Upload
duc-le-van
View
56
Download
1
Embed Size (px)
DESCRIPTION
nghiên-cứu-công-nghệ-sản-xuất-nhiên-liệu-rắn-từ-chất-thải-plastic-và-vỏ-trấu
Citation preview
ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
BÁO CÁO NGHIỆM THU
(Đã chỉnh sửa theo góp ý của Hội đồng nghiệm thu)
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT
NHIÊN LIỆU RẮN TỪ CHẤT THẢI PLASTIC VÀ VỎ TRẤU
CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI
CƠ QUAN QUẢN LÝ CƠ QUAN CHỦ TRÌ
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
THÁNG 06/ 2009
II
TÓM TẮT
Đề tài nghiên cứu này đề cập đến công nghệ sản xuất nhiên liệu rắn từ chất thải plastic
và vỏ trấu. Xuất phát từ thực trạng chất thải plastic tại Thành phố Hồ Chí Minh ngày
càng gây nên những khó khăn trong quản lý và xử lý; và khối lượng vỏ trấu khổng lồ
thu được từ quá trình xay xát gạo tại Khu vực Đồng bằng Sông Cửu long (khoảng 3.5
triệu tấn mỗi năm) chưa được sử dụng có hiệu quả và đang gây ra những vẫn đề ô
nhiễm môi trường nước, đề tài này đưa ra một phương án công nghệ khả thi – thông
qua quá trình đùn ép có gia nhiệt nguyên liệu chất thải plastic và vỏ trấu – để tạo thành
một loại nhiên liệu rắn mới sử dụng được trong các lò đốt công nghiệp.
Chất thải plastic được ưu tiên sử dụng trong khuôn khổ nghiên cứu đề tài là các loại
sản phẩm sử dụng một lần : túi xốp, bao bì thực phẩm, hộp đựng thức ăn nhanh, … có
thành phần chủ yếu là PE, PP, PS, EVA. Về cơ bản, ưu điểm của chất thải plastic là
nhiệt trị cao (khoảng 10.000 kcal/kg), tuy nhiên plastic cháy rất nhanh và không hoàn
toàn. Trong khi đó, vỏ trấu là một loại nguyên liệu tái tạo và sạch (hàm lượng lưu
huỳnh rất thấp), sẵn có tại Việt Nan. Nhược điểm của vỏ trấu là khối lượng riêng đổ
đống nhỏ (80 ~ 100 kg/m3), nhiệt trị thấp và khó bắt cháy.
Kết hợp chất thải plastic và vỏ trấu, bằng quy trình đùn ép có gia nhiệt, hầu như đã
khắc phục được các nhược điểm nêu trên của hai loại nguyên liệu này. Các kết quả
nổi bật của đề tài có thể được tóm tắt như sau :
- Quá trình đùn ép có gia nhiệt có thể được sử dụng để sản xuất nhiên liệu rắn, trong
đó tỷ lệ vỏ trấu chiếm đến 90 %kl, chất thải plastic đóng vai trò chất kết dính.
- Tỷ lệ vỏ trấu và nhiệt độ đùn ép là hai thông số chính ảnh hưởng đến quá trình đùn
ép và tính chất sản phẩm thu được.
- Khối lượng riêng đổ đống của sản phẩm nhiên liệu rắn tăng đáng kể so với vỏ trấu
(mẫu sản phẩm có tỷ lệ vỏ trấu 80% có khối lượng riêng đổ đống khoảng 600
kg/m3, gấp khoảng 6 lần vỏ trấu)
- Nhiệt trị của sản phẩm nhiên liệu rắn cao hơn vỏ trấu ít nhất là 1,5 lần (mẫu sản
phẩm chứa 80%kl vỏ trấu) và cao nhất là 2,6 lần (mẫu sản phẩm chứa 30%kl vỏ
trấu)
- Sản phẩm thu được dễ cháy, cháy hết (tro thu được không dính), hàm lượng CO,
NOx trong khí thải nằm trong giới hạn cho phép quy định tại TCVN 5939:2005.
Ngoài ra chúng tôi cũng khảo sát ảnh hưởng đến môi trường của quá trình đùn ép,
khảo sát khả năng sử dụng sản phẩm trong lò đốt quy mô công nghiệp và tính toán sơ
bộ hiệu quả kinh tế của sản phẩm nhiên liệu rắn. Các kết quả thu được khá khả quan
và là cơ sở tương đối vững chắc cho một dự án sản xuất thử nghiệm trong tương lai.
III
ABSTRACT
This research work deals with the manufacturing process of solid fuel from plastic
wastes and rice husk. Based on the facts that (i) accumulated plastic wastes in
Hochiminh City poses many problems in management and treatment; and (ii) an
enormous amount of rice husk, collectable in Mekong Delta area, is not yet effectively
utilized but rising some concerns for the water environment, this research proposes a
feasible method – relied on an extrusion process with heating – to produce a new kind
of solid fuel, which may find application in industrial scale fire-heater.
The preferred plastic wastes are those of short-term used products, such as plastic bag,
food packaging materials, plastic films, … , which are mainly consisted of PE, PP, PS,
EVA. Basically, the advantage of plastic lies on its high calorific value (c.a. 10,000
kcal/kg). However, plastics burn rather fast and incompletely. On the other hand, rice
husk is a renewable resource, clean and readily available in huge amount in Vietnam.
Disadvantages of rice husk include low bulk density, low heating value. It is also hard
to ignite.
Combination of plastic wastes and rice husk in an extruder with heating almost fully
eliminates aforementioned drawbacks of these two starting materials. Highlịghts of
this study can be summarized as follows:
- Extrusion process is successful in producing the solid fuel from plastic wastes and
rice husk. Plastic plays the role of binding agent. Rice husk content in the mixture
can be as high as 90 wt%.
- Rice husk content and extrusion temperature are the two key factors in defining the
outcome of extrusion process, and in determining the properties of final products.
- Bulk density of the solid fuel increases significantly compared to that of rice husk
(sample containing 80wt% rice husk has a bulk density of 580 kg/m3, which is 6
times of that of rice husk)
- Calorific value of the solid fuel is atleast 1.5 times of that of rice husk, in case of
80wt% rice husk containing sample. Among the sample prepared, a maximum
increase of 260% in calorific value is observed for sample of 30wt% rice husk.
- The solid fuel is burned easily and completely with unsticky ash. The content of
CO, NOx in the exhaust gas is within the allowable level, regulated in TCVN
5939:2005.
Besides, investigation of extrusion environment, the usability of the solid fuel in an
industrial scale fire-heater and a brief economic estimation for the manufacturing
process are carried out with positive results. With these results, the extrusion process
and the solid fuel products are believed to be applicable in large scale and may become
a strong candidate for replacing coal in numerous industrial applications.
