11/01/2021
TÓM TẮT
Mục đích của nghiên cứu này là sử dụng mức tiêu thụ năng lượng cụ thể (SEC - Specific energy consumtion) để đánh giá hiệu quả năng lượng tổng thể cho chế biến bột cá từ nhà máy sản xuất phụ phẩm cá da trơn với công suất 6.500 tấn/năm. Thông qua việc đánh giá mức tiêu thụ cho thiết bị quan trọng nhất là nồi hơi sử dụng củi trấu làm nhiên liệu, mức tiêu thụ năng lượng tổng thể của nồi hơi là tương đối cao (28.538,8 kJ/s), lượng năng lượng này dùng để làm nóng và tạo ra hơi nước. Sự thất thoát exergy trong lò hơi cũng tương đối cao (5.224,3 kJ/s), bộ trao đổi nhiệt của lò hơi đóng góp số lượng lớn sự thất thoát exergy hơn so với buồng đốt cháy. Ngoài ra, hiệu suất năng lượng và hiệu suất exergy của nồi hơi được thể hiện lần lược là 84% và 32%. Ứng dụng bộ tiết kiệm thu hồi nhiệt thải từ khí thải đã giảm được chi phí cho việc vận hành nồi hơi, tiết kiệm 5.4% mỗi năm cho việc tiêu thụ năng lượng. Thứ hai là giảm tác động đến môi trường từ việc giảm sử dụng năng lượng từ điện và nhiên liệu sinh khối, giảm phát thải 474.469,9 kg CO2/năm.
Từ khóa: Bột cá, tiêu thụ năng lượng cụ thể (SEC), bộ tiết kiệm, giảm phát thải, hiệu suất nồi hơi.
Chuyển đổi loại bỏ các sản phẩm phụ của chế biến thủy sản thành bột cá đang tăng dần trong những năm gần đây với nhiều quốc gia bằng cách sử dụng các công nghệ chế biến hiệu quả [1, 2]. Bột cá là một thuật ngữ chung cho một thành phần thức ăn giàu dinh dưỡng được sử dụng chủ yếu trong chế độ ăn cho động vật nuôi, đôi khi được sử dụng làm phân bón hữu cơ chất lượng cao [3]. Chất thải được loại bỏ hàng năm từ nghề cá ước tính khoảng 20 triệu tấn mỗi năm, chúng được sử dụng làm phân bón và đã tạo ra kết quả tốt cho tăng trưởng cây trồng, nhưng lợi nhuận trong việc này là thấp. Phần chính của các sản phẩm phụ được dùng để sản xuất bột cá chứa các protein và lipid có giá trị trong thức ăn [4, 5]. Ở Châu Á, nơi sản xuất 20 – 25% bột cá cho thế giới và cũng là nơi cung cấp nguồn nguyên liệu thô, nhiều loài cá được xác định sẵn là để chế biến thành bột cá [6]. Tại Việt Nam có hai cách sản xuất bột cá là sản xuất theo cách truyền thống (phơi nắng và nghiền nhỏ) và sản xuất với quy trình công nghiệp (nguyên liệu thô được nấu chín trước khi sấy khô), chủ yếu dùng làm thức ăn gia súc và thủy sản nước ngọt [7].
Sản xuất bột cá và dầu cá truyền thống là một quá trình đòi hỏi nhiều năng lượng, đòi hỏi năng lượng đòi hỏi lượng nguyên liệu lớn hơn trong một thời gian dài hơn để chứng minh các khoản đầu tư và chi phí hoạt động [8]. Quản lý và kiểm soát năng lượng là một hoạt động quan trọng để cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng, việc sử dụng mức tiêu thụ năng lượng cụ thể (SEC) để xác định những cải tiến có tiềm năng thay đổi việc sử dụng năng lượng lãng phí được xem như là một công cụ trong quản lý năng lượng. Thông thường, trong cả tài liệu và tiêu chuẩn quốc tế, SEC được sử dụng như một chỉ số hiệu suất năng lượng để đánh giá hoặc đo lường hiệu suất của hiệu quả năng lượng [9].
Các ứng dụng SEC để đánh giá và tối ưu hóa sử dụng năng lượng đã được sử dụng trong những năm gần đây, sử dụng SEC để xác định cơ hội bảo tồn năng lượng và cơ hội giảm thiểu CO2 từ hiệu quả năng lượng trong các ngành công nghiệp. Sự hiểu biết về hiệu quả năng lượng và exergy rất cần thiết để phân tích hệ thống sử dụng năng lượng, từ đó nhiều biện pháp được áp dụng để cải thiện hiệu quả của nồi hơi công nghiệp [10]. Phân tích exergy có thể được coi là việc quản lý sử dụng tài nguyên năng lượng cung cấp thông tin làm thế nào để có hiệu quả trong bảo tồn tài nguyên thiên nhiên,[11], trong nghiên cứu này năng lượng, hiệu suất exergy, thất thoát năng lượng, và thất thoát exergy của nồi hơi đã được phân tích.
