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)
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)
(1)
Trần Trung Kiên*, Trà Văn Tung
Nguyễn Tị Phương Tảo, Lê Quốc Vĩ
Trần Tị Hiệu, Nguyễn Việt Tắng
Nguyễn Hồng Anh Tư
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. ông 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 lượt 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. ứ 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 kgCO2/năm.
Từ khóa: Bột cá, tiêu thụ năng lượng cụ thể (SEC), bộ tiết kiym, giảm phát thải, hiyu suất nồi hơi.
Nhận bài: 30/11/2020; Sửa chưa: /12/2020; uuyt tăng: 2 /12/2020.
1. Đặt vấn đề
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 cho gia súc và thủy sản nước ngọt
[7].
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
Sản xuất bột cá và dầu cá truyền thống là một quá
trình đòi hỏi nhiều năng lượng, lượng nguyên liệu lớn
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. ông 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
bột cá là sản xuất theo cách truyền thống (phơi nắng dụng năng lượng đã được sử dụng trong những năm
1 Viyn Môi trường và Tài nguuên – Đại học Quốc gia TP.HCM
62 Chuyên đề IV, tháng 12 năm 2020
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ
gần đây, sử dụng SEC để xác định cơ hội bảo tồn năng
lượng và cơ hội giảm thiểu CO từ hiệu quả năng lượng
trong các ngành công nghiệp. 2Sự 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, thất thoát exergy
của nồi hơi đã được phân tích.
Quá 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
phát 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].
(a)
(b)
▲Hình 1. (a) Phụ phẩm, (b) Hy thống sấu
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.
Phát thải CO2
Bộ tiết kiệm
Ống khói
Phụ phẩm
thủy sản
2. Vật liệu và phương pháp
Nước
nóng
2.1. Cách tiếp cận nghiên cứu
1
2
Hệ thống sấy bột cá
Hơi nóng
3
Nồi hơi
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 - 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).
Cấp khí, nhiên
liệu sinh khối
Máy sàn rung
Bể cung cấp
nước
Nước lạnh
Bơm cấp
Máy nghiền
Bột cá thành
phẩm
Làm nguội
Phân tích năng lượng và exergy
Tiêu thụ năng lượng cụ thể (SEC)
Tiết kiệm năng lượng từ tái sử dụng nhiệt thải
▲Hình 2. Cách tiếp cận nghiên cứu
Đánh giá hiệu quả năng lượng của nồi hơi cho thấy
việc sử dụng năng lượng 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 truyền qua các phần tử bề mặt mở
rộng vào nước cấp ngay trước khi nước vào nồi hơi. Do
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 sẽ áp dụng
Chuyên đề IV, tháng 12 năm 2020 63
đó, chúng làm tăng hiệu quả của lò hơi và có thêm lợi buồng đốt như hình, phân tích năng lượng and exergy
thế là giảm sốc nhiệt
cũng được chia làm hai phần được giải thích bên dưới
[16].
2.2. Tính toán tổng tiêu thụ năng lượng cụ thể SEC
- Dẫn Nhiệt;
- Chuyển đổi;
ông thường, SEC được tính như một tỷ lệ của năng
lượng 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]:
Khí thải
- Thất thoát.
Nhiên
liệu
- Không khí khô;
- H2 trong sinh khối;
nóng - Độ ẩm trong khí;
- Hoàn tất đốt cháy.
Bộ trao đổi
nhiệt
Hơi
Buồng đốt
Không
khí
Sinh nhiệt
Nước cấp
▲Hình 3. Sơ đồ nguuên lý buồng đốt và buồng trao đổi nhiyt
trong nồi hơi
Phân tích năng lượng và exergu 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:
Trong đó: J = Số đơn vị liên kết với nguồn năng
lượng i; Eit = sốilượng 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
Điều kiện, hf = enthalpy của nhiên liệu sinh khối
(kJ/kg), ha = enthalpy của không khí (kJ/kg).