IV
MỤC LỤC
TÓM TẮT ............................................................................................................................................. II
ABSTRACT ......................................................................................................................................... III
MỤC LỤC ............................................................................................................................................ IV
DANH SÁCH HÌNH VẼ ..................................................................................................................... VI
DANH SÁCH BẢNG BIỂU ............................................................................................................. VIII
PHẦN MỞ ĐẦU .................................................................................................................................. IX
Giới thiệu ................................................................................................................................................ 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................................................. 3
1.1 Vỏ trấu: ................................................................................................................................... 3
1.1.1 Giới thiệu: ....................................................................................................................... 3
1.1.2 Các ứng dụng của vỏ trấu ............................................................................................... 5
1.2 Plastic ................................................................................................................................... 11
1.2.1 Plastic trong rác thải rắn .............................................................................................. 11
1.2.2 Các hướng xử lý chất thải plastic ................................................................................. 13
1.3 Nhiên liệu rắn ....................................................................................................................... 21
1.4 Kỹ thuật đùn ép .................................................................................................................... 21
CHƢƠNG 2 : THỰC NGHIỆM ........................................................................................................ 26
2.1 Lý do lựa chọn phương pháp đùn ép .................................................................................... 26
2.2 Nguyên liệu .......................................................................................................................... 27
2.1.1 Vỏ trấu .......................................................................................................................... 27
2.1.2 Chất thải plastic ............................................................................................................ 27
2.3 Thiết bị ................................................................................................................................. 28
2.4 Quy trình đùn ép ................................................................................................................... 29
2.5 Phân tích tính chất sản phẩm ................................................................................................ 30
2.6 Đốt thử nghiệm và thành phần khí thải ................................................................................ 31
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ........................................................................................ 33
3.1 Cảm quan sản phẩm: ............................................................................................................ 33
3.2 Khối lượng riêng và khối lượng riêng đổ đống: ................................................................... 35
3.3 Độ bền nén: .......................................................................................................................... 37
V
3.4 Nhiệt trị ................................................................................................................................ 39
3.5 Hiệu suất thu sản phầm và hiệu suất năng lượng của quá trình đùn ép ................................ 43
3.5.1 Hiệu suất thu sản phẩm ................................................................................................. 43
3.5.2 Tính toán hiệu suất năng lượng của quá trình đùn ép .................................................. 44
3.6 Quá trình cháy của sản phẩm và hàm lượng khí thải: .......................................................... 45
3.6.1 Đốt thử nghiệm sản phẩm tại lò đốt tự chế: .................................................................. 45
3.6.2 Đốt thử nghiệm sản phẩm tại lò đốt công nghiệp: ........................................................ 47
3.7 Mức độ gây ô nhiễm của quá trình đùn ép ........................................................................... 51
3.8 Tính toán sơ bộ tính kinh tế của quy trình công nghệ .......................................................... 52
CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 56
4.1 Kết luận: ............................................................................................................................... 56
Những kết quả đạt được từ đề tài này được tóm tắt như sau: . Error! Bookmark not defined.
.............................................................................................................................. 57
Các tài liệu tham khảo chính .............................................................................................................. 59
PHỤ LỤC A : MÔ TẢ CHI TIẾT THIẾT BỊ ĐÙN ÉP MỘT TRỤC VÍT .................................... 60
PHỤ LỤC B : CÁC KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ................................................................................... 64
VI
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1. 1. Vỏ trấu ............................................................................................................ 3
Hình 1. 2: Sản lượng lúa từ 1976 – 2006 [3] ................................................................... 5
Hình 1. 3: Một số lò đốt trấu ở vùng nông thôn .............................................................. 7
Hình 1. 4: Trấu sử dụng để nấu thức ăn trong chăn nuôi ................................................ 7
Hình 1. 5: Trấu được sử dụng để đốt lò trong sản xuất gạch .......................................... 7
Hình 1. 6 Thiết bị ép đùn củi trấu và sản phẩm củi trấu ................................................. 8
Hình 1. 7 Mô hình hệ thống khí hóa phát điện sử dụng vỏ trấu [7] ................................ 9
Hình 1. 8: Hình chụp rác thải ở bãi rác tại Quận Tân Bình ........................................... 13
Hình 1. 9: Quy trình tại chế nhựa theo phương pháp cơ học ........................................ 15
Hình 1. 10: Các quá trình tái chế hoá học [11] .............................................................. 16
Hình 1. 11: Quy trình Veba Oel - nhiệt phân và hydro hoá chất thải plastic [12] ........ 17
Hình 1. 12: Quy trình Texaco – khí hoá plastic [12] ..................................................... 18
Hình 1. 13: Quy trình tái chế nhựa PET [13] ................................................................ 18
Hình 1. 14: Nhiệt trị của một số nhiên liệu và chẩt thải [13] ........................................ 20
Hình 1. 15 Cấu tạo đơn giản của máy đùn ép................................................................ 22
Hình 1. 16 Một số loại vít đùn thông dụng.................................................................... 23
Hình 1. 17 Cấu trúc vít đùn và các thông số thiết kế .................................................... 24
Hình 1. 18 Máy đùn (a) một trục vít; (b) hai trục vít quay cùng chiều; và (c) hai trục vít
quay ngược chiều ........................................................................................................... 24
Hình 2. 1 Nguyên liệu vỏ trấu ....................................................................................... 27
Hình 2. 2: Nguyên liệu plastic phế thải ......................................................................... 28
Hình 2. 3: Máy đùn tiến hành quá trình thí nghiệm ...................................................... 28
Hình 2. 4 Lò đốt tự chế .................................................................................................. 32
Hình 3. 1 Sản phẩm nhiên liệu rắn ................................................................................ 34
Hình 3. 2 Độ xốp của sản phẩm với hàm lượng ẩm khác nhau ..................................... 34
Hình 3. 3: Sự biến đổi khối lượng riêng theo tỷ lệ trấu và nhiệt độ .............................. 36
VII
Hình 3. 4 Thời gian lưu của nguyên liệu theo tỷ lệ vỏ trấu và nhiệt độ đùn ép ............ 36
Hình 3. 5 Độ bền nén theo tỷ lệ trấu và nhiệt độ đùn .................................................... 38
Hình 3. 6 Ảnh hưởng độ ẩm đối với độ bển nén ........................................................... 39
Hình 3. 7 Ảnh hưởng của tỷ lệ trấu và nhiệt độ đùn đối với nhiệt trị ........................... 40
Hình 3. 8 Độ chênh lệch giữa nhiệt trị đo và nhiệt trị tính toán .................................... 41
Hình 3. 9 Nhiệt trị đo được của các mẫu T70-240 theo hàm lượng ẩm ........................ 42
Hình 3. 10 Hiệu suất quá trình đùn ép ........................................................................... 43
Hình 3. 11 Hình ảnh minh hoạc quá trình cháy của sản phẩm trong lò đốt tự chế : (a)
T60; (b) T70 và (c) T80 ................................................................................................. 46
Hình 3. 12 Quá trình đốt nhiên liệu tại lò đốt - Công ty Phước Đạt ............................. 48
Hình 3. 13 Quá trình cháy của nhiên liệu và khí thải sinh ra trong quá trình đốt ......... 49
Hình 3. 14 Đo thành phần khí thải tại Công ty Phước Đạt............................................ 50
Hình 3. 15 Một vài hình ảnh quá trình đùn ép............................................................... 52
Hình 3. 16 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất nhiên liệu rắn ..................................... 54
VIII
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1 Thành phần hoá học trong vỏ trấu .................................................................. 4
Bảng 1. 2 So sánh nhiệt trị và chi phí của một số dạng năng lượng [1] .......................... 6
Bảng 1. 3 Năng lượng chứa trong chất thải rắn ............................................................. 12
Bảng 1. 4 Mã số ký hiệu và mục đích sử dụng của một số loại nhựa thông dụng ........ 15
Bảng 2. 1 Tính chất tổng quát của vỏ trấu ..................................................................... 27
Bảng 2. 2 Các chế độ nhiệt độ cài đặt cho thiết bị đùn ép ............................................ 29
Bảng 2. 3 Tỷ lệ vỏ trấu / chất thải plastic trong hỗn hợp nguyên liệu .......................... 29
Bảng 2. 4 Ký hiệu mẫu và điều kiện đùn ép .................................................................. 31
Bảng 3. 1 Khối lượng riêng và khối lượng riêng đổ đống của mẫu sản phẩm .............. 35
Bảng 3. 2 Độ bền nén của sản phẩm ............................................................................. 38
Bảng 3. 3 Kết quả đo nhiệt trị của nguyên liệu và sản phẩm ........................................ 40
Bảng 3. 4 Nhiệt trị của một số nhiên liệu thông dụng ................................................... 42
Bảng 3. 5 Số liệu và kết quả tính toán HSNL của quy trình đùn ép ............................. 45
Bảng 3. 6 Thành phần khí thải khi đốt sản phẩm trong lò đốt tự chế ........................... 46
Bảng 3. 7 So sánh tiêu hao nhiên liệu giữa củi trấu và sản phẩm của đề tài ................. 49
Bảng 3. 8 Thành phần khí thải lò đốt Công ty Phước Đạt ............................................ 50
Bảng 3. 9 Kết quả đo đạc chất lượng không khi trong và ngoài xưởng, trước và trong
khi vận hành thiết bị đùn ép .......................................................................................... 51
Bảng 3. 10 Ước tính chi phí sản xuất quy trình công nghệ đùn ép 500 kg nguyên liệu/h
(tính trung bình cho 1 giờ sản xuất) .............................................................................. 53
IX
PHẦN MỞ ĐẦU
Tên đề tài: Tên đề tài: Nghiên cứu công nghệ sản xuất nhiên liệu
rắn từ chất thải plastic và vỏ trấu
Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Vĩnh Khanh
Cơ quan chủ trì: Trường Đai học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM
Thời gian thực hiện đề tài: 12/2007 – 12/2008
Kinh phí đƣợc duyệt: 220.500.000 đ
Kinh phí đã cấp: 202.000.000 đ theo TB số : 320/TB-SKHCN ngày 21/12/07
theo TB số : /TB-SKHCN ngày / /09
Mục tiêu: Xây dựng quy trình công nghệ và thiết bị quy mô phòng
thí nghiệm 10 kg nguyên liệu/h, sản xuất nhiên liệu rắn từ
chất thải plastic và vỏ trấu.