Qúa trình sản xuất bột cá rất tốn năng lượng vì nó đòi hỏi phải bốc hơi một lượng lớn nước, thu hồi lượng nhiệt từ dòng ngưng tụ thoát ra khỏi máy sấy cũng mang lại hiệu quả kinh kế và tiết kiệm năng lượng. Tái chế nhiệt thải của lò hơi trong hệ thống để thu hồi nhiệt ẩn từ khí thải để đạt được hiệu quả cao hơn và ít phải thải hơn so với nồi hơi truyền thống dựa vào tỷ lệ không khí và nhiệt độ của nồi hơi, tuy nhiên nhiệt độ nước ngưng tụ phải thấp hơn nhiệt độ khí thải trong nồi hơi ngưng tụ và chế độ trao đổi nhiệt hợp lý hơn sẽ có được nhờ thu hồi nhiệt thải nhiệt độ thấp hơn [12].
2. Vật liệu và phương pháp
2.1. Cách tiếp cận nghiên cứu
Phương pháp tiếp cận trong nghiên cứu này dựa trên phân tích quy trình sản xuất bột cá từ phụ phẩm của quá tình chế biến thủy sản, phần này giải thích các giai đoạn chi tiết của quá trình sản xuất bột cá từ phụ phẩm. SEC của nhà máy được tính toán bằng các xem xét tổng tiêu thụ năng lượng của nhiên liệu sinh khối (củi trấu) và tổng dữ liệu tiêu thụ năng lượng điện, cùng với tổng sản lượng sản phẩm trong một tháng, số liệu được thu thập trong nhà máy cho một năm (12 tháng). Sau đó xác định khoảng tối ưu và mức tiêu thụ năng lượng (bao gồm nhiên liệu sinh khối và tiêu thụ điện năng) bị lãng phí từ đó cải tiến hệ thống và quá trình để đạt được mức tối ưu khi sản xuất.
Nghiên cứu này dựa trên việc đánh giá các hoạt động sản xuất bột cá từ phụ phẩm của quá trình chế biến cá da trơn tại Công ty Khánh Hoàng Seaprexco.Ltd thuộc khu vực Đồng bằng sông Cửu Long, Việt Nam. Công suất thực tế của nhà máy nghiên cứu đạt 500 đến 600 tấn/tháng, với dây chuyền sản xuất theo thiết kế có thể đạt đến 6.500 tấn/năm. Dây chuyền sản xuất được lắp đặt với các hệ thống thiết bị phụ trợ như máy sấy, máy nghiền, quạt, bơm, và đặt biệt là nồi hơi có công suất 10 tấn/giờ (với sáp suất thiết kế là 6.5-8bar).
(a) (b)
Hình 1. (a) Phụ phẩm, (b) Hệ thống sấy
Đồng thời đánh giá phát thải khí nhà kính, cụ thể là khí CO2 của dây chuyền sản xuất bột cá cũng được đánh giá, trên cơ sở hướng dẫn kiểm kê khí nhà kính cho lĩnh vực năng lượng của IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change), đặc biệt trong nghiên cứu này sẽ áp dụng hệ số phát thải đối với việc tiêu thụ năng lượng điện dành riêng cho lưới điện quốc gia của Việt Nam được ban hành vào năm 2019 với mục đích phù hợp với thực tế và cụ thể hơn dành cho đối tượng nghiên cứu. Nồi hơi trong hệ thống chế biến bột cá từ phụ phẩm là một thiết bị quan trọng, nó cung cấp sản phẩm làm nóng và sấy khô bột cá. Nhưng nó cũng là thiết bị tiêu hao nhiều năng lượng nhất trong dây chuyền sản xuất, chính vì vậy nghiên cứu sẽ tập trung đánh giá hiệu quả của nồi hơi qua việc sử dụng nhiên liệu sinh khối. .
