Singapore, Hong Kong, và Đài Loan có GNP cao nhưng không dùng năng lượng sinh khối. Tỉ lệ đóng góp năng lượng sinh khối ở các nước khác cao nhưng GNP lại thấp. Bằng việc quảng bá sử dụng sinh khối thì hy vọng sẽ có cải thiện trong tương lai. Hình 2.3. Tỉ lệ năng lượng tái tạo chất đốt/ chất thải và GNP theo đầu người trong các quốc gia Châu Á3 2 International Energy Agency (IEA) Energy Balance in Non-OECD countries 2003 3 International Energy Agency (IEA) Energy Balance in Non-OECD countries 2003 / CIA: World 0 20,000 40,000 60,000 80,000 100,000 Myanmar Thailand Vietnam Coal and Coal Products Crude, NGL, Feedstocks & Petroleum Products Natural Gas Nuclear Hydro Geothermal Solar / Wind / Other Combustible Renewables and Waste 0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 35,000 0 20 40 60 80 100 Tỷ số (%): Tái tạo chất đốt và chất thải Tổng PES GNP (US$/Capita.) Vietnam Thailand Bangladesh Taiwan Hong Kong IndiaIndonesia Iran Malaysia Nepal Pakistan Philippines Singapore Sri Lanka 8 2.3. Năng lượng sinh khối 2.3.1. Khái niệm về sinh khối Sinh khối là vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ sinh vật có khả năng tái tạo ngoại trừ nguồn nguyên liệu hoá thạch. Trong sản xuất năng lượng và ngành công nghiệp, sinh khối đề cập đến ở đây là nguyên liệu có nguồn gôc từ sinh vật sống mà có thể được sử dụng làm nhiên liệu hay cho sản xuất công nghiệp. Thông thường sinh khối là phần chất cây trưởng thành sử dụng như là nhiên liệu sinh học, bao gồm cả phần chất thực vật và động vật được dùng để sản xuất sợi, hoá chất hay tạo nhiệt. Sinh khối không phải là vật liệu hữu cơ được tạo bởi quá trình địa chất tạo than đá hay dầu mỏ. Sinh khối thường được đánh giá qua thông số cân nặng khô (Khái niệm về sinh khối được mô tả ở hình dưới- hình 2.4) Hình 2.4: Khái niệm sinh khối Trong thời kỳ sơ khai, sinh khối là nguồn năng lượng chính cho con người đến tận thế kỷ 19. Sang thế kỷ 20, năng lượng sinh khối được thay thế dần bằng dầu và than đá, xa hơn nữa là khí và năng lượng nguyên tử Câu trả lời cho lý do hiện nay năng lượng sinh khối đang được quan tâm hiện nay chính là đặc của tính sinh khối: Sinh khối có khả năng tái tạo, dự trữ trong nhiều nguồn sẵn có, than thực động vật, có khả năng lưu trữ và thay thế dầu Bảng 2.2: Phân loại và các dạng sinh khối Phân loại Dạng Nguồn từ mùa màng Thức ăn nuôi động vật và cây tinh bột Sinh khối chưa sử dụng Rơm, vỏ trấu, gỗ vụn và chất thải từ gỗ Chất thải sinh khối Chất thải từ giấy, phân động vật, chất thải từ thực phẩm, chất thải từ xây dựng, chất thải lỏng và bùn cống 2.3.2. Năng lượng sinh khối: lợi ích và khó khăn Bảng 2.3: Lợi ích kinh tế của năng lượng sinh khối so với nguồn năng lượng tái sinh khác Bảng 2.3. Năng lượng sinh khối so với các nguồn năng lượng tái sinh khác4 Năng lượng phát Mặt trời Gió Sinh khối Tổng đầu tư (triệu US$) 1,830 12,700 6,300 Quy mô nhà máy (kw) 1,000,000 10,000,000 10,000,000 Tỉ lệ hoạt động hàng năm (%) 12 20 70 Công suất điện phát hàng năm (M kw/h) 1,100 17,500 61,300 Đơn vị đầu tư (US$/kw) 1.66 0.72 0.10 Factbook HP, Wikipedia, the free encyclopedia HP 4“21 Century by Biomass