Nội dung :
- Nghiên cứu công nghệ sản xuất nhiên liệu rắn từ chất thải plastic và trấu:
+ Nghiên cứu quá trình đùn ép: ảnh hưởng của các thông số của quá trình: nhiệt
độ đùn, tốc độ đùn, … lên các tính chất vật lý của sản phẩm (khối lượng
riêng, khối lượng riêng đống, độ cứng cơ học, …)
+ Nghiên cứu tỷ lệ (khối lượng) trấu tối ưu, và ảnh hưởng của tỷ lệ trấu đến tính
chất vật lý của sản phẩm
+ Nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm của nguyên liệu lên các tính chất vật lý của
sản phẩm
+ Đánh giá mức độ ô nhiễm của quá trình đùn ép chất thải plastic và trấu tạo ra
sản phẩm
- Đánh giá chất lượng sản phẩm tạo ra:
+ Đánh giá khả năng cháy, nhiệt trị của sản phẩm nhiên liệu rắn tạo ra
+ Phân tích và đánh giá hàm lượng khí thải sinh ra khi đốt nhiên liệu sản phẩm
+ So sánh chất lượng của sản phẩm tạo ra với than là một dạng nhiên liệu phổ
biến hiện nay
Sản phẩm :
- Báo cáo nghiệm thu đề tài
- 01 báo cáo (oral presentation) tại Hội thảo Khoa học Quốc tế “International
Conference on Environment and Natural Resources - ICENR 2008” do Viện Môi
trường và Tài nguyên – Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh tổ chức ngày 17-
18/03/2008 , bài được chọn đăng toàn văn trong kỷ yếu.
- 01 báo cáo (oral presentation) tại Hội thảo Khoa học Quốc tế “International
Workshop on Automotive Technology, Engine and Alternative Fuel”, do Sở Khoa
X
học Công nghệ Tp HCM, Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Lọc hoá dầu và Khoa
Kỹ thuật Giao thông Trường ĐHBK, Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Dầu khí
thuộc Viện Dầu khí Việt Nam đồng tổ chức , ngày 22/12/2008, bài được chọn đăng
toàn văn trong kỷ yếu.
- 01 báo cáo (oral presentation) tại Hội thảo Khoa học “An toàn – Sức khoẻ - Môi
trường” do Trường Đại học Tôn Đức Thắng tổ chức ngày 20/05/2009, bài được
chọn đăng toàn văn trong kỷ yếu.
- 04 luận văn đại học đã bảo vệ
- Tham gia Ngày hội tái chế do Quỹ Tái chế - Sở Tài nguyên và Môi trường TP.
HCM tổ chức, Tháng 4/2008
- Tham gia Hội chợ Techmart & Industrial Zones 2008, do Sở Khoa học và Công
nghệ TP. HCM tổ chức, Tháng 10/2008
1
Giới thiệu
Hiện tại, mỗi ngày tại Thành phố Hồ Chí Minh, khoảng hơn 6000 tấn rác được thải ra
và đưa về các bãi xử lý và chôn lấp Đa Phước và Phước Hiệp, trong đó khoảng 3%,
tương đương với 180 tấn là chất thải plastic, chủ yếu là các loại sản phẩm plastic có
mục đích sử dụng một lần hoặc trong thời gian ngắn : túi xốp, vỏ hộp đựng cơm, bao
bì thực phẩm hoặc các đồ dùng gia dụng khác, ... Các sản phẩm plastic kể trên được
sản xuất chủ yếu từ các loại nhựa PE, PP, PS, ... có tuổi thọ rất lớn và rất khó tự phân
huỷ khi được thải ra. Biện pháp xử lý các chất thải plastic này tại các bãi xử lý rác chủ
yếu là đốt bỏ hoặc chôn lấp, gây ra các vấn đề như : phí phạm năng lượng, ô nhiễm
môi trường, quá tải quỹ đất chôn lấp, ... Việc nghiên cứu tận dụng các loại chất thải
plastic này trong các ứng dụng hợp lý hơn là một việc làm rất đáng quan tâm.
Trong việc lựa chọn phương án xử lý chất thải plastic sinh hoạt, hai yếu tố cần được
quan tâm xem xét là ảnh hưởng môi trường và hiệu quả kinh tế. Trong hình vẽ dưới
đây, hai yếu tố này được đánh giá sơ bộ cho một vài phương pháp xử lý / tái sử dụng
chất thải plastic tiêu biểu nhất [1].
2
Có thể thấy rằng một phương pháp xử lý chất thải plastic khá an toàn và kinh tế là sản
xuất nhiên liệu rắn (refused plastic fuel – RPF) với mục đích thu hồi năng lượng. Về
bản chất, với phương pháp này, chất thải plastic được nén tại áp suất cao hoặc đùn ép
tạo thành viên. Cả hai quy trình trên đều khá đơn giản và dễ ứng dụng ở quy mô lớn.
Vỏ trấu chiếm khoảng 20 %kl của thóc. Tại đồng bằng sông Mêkông, hàng triệu tấn
trấu được tạo thành / thải ra mỗi năm từ các nhà máy xay xát, trong đó chỉ một lượng
nhỏ được tận dụng đốt trong các mục đính dân dụng. Với khối lượng riêng đổ đống
thấp – gây ra khó khăn trong vận chuyển - và nhiệt trị thấp, việc đốt vỏ trấu trong nhà
máy nhiệt điện chưa thể được triển khai rộng rãi.
Nghiên cứu của chúng tôi mong muốn đưa ra một quy trình công nghệ đùn ép đơn
giản để sản xuất nhiên liệu rắn từ chất thải plastic sinh hoạt và vỏ trấu, là hai nguồn
chất thải rẻ tiền và sẵn có tại Việt Nam. Sản phẩm nhiên liệu rắn thu được có những ưu
điểm so với vỏ trấu như khối lượng riêng đổ đống lớn hơn, nhiệt trị cao hơn, dễ vận
chuyển hơn; và so với chất thải plastic : dễ cháy hoàn toàn hơn, khí thải sinh ra ít ô
nhiễm hơn ; và có tiềm năng trong việc thay thế than đá.
3
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Vỏ trấu:
1.1.1 Giới thiệu:
Việt Nam là nước có nền văn minh lúa nước rất lâu đời, từ lâu cây lúa đã gắn liền
với đời sống của nhân dân. Ngoài việc tạo ra nguồn thực phẩm chính là gạo, thì các
phụ phẩm của quá trình thu hoạch và xay xát lúa đã được người nông dân tận dụng vào
một số công việc như : rơm được trộn với đất sử dụng làm vách nhà, cho gia súc ăn,
làm chất đốt, hoặc ủ làm phân; rạ được dùng để lợp mái nhà; trấu được sử dụng làm
chất đốt hay trộn với đất sét làm vật liệu xây dựng…
Hình 1. 1. Vỏ trấu
Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xay xát,
chiếm khoảng 18 – 25% kl thóc. Bảng 1.1 trình bày thành phần hoá học và một số tính
chất cơ bản của vỏ trấu. Trong vỏ trấu chứa khoảng 75 - 80% chất hữu cơ dễ bay hơi
sẽ cháy trong quá trình đốt và khoảng 20 - 25% còn lại chuyển thành tro. Chất hữu cơ
chứa chủ yếu cellulose, lignin và hemi - cellulose (90%), ngoài ra có thêm thành phần
khác như hợp chất nitơ và vô cơ. Lignin chiếm khoảng 25-30% và cellulose chiếm
khoảng 35-40%. Các chất hữu cơ của trấu là các mạch polycarbohydrat rất dài nên hầu
hết các loài sinh vật không thể sử dụng trực tiếp được, nhưng các thành phần này lại
rất dễ cháy nên có thể dùng làm chất đốt. Trong khi đó, tro còn lại sau khi đốt vỏ trấu
có chứa đến hơn 80%kl là silic oxyt, đây là một chất có giá trị vì có nhiều ứng dụng
trong công nghiệp xi măng và xử lý nước thải.