Hình 2. Cách tiếp cận nghiên cứu
Đánh giá hiệu quả năng lượng của nồi hơi cho thấy việc sử dụng năng lượng nồi hơi của nồi hơi một cách có hiệu quả, tức là xem xét việc sử dụng năng lượng với một mức độ thấp hơn nhưng hiệu quả để đạt được cùng một mức dịch vụ năng lượng, nó có thể đạt được bằng cách cải thiện công nghệ của nồi hơi. Hiệu quả cuối cùng khi quyết định cải tạo công nghệ nồi hơi trong nghiên cứu này là đánh giá exergy, exergy là khả năng đạt đến hữu ích cao nhất trong quá trình làm việc của hệ thống trong quá trình đưa về trạng thái cân bằng nhiệt, bên cạnh đó exergy cũng đánh giá tiềm năng làm việc của hệ thống hay xác định sự không hiệu quả của công nghệ. Một thiết bị tiết kiệm năng lượng đơn giản cho nồi hơi đã được đề xuất và thiết kế lại cho dây chuyền sản xuất được gọi là economizer. Bộ tiết kiệm được lắp đặt trong dòng khí thải từ lò hơi . Chúng lấy nhiệt từ khí thải và chúng truyền qua các phần tử bề mặt mở rộng vào nước cấp ngay trước khi nước vào nồi hơi. Do đó, chúng làm tăng hiệu quả của lò hơi và có thêm lợi thế là giảm sốc nhiệt
2.2. Tính toán tổng tiêu thụ năng lượng cụ thể SEC
Thông thường, SEC được tính như một tỷ lệ của năng lương sử dụng cho việc sản xuất ra một sản phẩm. Các đơn vị được lựa chọn tùy ý vào mục đích sử dụng của SEC, với mục đích tính cho nhiệt: GJ/t, sử dụng cho điện: GWh/kt. Khi tính tổng năng lượng, bao gồm cả điện năng và nhiệt, các đơn vị được lựa chon cho mục đích nghiên cứu cụ thể Trong nghiên cứu này SEC được tính cho sản phẩm là bột cá trên cơ sở khối lượng thành phẩm, dữ liệu tiêu thụ điện cho các thiết bị vận hành bằng điện và tiêu thụ củi trấu (nhiên liệu sinh khối) cho lò hơi. Do đó, từ công thức SEC được định nghĩa là tổng mức tiêu thụ năng lượng trên một đơn vị khối lượng sản phẩm bột cá theo công thức sau [13, 14]:
Trong đó: Ji = Số đơn vị liên kết với nguồn năng lượng i;Eit = số lượng nguồn năng lượng sử dụng trong khoảng thời gian t; N = Số nguồn năng lượng; Pt = số lượng sản xuất trong thời gian t.
2.3. Tính toán phát thải CO2 từ tiêu thụ năng lượng
Các công thức tính toán và hệ số phát thải CO2 được áp dụng trong nghiên cứu này đều dựa trên hướng dẫn của IPCC tại Vol 2, Chap 2 [15], riêng hệ số phát thải trong việc tiêu thụ điện sẽ được sử dụng hệ số phát thải lưới điện quốc gia của Việt Nam vào năm 2018. Phương pháp tính toán phát thải khí nhà kính từ sử dụng điện và sinh khối như sau:
Trong đó: CO2(emission): khí thải của một loại khí nhà kính (CO2) nhất định theo loại nhiên liệu (kgCO2); Nfuel : lượng nhiên liệu được đốt cháy (TJ); EFfuel : hệ số phát thải mặc định của khí nhà kính nhất định theo loại nhiên liệu (kgCO2/TJ).
2.4. Hiệu suất năng lượng và exergy của lò hơi
Một biện pháp tối ưu hóa sử dụng năng lượng lò hơi đã đã được áp dụng bằng cách kiểm soát không khí dư thừa và tận dụng nhiệt thải từ khí thải để làm nóng nước trước khi cung cấp cho lò hơi. Các nguyên tắc ước tính hiệu quả năng lượng (h) và exergy (y) cho các quá trình được xem xét trong nghiên cứu này dựa trên các định nghĩa sau :
Trong phần này mô tả phương pháp được dùng để ước tính năng lượng và exergy được sử dụng, hiệu quả của năng lượng và exergy cho nồi hơi. Cấu trúc của một nồi hơi có thể chia làm hai phần là bộ trao đổi nhiệt và buồng đốt như hình, phân tích năng lượng and exergy cũng được chia làm hai phần được giải thích bên dưới [16].
Hình 3. Sơ đồ nguyên lý buồn đốt và buồn trao đổi nhiệt trong nồi hơi
Phân tích năng lượng và exergy trong buồng đốt
Nguyên lý bảo tồn năng lượng đòi hỏi sự cân bằng giữa năng lượng được cung cấp vào và đầu ra, tốc độ dòng chảy đến sẽ cân bằng với tốc độ dòng chảy đi của khối hỗn hợp. Lấy tốc độ dòng nguyên liệu sinh khối đầu vào là mf và tốc độ khối lượng không khí là ma, cân bằng năng lượng có thể mô tả như sau:
Điều kiện, hf = enthalpy của nhiên liệu sinh khối (kJ/kg), ha = enthalpy của không khí (kJ/kg).