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:
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
CO2(emissions) = N fuel × EFfuel
(2)
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).
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
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 (ηψ) và exergy (ψ) cho các
quá trình được xem xét trong nghiên cứu này dựa trên
các định nghĩa sau :
Ic= mfεf + ma εa - mpεp
= mf(hf - T0 sf) + ma (ha - T0 sa) - mp (hp - T0 sp) (7)
Trong đó, Ic = ất thoát exergy, εa: exergy trong
không khí, εf: exergy của nhiên liệu sinh học và εp:
exergy của sản phẩm. Với s , sa, s là entropy của nhiên
liệu sinh khối, không khí vfà sảnpphẩm. 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 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
64 Chuyên đề IV, tháng 12 năm 2020
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ
Trong đó: mp: tốc độ tải lượng nhiên liệu (kg/s), ε ,
εf = là exergy của nhiên liệu và sản phẩm, mf = tốc đpộ
tải của sản phẩm(kg/s)
Trong đó: TAES : Tổng tiết kiệm năng lượng hàng
năm của thu hồi nhiHệRt (kWh/year); %Bth: Tỷ lệ tăng hiệu
suất nhiệt của lò hơi do bộ tiết kiệm (%); AEC : Tiêu
thụ năng lượng hàng năm (điện và củi trấuk)W(hkWh/
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].
Phân tích năng lượng và exergu của bộ trao đổi nhiyt
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
3. Kết quả
Tiêu thụ năng lượng cụ thể cho dâu chuuền bột cá
Q = mH( hp - hg ) + mc ( hs - hw ) (9)
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.
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
Bảng 1. Tổng năng lượng tiêu thụ và SEC
Táng
Bột
cá(e)
Tiêu
thụ
điện (a)
Tiêu
thụ
củi
trấu
(b)
Tổng
năng
lượng
tiêu thụ
(n)
SEC
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:
(Tấn)
775
244
238
761
1.112
268
1.056
1.315
(kWh) (Tấn)
(GJ)
(GJ/tấn)
5,32
24,55
22,51
11,77
7,13
30,23
5,88
4,53
1
2
3
4
5
6
7
8
9
72.258
9.677
264
407
365
595
521
549
423
399
307
494
565
591
4.122,45
5.989,25
5.356,21
8.960,33
7.924,17
8.101,55
6.209,51
5.953,50
5.192,83
7.703,35
8.681,69
9.010,74
4.516
70.968
83.871
19.355
5.839
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
32.258
1.342 194.839
3,87
10,06
9,54
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
10
11
12
766
910
996
132.258
115.484
101.224
9,05
Tổng 9.783 842.547 5.480 83.205,57
--
Hiệu suất năng lượng và exergy của nồi hơi có thể
ước tính tổng thể dựa vào công thức sau
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,
Tận dụng nhiyt thải từ bộ tiết kiym 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
TAES HR = AECKWh × %fg × % HR (16)"
Phần trăm tăng hiệu suất nhiệt của lò hơi do lắp đặt
bộ tiết kiệm có thể được tính từ phương trình sau
Chuyên đề IV, tháng 12 năm 2020 65
chính vì vậy chỉ số SEC phản ánh đúng thực trạng của
Bằng các lý thuyết và công thức từ số (5) đến số (15)
nhà máy. eo kết quả từ Bảng 1 cho thấy, hiện tại nhà được đưa ra trong phần phương pháp, cơ sở dữ liệu tại
máy có ít nhất trên ba tháng có chỉ số SEC cao, điều này Bảng 3 đưa ra tính toán cân bằng năng lượng và hiệu
có nghĩa là chúng ta có cơ hội để tiết kiệm năng lượng suất của nồi hơi trong dây chuyền sản xuất được thể
để giảm chỉ số SEC và tăng sản phẩm.
hiện qua Bảng 4.