4
Bảng 1. 1 Thành phần hoá học trong vỏ trấu [2]
Phân tích thành phần vỏ trấu
% Khối lượng Ẩm Khô
Carbon (%) 34,61 38,43
Hydrogen (%) 3,79 2,97
Nitrogen (%) 0,44 0,49
Oxygen(%) 41,58 36,36
Sulphur (%) 0,06 0,07
Hàm lượng chất bay hơi (%) 55,54 61,68
Hàm lượng carbon cố định (%) 14,99 16,65
Hàm lượng tro (%) 23,39 21,68
Độ ẩm (%) 6,08 0,00
Nhiệt trị (kJ/kg – kcal/kg) 13.800 –
3.300
15.324 –
3.670
Vỏ trấu là nguồn nguyên liệu rất dồi dào và rẻ tiền. Mỗi năm nước ta sản xuất 35 – 36
triệu tấn lúa, như vậy lượng vỏ trấu thu được sau xay xát khoảng 7,4 triệu tấn. tương
đương 2,16 tấn quy dầu chiếm 17,9% năng lượng sinh khối của cả nước. Sản lượng lúa
từ mức 11,8 triệu tấn năm 1976, tăng lên tới 17 triệu tấn năm 1986 và vượt ngưỡng 20
triệu tấn vào năm 1992, nhanh chóng đạt trên mức 30 triệu tấn năm 1998, và duy trì
trên mức 35 triệu tấn cho đến nay. Sản lượng lúa năm 2007 của cả nước đạt khoảng 37
triệu tấn, trong đó, lúa đông xuân 17,7 triệu tấn, lúa hè thu 10,6 triệu tấn, lúa mùa 8,7
triệu tấn. Hình 1.2 biểu thị sản lượng lúa trong giai đoạn từ 1976 – 2006. Với sản
lượng lúa ổn định, nguồn vỏ trấu cũng sẽ chắc chắn được đảm bảo cho những ứng
dụng tiềm năng sử dụng vỏ trấu làm nguyên liệu.
Một ưu điểm khác của vỏ trấu là “sạch”. Có thể nhận thấy trong thành phần hoá học
của vỏ trấu, hàm lượng lưu huỳnh là rất nhỏ, vì vậy khi sử dụng trấu làm chất đốt, hàm
lượng SOx trong khí thải khi đốt trấu sẽ là rất nhỏ. Ngoài ra các loại nhiên liệu khí,
lỏng khác thu được từ quá trình nhiệt phân vỏ trấu cũng có hàm lượng lưu huỳnh thấp,
và có thể được coi là nhiên liệu sạch.
Bên cạnh những ưu điểm trên, vỏ trấu có một số nhược điểm như sau. Thứ nhất, khối
lượng riêng đổ đống của vỏ trấu là khá thấp (80 ~ 120 kg/m3). Điều này gây ra những
khó khăn trong vận chuyển, đồng thời tăng chi phí vận chuyển vỏ trấu. Nhược điểm
thứ hai của vỏ trấu là nhiệt trị thấp và khó cháy do có thành phần vô cơ khá cao (20 ~
25%kl). Liên quan trực tiếp đến nhược điểm này là lượng tro sinh ra khi đốt trấu là khá
lớn, gây ra những vấn đề trong lò đốt và những thách thức trong xử lý, tận dụng tro.
5
Hình 1. 2: Sản lượng lúa từ 1976 – 2006 [3]
Chính vì những nhược điểm này mà việc tận dụng vỏ trấu còn gặp nhiều khó khăn và
chưa triển khai được rộng rãi, dẫn đến những hiện tượng như lượng trấu quá nhiều
không sử dụng hết phải đổ xuống kênh, rạch gây ra những vấn đề ô nhiễm môi trường
nước, cản trở giao thông đường thuỷ, …
1.1.2 Các ứng dụng của vỏ trấu
Sử dụng làm chất đốt
Vỏ trấu có thể được sử dụng trực tiếp làm chất đốt trong các lò đốt công nghiệp và nhà
máy phát điện. Hoặc một cách gián tiếp, qua các công đoạn chế biến, xử lý thành các
dạng nhiên liệu rắn, lỏng hoặc khí có thể sử dụng được trong công nghiệp. Bảng 1.2 so
sánh nhiệt trị và chi phí của một số nhiên liệu thông dụng. Có thể thấy rằng, 1kg trấu
khi đốt sinh ra 3300 Kcal bằng 1/3 năng lượng được tạo ra từ dầu nhưng giá lại thấp
hơn đến 25 lần.
Đốt trực tiếp vỏ trấu
Từ lâu, vỏ trấu đã là một loại chất đốt rất quen thuộc với bà con nông dân, đặc biệt là
bà con nông dân ở vùng đồng bằng sông Cửu Long. Chất đốt từ vỏ trấu được sử dụng
rất nhiều trong cả sinh hoạt (nấu ăn, nấu thức ăn gia súc) và sản xuất (làm gạch, sấy
lúa). Người dân ở nông thôn đã thiết kế một dạng lò chuyên nấu nướng với chất đốt là
trấu. Lò này có ưu điểm là: lửa cháy rất nóng và đều, giữ nhiệt tốt và lâu. Lò trấu hiện
nay vẫn còn được sử dụng rộng rãi ở nông thôn. Hình 1.3 – 1.5 thể hiện một số lò đốt
dùng trấu ở nông thôn.
6
Gần đây Công ty Xi măng Holcim đã triển khai công nghệ phun và đốt trấu trực tiếp
cho các lò nung xi măng của Công ty, và phần tro thu được cũng được trộn vào xi
măng đề nâng cao chất lượng của xi măng.
Bảng 1. 2 So sánh nhiệt trị và chi phí của một số nhiên liệu [4]
Giá Nhiệt trị
Hiệu suất
lò
Tiêu thụ
nhiên liệu
Chi phí
hơi nƣớc
US$/kg Kcal/kg %
Kg/tấn hơi
nước US$/tấn
Diesel 0,988 10.200 87 62 61,3
Banker C 0,542 9.900 85 64 34,7
LPG 0,439 11.900 92 53 23,3
NG 0,222 7000 92 68 15
Mùn cưa 0,042 3800 75 189 7,9
Gỗ vụn 0,031 2800 70 275 8,5
Vỏ trấu 0,036 3300 75 211 7,6
Than 0,076 5500 80 123 9,3
TS. Phạm Văn Lang và nhóm nghiên cứu thuộc Viện Cơ điện Nông nghiệp và Công
nghệ sau thu hoạch đã nghiên cứu thành công công nghệ đốt trực tiếp vỏ trấu nhằm
mục đích cung cấp năng lượng cho nhà máy phát điện [5]. Theo tính toán của nhóm
nghiên cứu, để sản xuất ra 1kWh điện chỉ cần khoảng 3-4 kg chất thải là phụ phẩm
nông nghiệp. Như vậy, mỗi năm cả nước cũng có thể sản xuất ra 3,8-4 triệu MWh điện
và khả năng phát nhiệt cũng có thể đạt 11-12 triệu MWt. Tuy giá thành sản xuất điện
từ công nghệ này cao hơn thuỷ điện, song theo đánh giá của các nhà khoa học thì giá
thành trên vẫn còn rẻ hơn rất nhiều so với các nguồn nguyên liệu hoá thạch (khoảng
10-30%) và giúp giảm bớt ô nhiễm môi trường. Kết quả nghiên cứu đã được triển khai
ở quy mô công nghiệp ở Long An, Kiên Giang, Thành phố Hồ Chí Minh và Gia Lai
với công suất 50kW.