Buồn đốt trong lò hơi thường được cách nhiệt tốt cho nên nhiệt tản ra xung quanh buồn đốt gần như bằng không. Ngoài ra động học và năng lượng tiềm năng của dòng chất lỏng thường không đáng kể, bên cạnh đó tốc độ dòng chảy đến sẽ bằng khối lượng tốc độ dòng chảy của hỗn hợp đi. Với các giả định đó công thức ước tính hiệu quả cho buồng đốt được thể hiện như sau
Trong đó: mp : tốc độ dòng nhiên liệu (kg/s); hp: enthalpy của sản phẩm nhiệt từ buồng đốt (kJ/kg); mf : tốc độ tải dòng sản phẩm (kg/s); hf : enthalpy của nguyên liệu (kJ/kg)
Công suất tối đa hoặc công suất đảo ngược được xác định từ cân bằng exergy áp dụng cho nồi hơi cùng với nhiệt độ môi trường bên ngoài T0 (T0=25oC), hiệu quả năng lượng của buồng đốt được thể hiện như sau
Trong đó, Ic = Thất thoát exergy, Ɛa: exergy trong không khí, Ɛf: exergy của nhiên liệu sinh học và Ɛp: exergy của sản phẩm. Với sf, sa, sp là entropy của nhiên liệu sinh khối, không khí và sản phẩm. Ước tính hiệu quả cho buồng đốt có thể viết để tính toán khối lượng sản phẩm tạo ra dựa theo công thức sau
Trong đó: mp: tốc độ tải lượng nhiên liệu (kg/s), p, f = là exergy của nhiên liệu và sản phẩm, mf = tốc độ tải của sản phẩm(kg/s)
Phân tích năng lượng và exergy của bộ trao đổi nhiệt
Bộ trao đổi nhiệt là một thiết bị trong đó hai dòng chất lỏng chuyển động trao đổi nhiệt nhưng không trộn lẫn, nhiệt được truyền từ chất lỏng nóng sang chất lạnh qua môi trường ngăn cách chúng. Tuy nhiên một lượng nhỏ nhiệt sẽ bị thất thoát như công thức sau
(9)
Lấy tốc độ dòng chảy lớn cho các sản phẩm nhiệt như mp, tốc độ dòng chảy của nhiên liệu như mg, tốc độ dòng chảy của nước mw và tốc độ dòng chảy của hơi nóng như ms, không có sự pha trộn trong trao đổi nhiệt, giả định rằng mp = mg = mH và mw = ms = mc.
Cân bằng năng lượng và hiệu quả năng lượng cho bộ trao đổi nhiệt được thể hiện như sau
Giả sử lý thuyết cho rằng tốc độ thay đổi exergy trong nồi hơi bằng không và nhiệt độ môi trường thông thường bên ngoài ở T0 (T0=25oC), cân bằng exergy được mô tả qua công thức sau:
Giả sử sự thay đổi exergy trong hệ thống nồi hơi là không đổi và nhiệt độ cân bằng với nhiệt độ môi trường bên ngoài, ước tính bộ trao đổi nhiệt tương tự như hiệu suất năng lương trao đổi nhiệt được tính như sau
Như vậy, tổng kết của cân bằng exergy cho nồi hơi có thể ước tính bằng cách kết hợp cân bằng exergy giữa buồng đốt và bộ trao đổi nhiệt như sau
Hiệu suất năng lượng và exergy của nồi hơi có thể ước tính tổng thể dựa vào công thức sau
Tận dụng nhiệt thải từ bộ tiết kiệm economizer
Bộ tiết kiệm (economizer) là một thiết bị được sử dụng để thu hồi nhiệt thải từ khí thải bao bồm các ống nằm ngang và có thể đặc trưng là ống trần và các bề mặt mở rộng. Tổng tiết kiệm năng lượng hàng năm khi sử dụng bộ tiết kiện tái sử dụng nhiệt thải trong nồi hơi công nghiệp được ước tính dựa trên công thức sau
Phần trăm tăng hiệu suất nhiệt của lò hơi do lắp đặt bộ tiết kiệm có thể được tính từ phương trình sau
Trong đó: TAESHR : Tổng tiết kiệm năng lượng hàng năm của thu hồi nhiệt (kWh/year); %Bth : Tỷ lệ tăng hiệu suất nhiệt của lò hơi do bộ tiết kiệm (%); AECkWh: Tiêu thụ năng lượng hàng năm (điện và củi trấu) (kWh/year); %fg: Phần trăm thất thoát nhiệt từ khí thải (%fg = 18) [17]; %HR: Hiệu suất của hệ thống thu hồi nhiệt (%HR = 30) [18].
3. Kết quả
Tiêu thụ năng lượng cụ thể cho dây chuyền bột cá
Dữ liệu phục vụ cho quá trình tính toán SEC được thu thập dựa trên công suất sản xuất sản phẩm thực tế của nhà máy và điện năng tiêu thụ cùng với củi trấu cung cấp cho lò hơi được thể hiện trong Bảng 1.