Phát thải nhà kính từ tiêu thụ năng lượng
Bảng 4. Phân tích năng lượng và exergy cho buồng đốt, bộ
trao đổi nhiệt, và nồi hơi
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 kg
CO2/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.
Tành
phần
Tiêu thụ
năng
lượng
Tất
thoát
exergy
Hiệu suất Hiệu suất
năng
exergy, ψ
lượng, η
(kJ/s)
Buồng đốt 9.689,7
(kJ/s)
1.374,4
4.149,9
(%)
100
58,3
(%)
74,3
38,2
Bộ trao
18.849,1
đổi nhiệt
Bảng 2. Khí nhà kính (CO2) của dây chuyền sản xuất bột
cá trên năm.
Nồi hơi
28.538,8
5.224,3
84
32
Tổng năng
lượng tiêu
thụ
Điện năng
(TE)
Nfuel
(TJ)
EFfuel
(kgCO2/TJ)
CO2(emission)
(kgCO2)
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 η =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. ất 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.
3,03317(*) 25.3611,11(e) 20.332.611,36
80,1724(**) 100.000(n) 303.316,92
Củi trấu
(TR)
Tổng phát thải (kgCO2/năm)
20.635.928,28
(*): Nđiyn(TJ) = T (kWh) × 3,6 × 10-6;
(**): Ncủi(TJ) = TER (Tấn) × 1.000 × 3.500(Kcal/kg) × 4,18 ×
10-9;
(e):Hy số phát thải lưới điyn Viyt Nam 0,9130 (tCO2/MWh)
= 25.3611,11(kgCO /TJ)
(n): Phát thải của n2hiên liyu 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
(kg/h)
Nhiệt độ Enthalpy Entropy
Khí thải
10.1%
(oC)
(kJ/kg) (kJ/kgoC)
Nhiên liệu
Sản phẩm nhiệt
sinh khối 85%
97,9%
Không
khí, ma
Nhiên
liệu sinh
khối, mf
Sản phẩm 13.638,4
nhiệt, mp
12.786,1
126,85
400,98
1,9919
Hơi nóng
53,3%
Sản phẩm nhiệt
100%
1.923,1
2.192
250
15.473,2
1,7
Buồng trao đổi nhiệt
Buồng đốt
Nước cấp
2,1%
Cấp khí
14,7%
3.504,00
6,5
Nhiệt thất thoát
36,6%
▲Hình 4. Sơ đồ dòng chảu năng lượng trong nồi hơi
u hồi nhiệt thải từ khí thải của bộ tiết kiệm
Nước, mw
Hơi
nóng, ms
Khí thải,
mg
10.000
10.000
95,5
350
104,67
2.604
1,307
6,6
economizer
13.638,4
233
361,44
1,9
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
66 Chuyên đề IV, tháng 12 năm 2020
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ
TAES = 83.205,57 (GJ) × 18% × 30% = 4493,1(GJ)
= 1.248.0H8R3,55 (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
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 CO của nhà máy là 20.635.928,28 kgCO2/
năm. Đánh gi2á 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
hủy 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 hủy 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 lượt 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. ứ 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 kgCO2/năm.
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
(TJ)
EFfuel
(kgCO2/
TJ)
CO2(reduction)
(kgCO2)
Điện năng
(163,79 GJ)
Củi trấu
(4.329,31GJ)
0,16379 25.3611,11
(*)
41.538,9
432.931
4,32931
(*)
100.000
Tổng phát thải (kg CO2/năm)
474.469,9
(*): N(TJ) = TAESHR (GJ) × 0,001;
4. Tảo luận
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 TN&MT
các tỉnh ĐBSCL đã hỗ trợ và cung cấp số liệu, tạo điều
kiện khảo sát thực tế địa phương…
Nhóm tác giả cam đoan 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)”.
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.