Tuy nhiên, việc đốt trực tiếp trấu để sinh năng lượng vẫn chưa được triển khai ở quy
mô lớn vì hai nhược điểm nêu trên của vỏ trấu.
Các công nghệ chế biến xử lý trấu thành các dạng nhiên liệu khác
(a) Ép trấu thành củi trấu
Công nghệ ép đùn được sử dụng để ép vỏ trấu thành “củi trấu” – là một loại nhiên liệu
đã được sản xuất và được thị trường chấp nhận tại Việt Nam. Công nghệ này được
phát triển đầu tiên bởi Viện AIT, Thái Lan [6] và đã được triển khai bởi nhiều đơn vị
tại Việt Nam như Viện Năng Lượng, Đại học Cần Thơ, Công ty Nhiên liệu Sinh học,
… Theo công nghệ này, vỏ trấu được gia nhiệt đến khoảng 320oC bởi 3 thiết bị gia
nhiệt công suất 3KWh và được ép bởi vít (screw-press) qua một đầu đùn (die) tạo
thành các thanh (củi trấu) có tiết diện hình vành khuyên với kích thước đường
kính 73 mm, chiều dài 0,5 - 1m. Khối lượng riêng của sản phẩm tăng đáng kể (>1000
kg/m3).
7
Hình 1. 3: Một số lò đốt trấu ở vùng nông thôn
Hình 1. 4: Trấu sử dụng để nấu thức ăn trong chăn nuôi
Hình 1. 5: Trấu được sử dụng để đốt lò trong sản xuất gạch
8
Công suất mô tơ điện để chạy máy là 20HP. Điện năng tiêu thụ trung bình cho 1 kg
sản phẩm củi trấu là 0,18KWh (tương đương 0,648 MJ hoặc 155 kcal) cho quy mô sản
xuất khoảng 90 kg sản phẩm/h. Hình 1.6 thể hiện thiết bị đùn ép củi trấu và sản phẩm
củi trấu.
Hình 1. 6 Thiết bị ép đùn củi trấu và sản phẩm củi trấu
Bên cạnh ưu điểm là công nghệ đơn giản và sản phẩm củi trấu có khối lượng riêng
tăng đáng kể so với vỏ trấu, thì công nghệ này có những mặt hạn chế như năng suất
thấp (tối đa 160 - 200 kg sản phẩm/h); vít ép dễ bị mài mòn và phải bảo dưỡng hoặc
thay thế trong thời gian ngắn (trung bình sau 12 – 20h vận hành phải bảo dưỡng / thay
thế vít ép mới) và tiêu tốn khá nhiều năng lượng do chế độ cài đặt nhiệt độ cao. Ngoài
ra sản phẩm củi trấu khó cháy, khó sử dụng trong các lò đốt nạp liệu tự động và khó
bảo quản (khi gặp nước củi trấu sẽ bị mục ngay lập tức).
(b) Nhiệt phân trấu thành nhiên liệu lỏng và khí
Trên thế giới, việc nhiệt phân/khí hoá (pyrolysis/gasification) các nhiên liệu sinh khối
đã được sử dụng hơn 100 năm nay và ngày nay công nghệ này hầu như vẫn còn
nguyên giá trị. Khí từ hệ thống khí hóa sinh khối có thể dùng làm nhiên liệu cho các
động cơ đốt trong, các lò hơi, các máy phát điện …
9
Các kỹ thuật chủ yếu của công nghệ nhiệt phân như sau: sinh khối được nung nóng,
các thành phần của nó thay đổi khi các chất bốc được tách ra và chuyển thành thể khí,
quá trình này gọi là khí hóa nếu nó xảy ra trong điều kiện môi trường ôxy hóa lý
tưởng, và là quá trình nhiệt phân nếu như xảy ra trong môi trường không có hoặc có
rất ít tác nhân ôxy hóa. Tác nhân ôxy hóa có thể là ôxy, khí trời, hoặc nước và ôxy
(không khí ẩm). Quá trình khí hóa xảy ra theo phương trình nhiệt hóa học sau đây:
C + CO2 = 2CO
C + H2O = CO + H2 ở 800 - 850 C0
Khí sản sinh ra bao gồm các thành phần CO, H2,… là hỗn hợp khí cháy, dễ dàng sử
dụng làm nhiên liệu cho các thiết bị khác như lò hơi, lò đốt, động cơ,… Do ở thể khí,
việc đốt cháy sản phẩm khí hoá cho hiệu suất rất cao, cao hơn 3 - 4 lần so với việc đốt
trực tiếp sinh khối.
Ngày nay, trấu được xem là nguồn nhiên liệu tái tạo, việc sử dụng các sinh khối loại
này đang được nhiều quốc gia trên thế giới khuyến khích. Các kỹ thuật đã được cải
tiến và phát triển, đáp ứng được các yêu cầu khắt khe về môi trường với hiệu quả kinh
tế cao. Các nhà máy sản xuất điện sử dụng công nghệ này đã được xây dựng và vận
hành thành công ở nhiều nước lân cận như Thái Lan, Malaysia. Hình 1.7 mô tả mô
hình công nghệ khí hóa trấu trong một nhà máy để sản xuất điện và nhiệt
(cogeneration).
Hình 1. 7 Mô hình hệ thống khí hóa phát điện sử dụng vỏ trấu [7]
Một nhà máy phát điện dùng trấu làm nhiên liệu với quy mô lớn đầu tiên sẽ được xây
dựng tại tỉnh Cần Thơ thuộc khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long, nơi có sản lượng
trấu rất dồi dào. Theo dự kiến, nhà máy có công suất phát điện lên đến 10MW, được
công ty Nippon Mining Research & Technology (Nhật Bản) đầu tư với chi phí khoảng
15 triệu USD, sử dụng công nghệ nhiệt phân / khí hoá hiện đại của Nhật Bản. Với
công suất này, mỗi ngày nhà máy sẽ tiêu thụ khoảng 240 tấn trấu, điện năng sản xuất
ra được bán trực tiếp lên lưới điện. Hàng năm, ước tính doanh số bán điện sẽ vào
khoảng 5 triệu USD.
10
Các ứng dụng khác của vỏ trấu
Sử dụng làm vật liệu xây dựng
Vỏ trấu nghiền mịn và có thể được trộn với các thành phần khác như mụn dừa, hạt
xốp, xi măng, phụ gia và lưới sợi thuỷ tinh. Trọng lượng của vật liệu nhẹ hơn gạch xây
thông thường khoảng 50% và có tính cách âm, cách nhiệt và không thấm nước cao.
Đây là vật liệu thích hợp với các vùng như miền Tây, miền Trung bị ngập úng, lũ lụt
và nền đất yếu. Sau khi sử dụng có thể nghiền nát để tái chế lại.
Hiện nay, ở nước ta đã có một số công ty sản xuất thương mại loại vật liệu này ứng
dụng vào thực tế. Công ty Lâm Mai sau hơn 7 năm nghiên cứu và thử nghiệm nhiều
lần, đã ra sản xuất thành công sản phẩm vật liệu xây dựng nhẹ không nung được làm
từ vỏ trấu, bã mía, vỏ dừa…. Sản phẩm được dùng làm tấm tường, sàn, trần và mái
nhà. Nhóm nghiên cứu của Khoa Vật liệu Xây dựng của Trường ĐH Xây dựng Hà Nội
đã chế tạo thành công gạch xốp cách nhiệt dùng xây nhà cao tầng, với nguồn nguyên
liệu là vỏ trấu, sơ dừa, tro, mùn cưa, xốp Polystyron, bã thải trong sản xuất đường...
Sử dụng tro trấu sản xuất ôxyt silic
Tro của trấu sau khi đốt cháy có hơn 80% là silic oxyt. Ôxyt silic là chất được sự dụng
khá nhiều trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, thời trang, luyện thủy tinh….Vấn đề tận
dụng ôxyt silic trong vỏ trấu hiện đang đưọc rất quan tâm, mục đích là thu được tối đa
lượng silic với thời gian ngắn. Các nhà nghiên cứu thuộc Viện Nghiên cứu khoa học
(IISc) của bang Bangalor, Ấn Độ đã thành công trong việc tách silic oxit từ vỏ trấu để
cung cấp cho các nhu cầu công nghiệp và dược phẩm.