Bảng 1. Tổng năng lượng tiêu thụ và SEC
|
Tháng |
Bột cá(e) |
Tiêu thụ điện (a) |
Tiêu thụ củi trấu (b) |
Tổng năng lượng tiêu thụ (n) |
SEC |
|
(Tấn) |
(kWh) |
(Tấn) |
(GJ) |
(GJ/tấn) |
|
|
1 |
775 |
72.258 |
264 |
4.122,45 |
5,32 |
|
2 |
244 |
9.677 |
407 |
5.989,25 |
24,55 |
|
3 |
238 |
4.516 |
365 |
5.356,21 |
22,51 |
|
4 |
761 |
70.968 |
595 |
8.960,33 |
11,77 |
|
5 |
1.112 |
83.871 |
521 |
7.924,17 |
7,13 |
|
6 |
268 |
19.355 |
549 |
8.101,55 |
30,23 |
|
7 |
1.056 |
5.839 |
423 |
6.209,51 |
5,88 |
|
8 |
1.315 |
32.258 |
399 |
5.953,50 |
4,53 |
|
9 |
1.342 |
194.839 |
307 |
5.192,83 |
3,87 |
|
10 |
766 |
132.258 |
494 |
7.703,35 |
10,06 |
|
11 |
910 |
115.484 |
565 |
8.681,69 |
9,54 |
|
12 |
996 |
101.224 |
591 |
9.010,74 |
9,05 |
|
Tổng |
9.783 |
842.547 |
5.480 |
83.205,57 |
-- |
|
n (GJ)= a(kWh)×3.6×10-3+b(tấn)×1.000×3.500(Kcal/kg)×4,18×10-6; Với nhiệt trị của củi trấu là 3.500 (Kcal/kg)[19]. |
|
||||
Đối với nhà máy, kết quả SEC đã được ước tính dựa trên tổng năng lượng tiêu thụ hàng tháng bao gồm điện năng và nhiên liệu sinh khối. Kết quả cho thấy SEC lớn nhất, nhỏ nhất và trung bình lần lược là 30,2GJ/tấn, 3,87GJ/tấn và 12,04GJ/tấn. Điều này có nghĩa là hệ SEC càng bé thì định mức sử dụng năng lượng của dây chuyền giảm nhưng sản lượng vẫn đạt theo yêu cầu và ngược lại đối với SEC càng lớn. Khi so sánh chỉ số SEC trung bình, nó sẽ phụ thuộc vào nhiên liệu sử dụng, quy trình sản xuất, tiêu thụ năng lượng của máy móc, chính vì vậy chỉ số SEC phản ánh đúng thực trạng của nhà máy. Theo kết quả từ Bảng 1 cho ta thấy hiện tại nhà máy có ít nhất trên ba tháng có chỉ số SEC cao, đềy này có nghĩ là chúng ta có cơ hội để tiết kiệm năng lượng để giảm chỉ số SEC và tăng sản phẩm.
Phát thải nhà kính từ tiêu thụ năng lượng
Cùng với việc tiêu thụ năng lượng lớn nhưng không đạt hiệu quả, đồng nghĩa với việc phát sinh ra một lượng lớn khí thải ra môi trường. Kết quả đánh giá tải lượng phát thải CO2 của nhà máy là 20.635.928,28 kgCO2/năm giúp chúng ta có một cái nhìn rõ hơn về ảnh hưởng thứ cấp của việc tiêu sản xuất phụ phẩm gây ảnh hưởng đến môi trường và là tác nhân làm động lực cải tiến việc tiêu thụ năng lượng.
Bảng 2. Khí nhà kính (CO2) của dây chuyền sản xuất bột cá trên năm.