Energy”, Sakai Masayasu Sinh khối- Phần chất thực vật Phần chất động vật Nhiên liệu sinh học, sợi, hoá chất và nhiệt Nguồn hoá thạch 9 Tuy nhiên cũng có một vài điểm khó khăn khi sử dụng sinh khối làm nhiên liệu: (1) So với nhiên liệu hoá thạch thì mật độ năng lượng/đơn vị sinh khối là thấp (2) Khó sử dụng, đặc biệt là nguồn từ thực phẩm (3) Quá trình chuyển đổi năng lượng phức tạp 2.3.3. Công nghệ chuyển đổi năng lượng sinh khối Sơ đồ 2.5: Hệ thống vận hành sinh khối: Các giai đoạn tạo năng lượng (thực tế áp dụng và thử nghiệm) Có 3 công nghệ chuyển đổi chính dựa trên các phương pháp: đốt trực tiếp, chuyển đổi nhiệt hoá học và chuyển đổi sinh hoá. Phương pháp khác lấy nhiên liệu từ đá thải (RDF), đốt thành than và diesel sinh học để tạo nhiệt và phát điện. Sơ đồ 2.5. Công nghệ chuyển đổi năng lượng sinh khối 2.4. Hàm lượng nước và năng suất nhiệt của sinh khối 2.4.1. Hàm lượng nước và lựa chọn quá trình trong chuyển đổi sinh khối Hàm lượng nước trong sinh khối được lấy từ polymer tự nhiên. Tuy nhiên giá trị hàm lượng nước khác nhau rất lớn phụ thuộc vào loại sinh khối (Giấy: 20%, chất thải động vật, chất cặn bã lên men rượu và bùn cống: 98~99%) Hình2.6. Hàm lượng nước và năng suất nhiệt của sinh khối Sinh khối Đốt trực tiếp Chuyển đổi nhiệt hoá học Chuyển đổi nhiệt sinh hoá Phương pháp khác khí hoá Cracking nhiệt Hoá lỏng trực tiếp Khí hoá nhiệt độ thấp Khả năng phân huỷ kỵ khí Nhiệt phân kỵ khí Lên men Tạo nhiệt, phát điện (Nhiên liệu) khí Khí nhân tạo Khí nhân tạo Khí H2, CH4 Khí CH4 ( Cồn Ethanol RDF, cacbon hoá, dầu sinh học Sinh khối khô Tro 0% Tro 20% Sinh khối ướt (Rác thải thô và cặn) Tro 100% Gỗ tươi Câ y Sấy khô Hàm lượng nước (%) -5 0 5 10 15 20 20 40 60 80 100 N ăn g su ất n hi ệt (M j/k g) 10 Fig.2.6: Mối quan hệ giữa hàm lượng nước và năng suất nhiệt của sinh khối. Hàm lượng nước trong gỗ tươi khoảng 50%, khi phơi khô còn khoảng 30% và đến mức tối đa lượng nước còn khoảng 20% Hình 2.7 : Lựa chọn quá trình chuyển đổi sinh khối bằng hàm lượng nước Hình 2.7: Hàm lượng nước trong sinh khối và quá trình chuyển đổi . Nhìn chung, muốn tạo ra hơi và nước nóng thì lò hơi sinh khối sẽ đốt cháy trực tiếp như đã mô tả trong sơ đồ trên. Và trong trường hợp muốn có điện thì sẽ có sự kết hợp giữa lò hơi và tua bin. Để vận chuyển sinh khối đến một địa điểm xa thì nhiên liệu khí/hoá lỏng là thích hợp hơn. Sinh khối với vật liệu là gỗ không phù hợp vì có tính xốp cao (thể tích lớn) . Mặt khác sinh khối ướt như: chất thải động vật, chất cặn bã lên men rượu và bùn cống. Những loại vật liệu sinh khối này chứa dung lượng nước cao. Quá trình làm khô phải bắt buộc xử lý trước cho đến khi đạt được mức khô cần thiết. Nói chung, khi vật liệu sinh khối có hàm lương nước trên 70% thì không nên sử dụng vì hiệu quả sinh nhiệt quá thấp đối với ẩn nhiệt nước. Hiện nay phổ biến là quá trình lên men ethanol và khí mê tan. Công nghệ cho quá trình có áp suất cao, khí hoá nhiệt độ thấp và hoá lỏng trực tiếp vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm . 2.4.2. Năng suất nhiệt của sinh khối Hình 2.8: Thành phần cấu tạo nguyên tử và hàm lượng tro trong nhiên liệu hoá thạ