Thông thường, silic oxit được chiết tách từ cát nóng chảy ở nhiệt độ cao. Quá trình này
tiêu tốn nhiều năng lượng và chi phí đầu tư lớn. Theo công nghệ mới, quá trình tách
silic oxit được tiến hành theo các công đoạn sau:
- Vỏ trấu được đốt thành tro, sau đó lấy tro này hoà với xút (NaOH) trong một
thiết bị phân hủy để tạo ra natri silicat.
- Sục khí CO2 vào dung dịch natri silicat thu được để tạo ra natri bicacbonat
và silic oxit. Lọc, tách để thu silic oxit.
- Natri bicacbonat được xử lý bằng canxi hyđroxit để tạo ra canxi cacbonat và
xút. Xút được tuần hoàn trở lại thiết bị phân hủy.
Quá trình này còn tạo ra một lượng nhỏ cacbon. Lượng cacbon này có thể được hoạt
hóa bằng hơi nước và sau đó được sử dụng trong các nhà máy xử lý nước.
Đây là một công nghệ thân thiện với môi trường, trong đó tất cả các hóa chất đều
được tái sử dụng. Hiện nay, ABETS (Hội các công nghệ năng lượng tiên tiến từ bã thải
sinh học) đang dự định lắp đặt một nhà máy sản xuất silic oxit từ vỏ trấu tại một cơ sở
ở Andhra Paradesh. Ngoài ra, Nhật Bản, và một số nước có trồng lúa đã tỏ ra quan tâm
đến công nghệ này.
Các nhà máy có công suất 5 - 20 tấn/ ngày có thể được lắp đặt cạnh các nhà máy
phát điện nhỏ và nhà máy đồng phát điện. Nếu làm được điều này, thì có thể thu hồi lại
vốn đầu tư trong vòng 4 năm và công nghệ này có tiềm năng ứng dụng ở các nước
trồng lúa trên toàn thế giới.
11
Ở Việt Nam, đã có đề tài nghiên cứu tổng hợp vật liệu MCM-41 với nguồn oxit silic
được điều chế từ vỏ trấu nhằm mục đích nâng cao khả năng sử dụng của vỏ trấu và hạ
giá thành vật liệu mao quản trung bình. Các mẫu MCM-41 tổng hợp có cấu trúc lục
lăng đều đặn, diện tích bề mặt cao. Oxit silic được điều chế từ vỏ trấu có thể thay thế
các alkoxit thương mại đắt tiền để tổng hợp các vật liệu mao quản trung bình khác.
Sản xuất than hoạt tính từ vỏ trấu
Than hoạt tính có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống và trong công nghiệp như lọc
nước, khử mùi, làm sạch khí, làm chất mang xúc tác, thậm chí làm xúc tác. Nguyên
liệu sản xuất than hoạt tính thì rất nhiều và sẵn có tại nước ta như : Sọ dừa, mùn cưa,
vỏ trấu…, để sản xuất than hoạt tính từ vỏ trấu người ta có quy trình chia làm hai giai
đoạn sau đây:
- Hoá than trấu ở nhiệt độ khoảng 450 – 520 oC
- Hoạt hoá than trấu bằng hơi nước trên 700 oC, với tỉ lệ hơi/than 0,009 –
0,3% trong khoảng 1,0 đến 2,0 giờ. Than hoạt tính thu được sẽ có bề mặt
riêng khoảng 276,68 m2/g.
Ép trấu thành ván ép
Công nghệ này đã được ứng dụng từ khá lâu. Theo đó, trấu được nghiền mịn, trộn với
keo (urea-formaldehyde; phenol-formaldehyde) và ép thành ván tỷ trọng trung bình
(MDF). Một công nghệ khác khá tương đồng là công nghệ sản xuất nhựa trấu, trong đó
thành phần nhựa polyolefin chất lượng cao được trộ vào đến 30 – 40% khối lượng.
Như vậy có thể tạm kết luận rằng trấu có thể được ứng dụng rất đa dạng trong đời sống
của con người Việt Nam. Trấu có ưu thế rất lớn về nguồn nguyên liệu và giá thành nên
việc nghiên cứu sử dụng trấu vào sản xuất luôn mang lại hiệu quả kinh tế cao và tiết
kiệm chi phí. Thực tế hiện nay ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long lượng trấu rất dồi
dào, nên cần lưu ý tăng cường việc nghiên cứu ứng dụng nguồn nguyên liệu này nhằm
mở rộng khả năng sử dụng trấu vừa tiết kiệm chi phí sản xuất, vừa có lợi cho môi
trường. Sự phát triển của khoa học kỹ thuật làm cho phạm vi ứng d
. Chỉ một phần nhỏ vỏ trấu được
sử dụng, các nghiên cứu thành công chưa được đưa vào ứng dụng rộng rãi. Riêng khu
vực đồng bằng sông Cửu Long nơi có tiềm năng vỏ trấu lớn nhất cả nước các nhà máy
phát điện vẫn chưa được triển khai. Các cơ sở xây xát thường không có đủ kho bãi để
chứa, nên đã tuồn vỏ trấu ra các kênh rạch, sông ngòi, hoặc phải tốn chi phí không nhỏ
để xử lý do không có nơi để tiêu thụ lượng vỏ trấu khổng lồ không được sử dụng hết.
trường gây ô nhiễm nguồn nước, hại rau màu đặc biệt nguy hại đến ngành nuôi trồng
thủy sản. Vì thế việc xử lý vỏ trấu hiện nay đang là một thách thức lớn.
1.2 Plastic
1.2.1 Plastic trong rác thải rắn
12
–
: PE, PP, PVC, PET, PS là các loại p
, ở Việt Nam thì
những công việc này đư
.
Theo số liệu thống kê, năm 2006 tại TP Hồ Chí Minh có 1,9 triệu tấn rác (cả nước 16
triệu tấn) được thải r
-
-
[8]. Các
sản phẩm plastic kể trên chủ yếu được sản xuất từ các loại nhựa PE, PP, PS, … có tuổi
thọ rất lớn và rất khó tự phân hủy, nhưng biện pháp xử lý chủ yếu tại các bãi rác là đốt
bỏ hoặc chôn lấp, làm phát sinh một số vấn đề như: lãng phí về năng lượng, ô nhiễm
môi trường do mùi hôi và nước rỉ ra từ các bãi rác, làm quá tải quỹ đất chô
, cần
nghiên cứu hướng xử lý plastic sao cho có lợi về môi trường đồng thời cũng tận dụng
được giá trị của nó.
Các loại chất thải rắn cũng chứa năng lượng đáng kể, trong đó plastic chứa năng lượng
cao nhất. Năng lượng chứa trong rác thải rắn được trình bày trong Bảng 1.3.
Hình 1.8 chụp tại bãi rác Quận Tân Bình TP. Hồ Chí Minh, cho thấy chất thải plastic
cũng chiếm một số lượng lớn trong thành phần rác thải.
Bảng 1. 3 Năng lượng chứa trong chất thải rắn
Loại rác thải Nhiệt trị
(KJ/kg)
Thức ăn 4.652
Giấy 16.747
Carton 16.282
Plastic 32.563
Vải 17.445
Cao su 23.260
Da 17.445
Gỗ 18.608
Thủy tinh 140
Rác thải rắn đô thị nói chung 11.630
13
Hình 1. 8: Hình chụp rác thải ở bãi rác tại Quận Tân Bình
1.2.2 Các hướng xử lý chất thải plastic
Các chất thải plastic không thể tái chế
Đốt bỏ [9]
Phương pháp này có những ưu điểm như nhanh, gọn, không cần phải vận chuyển chất
thải plastic đi xa, mà có thể đốt ngay tại bãi rác. Năng lượng sinh ra có thể được thu
hồi trong các ứng dụng như phát điện, gia nhiệt lò hơi. Đây là phương pháp bắt buộc
đối với các chất thải plastic được sử dụng trong y tế. Hạn chế lớn nhất của phương
pháp này là quá trình đốt chất thải plastic sẽ sinh ra các chất khí độc hại chứa Cl
(dioxin, …), NOx , SOx , CO …. và tro còn có thể chứa các kim loại nặng, có thể gây ô
nhiễm môi trường nếu các biện pháp kiểm soát quá trình đốt, xử lý khí thải không đảm
bảo. Ngoài ra trong quá trình đốt rác tuy thu được nguồn năng lượng tỏa ra từ plastic
và rác thải nói chung, nhưng hiệu suất suất thu hồi không cao do đó đây là quá trình
vừa không hiệu quả về kinh tê, vừa gây ô nhiễm môi trường.