|
Tổng năng lượng tiêu thụ |
Nfuel |
EFfuel |
CO2(emission) |
|
(TJ) |
(kgCO2/TJ) |
(kgCO2) |
|
|
Điện năng (TE) |
3,03317(*) |
25.3611,11(e) |
20.332.611,36 |
|
Củi trấu (TR) |
80,1724(**) |
100.000(n) |
303.316,92 |
|
Tổng phát thải (kgCO2/năm) |
20.635.928,28 |
||
|
(*): Nđiện(TJ)= TE (kWh)×3,6×10-6; (**): Ncủi(TJ)= TR (Tấn)×1.000×3.500(Kcal/kg)×4,18×10-9; (e):Hệ số phát thải lưới điện Việt Nam 0,9130 (tCO2/MWh) = 25.3611,11(kgCO2/TJ) (n): Phát thải của nhiên liệu sinh khối theo IPCC |
|||
Phân tích hiệu suất nồi hơi
Bảng 3. Dữ liệu cho tốc độ tải sinh khối, nhiệt độ, enthalpy and entropy trong nồi hơi
|
Dữ liệu nền |
Tốc độ tải |
Nhiệt độ |
Enthalpy |
Entropy |
|
(kg/h) |
(oC) |
(kJ/kg) |
(kJ/kgoC) |
|
|
Không khí, ma |
12.786,1 |
126,85 |
400,98 |
1,9919 |
|
Nhiên liệu sinh khối, mf |
1.923,1 |
2.192 |
15.473,2 |
1,7 |
|
Sản phẩm nhiệt, mp |
13.638,4 |
250 |
3.504,00 |
6,5 |
|
Nước, mw |
10.000 |
95,5 |
104,67 |
1,307 |
|
Hơi nóng, ms |
10.000 |
350 |
2.604 |
6,6 |
|
Khí thải, mg |
13.638,4 |
233 |
361,44 |
1,9 |
Bằng các lý thuyết và công thức từ số (5) đến số (15) được đưa ra trong phần phương pháp, cơ sở dữ liệu tại Bảng 3 đưa ra tính toán cân bằng năng lượng và hiệu suất của nồi hơi trong dây chuyền sản xuất được thể hiện qua Bảng 4
Bảng 4. Phân tích năng lượng và exergy cho buồng đốt, bộ trao đổi nhiệt, và nồi hơi
|
Thành phần |
Tiêu thụ năng lượng |
Thất thoát exergy |
Hiệu suất năng lượng, h |
Hiệu suất exergy, y |
|
(kJ/s) |
(kJ/s) |
(%) |
(%) |
|
|
Buồng đốt |
9.689,7 |
1.374,4 |
100 |
74,3 |
|
Bộ trao đổi nhiệt |
18.849,1 |
4.149,9 |
58,3 |
38,2 |
|
Nồi hơi |
28.538,8 |
5.224,3 |
84 |
32 |
Vì nồi hơi hiện tại được sử dụng có độ tin cậy cao và enthalpy cụ thể của nhiên liệu sinh khối được đánh giá sao cho bằng với giá trị nhiệt cao hơn (HHV = 15.986 kJ/kg the higher heating value), hiệu suất luôn đạt 100%. Như vậy năng lượng đầu vào của lò hơi là 53.946,88 (kJ/s) với hiệu suất =100%, điều này mang ý nghĩa là tất cả nhiệt lượng đều được đưa đến bộ trao đổi nhiệt của lò hơi và không gây thất thoát nhiệt ra môi trường. Thất thoát exergy của buồng đốt được tính toán dựa trên công thức số (7).
Giả sử buồng đốt hoạt động không bị thay đổi theo thời gian, không có tương tác liên quan đến năng lượng dị thường hoặc có nhưng không đáng kể, thất thoát exergy của buồng đốt bằng 1.374,4kJ/s với hiệu suất hiệu quả 74%. Có thể nói rằng sự thất thoát exergy là tương đối thấp vì nhiên liệu cho buồn đốt là củi trấu hoàn toàn đáng tin cậy và quá trình đốt cháy xảy ra hoàn toàn. Hiệu suất của năng lượng và exergy cho nồi hơi có thể được tính bằng tổng hiệu suất của buồng đốt và bộ trao đổi nhiệt.
Hình 4. Sơ đồ dòng chảy năng lượng trong nồi hơi
Thu hồi nhiệt thải từ khí thải của bộ tiết kiệm economizer
Tổng tiết kiệm năng lượng hàng năm khi sử dụng bộ tiết kiện tái sử dụng nhiệt thải trong nồi hơi công nghiệp được ước tính
TAESHR = 83.205,57 (GJ) × 18% × 30% = 4493,1(GJ) = 1.248.083,55 (kWh/year)
Phần trăm tăng hiệu suất nhiệt của lò hơi do lắp đặt bộ tiết kiệm có thể được tính từ phương trình sau
Giảm phát thải khi sử dụng bộ economizer được ước tính dựa trên TASE và hệ số phát thải lấy theo bảng trước và cho kết quả sau
Bảng 5. Giảm phát thải do dùng bộ economizer
|
Tổng năng lượng được tiết kiệm hàng năm (TAESHR) |
Nfuel |
EFfuel |
CO2(reduction) |
|
(TJ) |
(kgCO2/TJ) |
(kgCO2) |
|
|
Điện năng (163,79 GJ) |
0,16379 (*) |
25.3611,11 |
41.538,9 |
|
Củi trấu (4.329,31GJ) |
4,32931 (*) |
100.000 |
432.931 |
|
Tổng phát thải (kgCO2/năm) |
474.469,9 |
||
|
(*): N(TJ)= TAESHR (GJ)× 0,001; |
|||
4. Thảo luận
Sự phá hủy exergy và thay đổi hiệu quả exergy của bộ trao đổi nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ của hai dòng nóng và lạnh, tốc độ dòng nước khác nhau và nhiệt độ ban đầu từ buồng đốt điều này phù hợp. Việc cải tiến công nghệ động cơ nhiệt và nguyên liệu là điều khó khăn trong khi nhiệt thừa từ khí thải của lò hơi là một nguồn nhiệt rất có ích cho việc làm nóng nước cấp cho nồi hơi, từ đó cải thiện nhiệt độ và tốc độ dòng nước vào bộ trao đổi nhiệt. Ngoài ra, hiệu suất năng lượng và khả năng gây exergy của nồi hơi được thể hiện qua bảng lần lược là 84% và 32%. Hiệu quả không chỉ dựa trên năng lượng nhiệt cụ thể đầu vào của hơi nước mà còn dựa trên giá trị nhiệt của nhiên liệu và kết hợp tổn thất xảy ra do đốt cháy không hoàn toàn. Khi ứng dụng bộ tiết kiệm tận dụng nhiệt thải thì phần trăm hiệu suất nhiệt lò hơi là 5,4% và tiết kiệm năng lượng khoảng 2.529MWh trong nghiên cứu khác của cũng chỉ ra rằng nhiệt thừa có thể tận dụng được từ khí thải nồi hơi vào khoảng 190,51MJ/h.