Nhóm tác giả: Trần Trung Kiên, Trà Văn Tung,
Nguyễn ị Phương ảo, Lê Quốc Vĩ, Trần ị Hiệu,
Nguyễn Việt ắng, Nguyễn Hồng Anh ư cùng thực
hiện tất cả các bước và quy trình xây dựng kết quả của
nghiên cứu này■
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Shepherd, J., Aquaculture: are the criticisms justified? Feeding
fish to fish. World Agriculture, 2012. 3(2): p. 11-18.
3. Miles, R.D. and F.A. Chapman, e benefits of fish meal in
aquaculture diets. IFAS Extension, Universitu of Florida,
2006: p. 1-2.
4. Rustad, T., Utilisation of marine bu-products. Electronic
Journal of Environmental, Agricultural and Food Chemistru,
2003. 2(4): p. 458-463.
2. Ghosh, P.R., et al., Progress towards sustainable utilisation
and management of food wastes in the global economu.
International journal of food science technologu, 2016. 2016.
Chuyên đề IV, tháng 12 năm 2020 67
5. Torres, J., et al., Recoveru of bu-products from seafood 12. Huang, F., et al., Heat recoveru potentials and technologies in
processing streams, in Maximising the value of marine bu-
products. 2007, Elsevier. p. 65-90.
industrial zones. Journal of the Energu Institute, 2017. 90(6):
p. 951-961.
6. Jackson, A. and J. Shepherd. e future of fishmeal and fish 13. Saidur, R., et al. Energu and electricitu consumption analusis
oil. in Second International Congress on Seafood Technologu
on Sustainable, Innovative and Healthu Seafood. 2012.
of Malausian industrial sector. in Proceedings of the Fourth
International Conference on ermal Engineering: eoru
and Applications. 2009. Dubai, UAE.
7. Edwards, P., L.A. Tuan, and G.L. Allan, A surveu of marine
trash fish and fish meal as aquaculture feed ingredients in 14. Palamutcu, S., Electric energu consumption in the cotton
Vietnam. 2004: ACIAR Working Paper
textile processing stages. Energu, 2010. 35(7): p. 2945-2952.
8. Naulor, R.L., et al., Feeding aquaculture in an era of finite 15. IPCC, Energu in 2006 IPCC Guidelines for National
resources. Proceedings of the National Academu of Sciences,
2009. 106(36): p. 15103-15110.
Greenhouse Gas Inventories. 2006, Intergovermental Panel on
Climate Change.
9. Lawrence, A., et al., Specific energu consumption/use (SEC) 16. Changel, Y.A. and M.A. Boles, ermodunamics: An
in energu management for improving energu efficiencu in
industru: Meaning, usage and differences. Energies, 2019.
12(2): p. 247.
Engineering Approach fifh edition. 2006: McGraw-Hill
Science.
17. Willems, D., Advanced sustem control and energu 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., Studuing the process of burning biomass from rice
husks for fuel on an industrial scale. 2013, Da Nang Universitu:
Vietnam.
10. Kanoglu, M., I. Dincer, andM.A. Rosen, Understandingenergu
and exergu efficiencies for improved energu management in
power plants. Energu policu, 2007. 35(7): p. 3967-3978.
11. Szargut, J. and D. Morris, Exergu Analusis of ermal,
Chemical, and Metallurgical Processes. 1988, Hemisphere
Publishing Corporation, USA.
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 Ti Phuong Tao, Le Quoc Vi
Tran Ti Hieu, Nguyen Viet Tang, Nguyen Hong Anh Tu
Institute for Environment and Resources, VNU-HCM
ABSTRACT
e 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. e economizer
was installed in the chimney of the boiler to transfer heat to the boiler feedwater. e 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. e 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 energu consumtion (SEC), economizer, reducing GHG emissions, boiler
performance
68 Chuyên đề IV, tháng 12 năm 2020
7 trang
11160
Free
Bạn đang xem tài liệu "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)", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- danh_gia_kha_nang_tiet_kiem_nang_luong_va_giam_thieu_phat_th.pdf