14
Chôn lấp
Phương pháp này là phương pháp đơn giản và rẻ tiền nhất được sử dụng rộng rãi tại
Việt Nam - do số lượng rác thải ngày càng lớn ở Việt Nam nói chung và ở Thành phố
Hồ Chí Minh nói riêng, trong khi vẫn còn nhiều các hạn chế về công nghệ thu hồi và
xử lý rác thải - đối với cả chất thải rắn đô thị nói chung.
Việc đào hố, dồn rác xuống, lấp đất... xem ra có vẻ rẻ tiền, nhưng với lượng rác thải
không nhỏ (hiện tại, khoảng 6.000 tấn/ngày) và theo quy trình công nghệ, đất của bãi
rác sẽ không dùng được vào việc nào khác trong vòng 30 đến 50 năm. Đó là chưa kể,
lấp rác xong mà hàng năm vẫn phải giám sát (trong khoảng từ 20 - 25 năm), thì số
kinh phí sẽ là đáng kể.
Hiện nay, việc tìm ra được những diện tích đất còn trống để làm bãi rác cũng đã không
đơn giản chút nào, trong khi các bãi rác đã có của Thành phố Hồ Chí Minh đều đang
trong tình trạng quá tải. Thực tế các bãi chôn lấp rác đã hoạt động tại Tp. HCM như
Gò Cát, Đông Thạnh, … mặc dù đã đóng cửa nhưng vẫn gây ra những vấn đề về nước
rỉ rác (hàng ngàn m3 mỗi ngày) ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và đời sống
người dân xung quanh.
.
Các phương pháp tái chế chất thải plastic
Tính chất của các sản phẩm nhựa bị ảnh hưởng rất lớn của thời gian. Sau khoảng thời
gian sử dụng nhất định, các tính chất này không còn đảm bảo được yêu cầu cho hoạt
động / chức năng sử dụng của sản phẩm. Việc tái chế các sản phẩm nhựa không còn
khả năng sử dụng là một trong những động thái đảm bảo tiêu thụ bền vững cho xã hội.
Một cách trực tiếp, việc tái chế này sẽ tiết kiệm được nguyên liệu hạt nhựa và giúp
giảm đáng kể thể tích chất rắn cần xử lý. Có những phương pháp tái chế chất thải
plastic chính như sau :
Phương pháp tái chế cơ học [9]
Đây là phương pháp thường được áp dụng để xử lý các rác thải từ plastic nhằm mục
đích chuyển chúng thành các nguyên liệu thứ cấp để tái sử dụng lại, nhưng không phải
tất cả các loại plastic đều được tái chế theo phương pháp này, thông thường chỉ có 4
loại plastic thường được tái chế:
Polyethylene (PE), bao gồm cả HDPE, LDPE, LLDPE.
Polypropylene (PP)
Polystyrene (PS)
Polyvinyl chloride (PVC)
Để tiện cho việc phân loại nhựa khi tái sinh, các nhà sản xuất các sản phẩm bao bì
nhựa hiện nay sử dụng ký hiệu riêng cho từng loại sản pham nhựa và đánh số thứ tự từ
1 – 7, đặc trưng cho hầu hết các loại nhựa. Bảng phân loại được trình bày như sau:
15
Bảng 1. 4 Mã số ký hiệu và mục đích sử dụng của một số loại nhựa thông dụng
Vật liệu Kí hiệu và mã
số Mục đích sử dụng
% KL nhựa sử
dụng cho bao
gói
Polyetilen
terephtalat 1- PETE
Chai nước giải khát, bao
bì, thực phẩm 7
Hight- density PE 2-HDPE Chai sữa, bình đựng chất
tẩy rửa, túi sách … 31
Polyvinyl clorua 3 - PVC Hộp đựng thức ăn, ống
nhựa … 5
Low-density PE 4 - LDPE Bao bì nylon, tấm lót, các
vật liệu dạng màng khác 33
Polypropylen 5 - PP Thùng, hộp, sọt, rổ 10
Polystyren 6 - PS Ly, đĩa, khuôn đúc,… 10
Các loại khác 7 – nhựa khác Nhựa hỗn hợp 4
Theo phương pháp này, chất thải plastsic được thu gom trong các bãi rác cùng với các
loạ . Các chất thải plastic có thể tái chế được phân loại và sau đó được tiếp
tục phân loại thành những loại khác nhau như: PET, HDPE, LDPE, PP, PVC, … hoặc
có khi chúng cũng được phân loại thành các màu khác nhau, làm sạch, gia nhiệt thêm
các phụ gia để tăng cường các tính chất đã mất đi trong quá trình sử dùng, bị oxyhoa,
biến tính nhiệt, do bức xạ, … sau đó được đùn ép tạo hạt, thường được gọi là nhựa tái
sinh. Quy trình tái chế cơ học chất thải plastic được trình bày trong Hình 1.9.
Hình 1. 9: Quy trình tại chế nhựa theo phương pháp cơ học
. Các cơ
sở tái chế chất thải plastic tại Việt Nam thường chỉ thực hiện một hoặc hai công đoạn
trong các công đoạn nêu trên. Bên cạnh đó, máy móc thiết bị sử dụng đều đã cũ và lạc
hậu. Nhiều thiết bị máy móc đã sử dụng hàng chục năm và chủ yếu vận hành bằng sức
người. Đối với một số cơ sở có quy mô (ngành tái chế nhựa có cơ sở thuộc quy mô
lớn) và sản xuất một số mặt hàng cao cấp thì công nghệ tương đối hiện đại. Những cơ
sở này đã đầu tư thiết bị mới sản xuất trên cơ sở kết hợp giữa nguyên liệu tái chế và
16
nguyên liệu chính phẩm nhằm giảm giá thành sản phẩm, nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu
về chất lượng.
Phương pháp tái chế hóa học [11]
Tái chế plastic theo phương pháp hóa học dựa trên sự phân hủy các polymer bằng
nhiệt, hóa chất hoặc chất xúc tác, để tạo ra một loạt các sản phẩm đa dạng từ các
monomer đến hỗn họp các hợp chất mà có thể được ứng dụng làm nguồn nguyên liệu
cho ngành công nghiệp hóa chất hoặc làm nhiên liệu. Tùy theo mục đích mà quá trình
tái chế hóa học có thể được phân thành ba loại chính sau:
1. Tái chế để làm nhiên liệu (xăng, khí hóa lỏng, dầu diesel)
2. Tái chế để thu hồi các monomer
3. Tái chế để sản xuất các hóa chất công nghiệp.
Tùy thuộc vào khả năng tái chế của các loại plastic, các thành phần và trọng lượng
phân tử mong muốn của sản phẩm, mục đích sử dụng ở trên, mà có nhiều phương pháp
tái chế hóa học được áp dụng. Hình 1.10 trình bày các phương pháp tái chế hóa học,
được tóm tắt dưới đây.
Hình 1. 10: Các quá trình tái chế hoá học [11]
Hydro hóa plastic
Hydro hóa plastic là quá trình bẻ gãy các mạch polymer dưới tác dụng của nhiệt độ với
sự hiện diện của hydro, quá trình hydro hóa thường tạo ra sản phẩm có độ bão hòa cao,
tránh được sự có mặt của các olefin trong sản phẩm lỏng, vì vậy có thể sử dụng làm
nhiên liệu mà không cần phải xử lý thêm, hơn nữa quá trình hydro hóa còn tách các dị
nguyên tử trong plastic như Cl, S, N, dưới dạng các chất bay hơi. Nhưng quá trình
hydro hóa cũng có một số bất lợi, chủ yếu là do giá thành của hydro và cần phải tiến
hành dưới áp suất cao. Hầu hết các quá trình hydro hóa đều cần đến chất xúc tác lưỡng
chức năng để thúc đẩy hydro tham gia phản ứng, chất xúc tác điển hình thường dùng là
các kim loại chuyển tiếp như Pt, Ni, Mo, Fe, trên chất mang là các acid rắn như
alumina, zeolite hoặc các silica-alumina vô định hình.