5. Kết luận
Bài viết này đã trình bày kết quả tiêu thụ năng lượng cụ thể dựa trên việc thu thập số liệu thực tế của nhà máy nhằm đánh giá khả năng tiết kiệm năng lượng đồng thời giảm phát thải khí nhà kính. Các kết luận chính được nêu ra như sau: Kết quả cho thấy SEC lớn nhất, nhỏ nhất và trung bình lần lược là 30,2GJ/tấn, 3,87GJ/tấn và 12,04GJ/tấn. Điều này có nghĩa là hệ SEC càng bé thì định mức sử dụng năng lượng của dây chuyền giảm nhưng sản lượng vẫn đạt theo yêu cầu và ngược lại đối với SEC càng lớn. Đồng thời đánh giá tải lượng phát thải CO2 của nhà máy là 20.635.928,28 kg CO2/năm. Đánh giá mức tiêu thụ năng lượng tổng thể của nồi hơi là tương đối cao (28.538,8 kJ/s), lượng năng lượng này dùng để làm nóng và tạo ra hơi nước. Sự phá hũy exergy trong lò hơi cũng tương đối cao (5.224,3 kJ/s), bộ trao đổi nhiệt của lò hơi đóng góp số lượng lớn sự phá hũy exergy hơn so với buồng đốt cháy. Ngoài ra, hiệu suất năng lượng và khả năng gây exergy của nồi hơi được thể hiện qua bảng lần lược là 84% và 32%. Ứng dụng bộ tiết kiệm thu hồi nhiệt thải từ khí thải đã giảm được chi phí cho việc vận hành nồi hơi, tiết kiệm 5.4% mỗi năm cho việc tiêu thụ năng lượng. Thứ hai là giảm tác động đến môi trường từ việc giảm sử dụng năng lượng từ điện và nhiên liệu sinh khối, giảm phát thải 474,469.9 kg CO2/năm.
Lời cảm ơn
Tập thể tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Bộ Khoa học và Công nghệ đã tài trợ kinh phí thực hiện nghiên cứu này thông qua chương trình Tây Nam Bộ với hợp đồng số 24/2018/HĐ-KHCN-TNB.ĐT/14-19/C36. Xin cảm ơn đến Đại học Quốc gia TP.HCM, văn phòng chương trình Tây Nam Bộ, Viện Môi trường và Tài nguyên đã hỗ trợ, tạo mọi điều kiện thuận lợi để chúng tôi có thể hoàn thành nghiên cứu, xin cảm ơn các Sở Ban Ngành, đặc biệt là Sở Tài nguyên và Môi trường các tỉnh ĐBSCL đã hỗ trợ và cung cấp số liệu, tạo điều kiện khảo sát thực tế địa phương…
Xung đột lợi ích
Nhóm tác giả cam đoan rằng không có xung đột lợi ích trong công bố bài báo “Đánh giá khả năng tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu phát thải của hệ thống chế biến bột cá từ phụ phẩm bằng phân tích mức tiêu thụ năng lượng cụ thể (SEC)”.
Đóng góp của tác giả
Trần Trung Kiên, Trà Văn Tung, Nguyễn Thị Phương Thảo, Lê Quốc Vĩ, Trần Thị Hiệu, Nguyễn Việt Thắng, Nguyễn Hồng Anh Thư cùng thực hiện tất cả các bước và quy trình xây dựng kết quả của nghiên cứu này.
