Improving energy supply and use in the rice value chain using rice husk energy systems

Ngadi, Michael O. (Supervisor) Rice is the most rapidly growing source of food in Africa with profound implication for food security and welfare of poor urban and rural households. Its production within rural communities besides being laborious and energy intensive, raises concerns on issues such as energy efficiency, deforestation, rice husk disposal, greenhouse gas emission and smoke related health impact. The primary objectives of this work were to provide an alternative biomass energy supply and use through an integrated parboiling system. The study began with investigation of the thermal characteristics of rice husk and its briquette together with the evaluation of their potential of meeting parboiling energy demand. A thermogravimetric approach was used to study the devolatilization characteristics, reactivity, kinetics and ignition performance of rice husk and its briquette produced with different local starch binders. The devolatilization activation energies and frequency factors were within the range of 53.39 and 65.38 kJmol-1 and 2.1 x 105 – 20.6 x 105 min-1, respectively. It was found that, the current available rice husk could effectively and efficiently replace wood, achieving up to 67% wood savings, 63% greenhouse gas emission reduction and an annual parboiling energy expenditure reduction of 73%. Two thermochemical biomass conversion systems (TBCS) were developed and evaluated. A bottom lit downdraft gasifier designed to operate continuously was first developed and evaluated. The results indicated a fivefold improvement in efficiency (58.85%) over the three-stone fire (TSF) stove currently being used. A thermochemical equilibrium model was developed to understand the gasification principle and to estimate the gasifier's performance under different operating conditions. A second continuous TBCS was developed for direct combustion of rice husk. Experimental evaluation of the improved rice parboiling stove (IRPS) showed a thermal efficiency, fire power and specific energy consumption of 29±3%, 16±3kW and 0.14kg/kg rice husk, respectively. In the next step a fire tube heat exchanger extension was made to achieve energy use improvement which increased thermal efficiency from current 11.37±2.5% to 46.35±0.43 (a 407% improvement). Emission test conducted on the system revealed that CO and CO2 emission factors for rice husk combustion were in the range of 10.6-12 and 785-793 g/kg rice husk, respectively. These were much lower than fuel wood (36.3 – 42.7 and 1519-1531 g/kg wood) implying a reduction of up to 10.4 kg of CO and 227.4 kg of CO2 per tonne of paddy processed when compared with the TSF stove. To complete the integrated steaming and drying system (ISDS), a recirculating dryer was designed and fabricated. A thermodynamic performance evaluation resulted in an overall energetic and exergetic efficiencies of 47.81 and 10.93%, respectively. To enable quick evaluation of rural parboiling systems, an excel-based energy assessment framework was developed. Finally, a comparative life cycle analysis (LCA) and techno-economic analysis (TEA) were performed. Using a functional unit of one tonne and four impact categories, the normalised result demonstrated that overall, current practice impact the environment five time more than the ISDS, implying that up to 80% of the impact can be mitigated with ISDS. For the economic viability, a financial analysis was used to examine the systems' cost-effectiveness from a potential buyer's perspective using four financial criteria while an economic analysis was used to evaluate the systems' worth from societal point of view. The profitability evaluation shows that even without subsidy/grants, the system is attractive with a profitability index of 2.25. The benefit-cost analysis showed a ratio of 1.74 – 6.5 at different discount rates (5-25%). On assiste présentement à une explosion de la production de riz à titre de culture vivrière en Afrique. Cette nouvelle production permet d'améliorer la sécurité alimentaire et le bien-être des populations à faibles revenus. Sa production au sein des communautés rurales en plus d'être laborieuse et consommatrice d'énergie, suscitent des inquiétudes sur les questions d'efficacité énergétique, de déforestation, de la balles de riz élimination, des émissions de gaz à effet de serre et l'impact sur la santé a la fumée lié. Cette étude a permis de développer de nouveaux systèmes des transformation qui combinent à la fois le procédé d'étuvage à celui du séchage (ISDS) en utilisant comme source d'énergie les résidus de balle de riz. Cette approche est bien adaptée aux besoins des transformateurs de riz d'Afrique rurale. A partir des résultats obtenus, deux systèmes de conversion thermochimique de la biomasse (TBCS) ont été construits, évalués et comparés. Le premier système était un gazéificateur à courant descendant conçu pour fonctionner en continu. Les résultats ont indiqué une amélioration de l'efficacité énergétique de l'ordre de 58,85% lorsque comparé au poêle traditionnel sur feu à trois pierres (TSF). Un modèle thermochimique a été développé pour représenter le processus de gazéification et pour prédire la performance du gazéificateur. Le deuxième système de conversion de la biomasse en continu était un poêle à combustion pouvant utiliser directement les résidus de balle de riz. L'évaluation expérimentale de l'étuvage sur ce type de poêle amélioré (IRP) a permis d'établir l'efficacité thermique, la puissance et la consommation d'énergie spécifique. Ces valeurs étaient de 28,7 ± 2,7%, 15,9 ± 3,2 kW et de 0,14 ± 0,01 kg / kg de balle de riz, respectivement.La partie suivante a consisté à améliorer l'utilisation de l'énergie dans ce procédé. La première étape était d'améliorer le processus de transfert d'énergie. Une extension de l'échangeur de chaleur à tubes à flamme a été ajoutée pour améliorer l'efficacité tout en maintenant la production en continu de la vapeur. Cette modification a permis d'augmenter l'efficacité thermique de 11,37 ± 2,5% à 46,4 ± 0,4% soit une augmentation de près de 407%. Les tests d'émission réalisés sur le système ont indiqué que les émissions de CO et CO2 étaient de l'ordre 10,6 à 12, et de 785 à 793 g/kg de combustible lorsque les balles de riz étaient utilisées. Ces émissions étaient nettement inférieures à celles obtenues avec le bois de chauffage qui étaient de 36,3 à 42,7 et de1 519 -1 531 g / kg de bois dans un poêle traditionnel TSF. On observe donc une réduction nette de 10,4 kg de CO et de 227,4 kg de CO2 par tonne de riz brut transformé. Par la suite, un système de récupération de chaleur à air chaud a été ajouté à l'unité de production de vapeur afin d'utiliser cette énergie pour le séchage. Une unité de recirculation pneumatique a été ajoutée au système ISDS pour en compléter l'intégration. L'évaluation du rendement thermodynamique du système ISDS complet a démontré que les efficacités énergétiques et exérgétiques étaient de 47,8 et 10,9%, respectivement. Pour permettre une évaluation rapide des systèmes d'étuvage rurales, un programme basé sur Excel a été développé pour l'evaluation de l'energie et de l'exergie.Une analyse comparative du cycle de vie (ACV) et une analyse technico-économique (TEA) ont été effectuées pour valider l'impact bénéfique sur l'environnemental et la viabilité économique de l'ISDS. L'analyse était basée sur l'utilisation d'une unité fonctionnelle d'une tonne de riz étuvé, et quatre catégories d'impact. Les résultats normalisés ont démontré que dans l'ensemble, l'impact du système IRPS sur l'environnement était de cinq fois plus élevé que pour l'ISDS. Le remplacement du procédé actuel par l'ISDS permettrait donc une réduction de près de 80% de l'impact environnemental.