Trần Trung Kiên*, Trà Văn Tung, Nguyễn Thị Phương Thảo, Lê Quốc Vĩ, Trần Thị Hiệu, Nguyễn Việt Thắng, Nguyễn Hồng Anh Thư
Viện Môi trường và Tài nguyên - Đại học Quốc gia TP.HCM
(Nguồn: Bài đăng trên Tạp chí Môi trường, số Chuyên đề Tiếng việt IV/2020)
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Shepherd, J., Aquaculture: are the criticisms justified? Feeding fish to fish. World Agriculture, 2012. 3(2): p. 11-18.
2. Ghosh, P.R., et al., Progress towards sustainable utilisation and management of food wastes in the global economy. International journal of food science technology, 2016. 2016.
3. Miles, R.D. and F.A. Chapman, The benefits of fish meal in aquaculture diets. IFAS Extension, University of Florida, 2006: p. 1-2.
4. Rustad, T., Utilisation of marine by-products. Electronic Journal of Environmental, Agricultural and Food Chemistry, 2003. 2(4): p. 458-463.
5. Torres, J., et al., Recovery of by-products from seafood processing streams, in Maximising the value of marine by-products. 2007, Elsevier. p. 65-90.
6. Jackson, A. and J. Shepherd. The future of fishmeal and fish oil. in Second International Congress on Seafood Technology on Sustainable, Innovative and Healthy Seafood. 2012.
7. Edwards, P., L.A. Tuan, and G.L. Allan, A survey of marine trash fish and fish meal as aquaculture feed ingredients in Vietnam. 2004: ACIAR Working Paper
8. Naylor, R.L., et al., Feeding aquaculture in an era of finite resources. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2009. 106(36): p. 15103-15110.
9. Lawrence, A., et al., Specific energy consumption/use (SEC) in energy management for improving energy efficiency in industry: Meaning, usage and differences. Energies, 2019. 12(2): p. 247.
10. Kanoglu, M., I. Dincer, and M.A. Rosen, Understanding energy and exergy efficiencies for improved energy management in power plants. Energy policy, 2007. 35(7): p. 3967-3978.
11. Szargut, J. and D. Morris, Exergy Analysis of Thermal, Chemical, and Metallurgical Processes. 1988, Hemisphere Publishing Corporation, USA.
12. Huang, F., et al., Heat recovery potentials and technologies in industrial zones. Journal of the Energy Institute, 2017. 90(6): p. 951-961.
13. Saidur, R., et al. Energy and electricity consumption analysis of Malaysian industrial sector. in Proceedings of the Fourth International Conference on Thermal Engineering: Theory and Applications. 2009. Dubai, UAE.
14. Palamutcu, S., Electric energy consumption in the cotton textile processing stages. Energy, 2010. 35(7): p. 2945-2952.
15. IPCC, Energy in 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories. 2006, Intergovermental Panel on Climate Change.
16. Changel, Y.A. and M.A. Boles, Thermodynamics: An Engineering Approach fifth edition. 2006: McGraw-Hill Science.
17. Willems, D., Advanced system control and energy savings for industrial boilers. 2009, Northeast Midwest Institute: Washington, D.C.
18. Willems, D. and W.J.A.a.a.h. Pipkin, Does Your Boiler Need a Retrofit? 2009.
19. Tam, P., Studying the process of burning biomass from rice husks for fuel on an industrial scale. 2013, Da Nang University: Vietnam.
|
ASSESSMENT OF ENERGY SAVING AND EMISSION REDUCTION OF FISH MEAL PROCESSING SYSTEM FROM BY-PRODUCT BY SPECIFIC ENERGY CONSUMPTION ANALYSIS (SEC) Tran Trung Kien, Tra Van Tung, Nguyen Thi Phuong Thao, Le Quoc Vi, Tran Thi Hieu, Nguyen Viet Thang, Nguyen Hong Anh Thu. Institute for Environment and Resources, VNU-HCM ABSTRACT The purpose of this is to use specific energy consumption (SEC) to evaluate the overall energy efficiency for fishmeal processing from a catfish by-products factory with the capacity 6,500 ton/year. The economizer was installed in the chimney of the boiler to transfer heat to the boiler feedwater. The results indicate that it is a high potential to reuse/recycle waste energy from the boiler process to save energy consumption for the fishmeal processing factory. The economizer plays an important role in saving energy consumption and reducing greenhouse gas (GHG) emissions in the fishmeal process. Total saving energy consumption and reducing GHG emissions per year for the factory were 5.4%/year and 474.47 tonCO2/year, respectively. Estimate the use of energy from electricity and biomass fuel, reducing emissions by 474,469.9 kgCO2/year. Key word: fishmeal, specific energy consumtion (SEC), economizer, reducing GHG emissions, boiler performance. |