Xử lý bằng nhiệt
Là quá trình bẻ gãy mạch polymer bằng nhiệt độ trong môi trường khí trơ, để phân
tách các polymer, cắt các mạch polymer dài tạo thành các polymer mạch ngắn, tạo
17
thành các monomer như ethylene, propylene……. Hoặc dùng để tạo thành nhiên liệu
lỏng như là dầu mỏ, hoặc trong những điều kiện đặc biệt có thể tạo thành khí tổng hợp.
Sản phẩm tạo thành tùy vào điều kiện nhiệt độ, áp suất của quá trình nhiệt phân. Khi
nung rác Plastic ở nhiệt độ 400-4500C ở áp suất 100 bar sẽ thu được hỗn hợp nhiên
liệu lỏng (synthetic crude oil).
Xử lý polymer bằng nhiệt thường chỉ được áp dụng trong một số các trường hợp, vì
quá trình này thường tạo ra một hỗn hợp sản phẩm phức tạp, tỉ lệ và thành phần phụ
thuộc vào rất nhiều yếu tố như: cấu tạo của polymer, điều kiện phản ứng, loại và chế
độ hoạt động của thiết bị phản ứng…Hình 1.11 trình bày quá trình nhiệt phân và hydro
hóa plastic.
Hình 1. 11: Quy trình Veba Oel - nhiệt phân và hydro hoá chất thải plastic [12]
Khí hóa plastic
Khí hóa là quá trình oxy hóa một phần các vật liệu có chứa cacbon ở nhiệt độ cao 1200
– 1500 oC với tổng lượng O2 hay hơi nước được kiểm soát. Hỗn hợp khí tạo thành có
thành phần chủ yếu là CO và H2, hay còn được gọi là khí tổng hợp vì có nhiều ứng
dụng trong các quá trình tổng hợp hóa học như: sản xuất metanol, ammonia hoặc axit
acetic. Ngoài ra nó có thể được đốt trực tiếp trong các động cơ đốt trong hoặc được
chuyển đổi theo qui trình Fischer-Tropsch thành nhiên liệu tổng hợp.
Khí hóa là phương pháp hiệu quả để xử lý các chất thải polymer, nó có một số thuận
lợi như: không cần nhất thiết phải phân polymer thành các loại riêng biệt, cũng có thể
là hỗn hợp plastic và các chất thải rắn khác. Hiện nay khí hóa cũng được ứng dụng như
là một kỹ thuật để xử lý chất thải rắn. Hình 1.12 trình bày quy trình Texaco để khí hóa
plastic.
Khử polymer bằng hóa chất
Trong quá trình khử polymer, các polymer bị phân hủy thành các monomer riêng lẻ
bằng các loại hóa chất khác nhau. Các monomer được tạo thành có tính chất tương tự
như các monomer ban đầu để tạo thành polymer, vì vậy nếu plastic được tạo thành từ
hai loại monomer đó (monomer tái sinh và monomer mới) sẽ có các đặc tính và chất
lượng như nhau.
18
Hình 1. 12: Quy trình Texaco – khí hoá plastic [12]
Quá trình khử polymer bằng hóa chất thường được áp dụng cho các polymer được tạo
thànhtừ phản ứng trùng ngưng như: polyester, polyacetals, polyamides, các polymer
này thường chiếm khoảng 15% tổng số chất thải plastic. Tùy thuộc vào hóa chất sử
dụng để bẻ gãy polymer, mà có các quá trình khử khác nhau như: glycolysis,
metanolysis, hydrolysis, ammonolysis. Hình 1.13 trình bày quy trình tái chế nhựa PET
Hình 1. 13: Quy trình tái chế nhựa PET [13]
19
Cracking xúc tác
Cracking xúc tác là quá trình bẻ gãy mạch polymer bằng sự kết hợp của 2 yếu tố là
nhiệt độ và chất xúc tác.
So với cracking polymer bằng nhiệt độ, thì quá trình cracking polymer với sự tham gia
của chất xúc tác có một số thuận lợi, chẳng hạn như: có thể tiến hành ở nhiệt độ thấp
hơn vì vậy đòi hỏi về mặt năng lượng cũng thấp hơn, tốc độ phản ứng diễn ra nhanh
hơn vì có năng lượng hoạt hóa thấp hơn. Việc sử dụng chất xúc tác cũng làm nâng cao
chất lượng và khả năng chọn lựa sản phẩm, tỉ lệ các sản phẩm có thể được thay đổi và
kiểm soát bằng việc lựa chọn xúc tác sử dụng.
Những thuận lợi trên cho thấy cracking xúc tác là phương pháp rất có tiềm năng, có
thể được ứng dụng để chuyển hóa các plastic phế thải thành các sản phẩm có giá trị.
Tuy nhiên quá trình này cũng có một số nhược điểm, chủ yếu là việc xúc tác bị mất
hoạt tính do sự có mặt của các tạp chất gây đầu độc xúc tác như S, Cl, N, các kim loại,
gây trở ngại cho việc tái sinh và tái sử dụng xúc tác. Vì vậy quá trình này thường chỉ
áp dụng cho các polyolefinic như PE, PP…, có độ tinh khiết cao, đòi hỏi phải qua một
số công đoạn xử lý trước để loại bỏ các tạp chất gây ảnh hưởng đến chất xúc tác.
Có nhiều loại xúc tác được sử dụng trong quá trình này, ví dụ như xúc tác Friedel –
Crafts, xúc tác acid rắn, xúc tác rắn lưỡng chức năng ….Xúc tác được sử dụng hầu hết
trong các quá trình cracking plastic là các acid rắn, chủ yếu là alumina, alumina –
silica vô định hình, và zeolites.
Thực tế thì phương pháp tái chế hóa học ở nước ta chỉ mới dừng lại ở mức độ nghiên
cứu, mà chưa được triển khai ứng dụng nhiều do công nghệ phức tạp, tốn kém.
Tái chế thu hồi năng lượng
Khi chất thải plastic được tái chế sử dụng nhiều lần, mất dần các tính chất cơ lý của
nó, cuối cùng chúng cũng phải kết thúc quá trình sử dụng của mình nhưng vẫn còn
hữu ích để chuyển hoá thành dạng năng lượng sử dụng. Do plastic chủ yếu được sản
xuất từ dầu mỏ và khí thiên nhiên, vì vậy trong thành phần của plastic có chứa nhiệt
lượng tương đối lớn. Khi đốt cháy plastic không những thu được nguồn năng lượng
này mà còn sẽ giảm lượng rác thải thay vì thông thường phải chôn dưới lòng đất gây ô
nhiễm môi trường. Hình 1.14 biểu diễn nhiệt trị của một số dạng nhiên liệu, nhựa và
rác thải.
Như đã nói ở trên, trong quá trình đốt plastic tạo ra năng lượng, trong plastic có nhiều
thành phần khác nhau, đặc biệt là PVC, khi đốt sẽ tạo ra các chất khí gây ô nhiễm tới
môi trường không khí, ảnh hưởng đến sức khỏe của con người như SO2, CO2, CO,
HCl, Dioxin ….. Vì vậy cần thực hiện công đoạn xử lý nguyên liệu trước để loại bỏ
các khí độc hại sinh ra trong quá trình đốt. Một trong những cách làm là loại bỏ PVC
khỏi chất thải plastic. Điều này có thể được thực hiện bằng cách phân loại trong nước :
PVC có tỷ trọng lớn hơn nước nên sẽ chìm xuống, trong khi các loại nhựa khác đều
nhẹ hơn nước sẽ nổi lên trên.
Việc thu hồi năng lượng từ chất thải plastic được đánh giá là một trong những phương
án kinh tế nhất và có ảnh hưởng tích cực nhất đối với môi trường trong số các phương
án xử lý chất thải plastic. Bên cạnh đó, phương pháp tái chế thu hồi năng lượng còn có
20
ưu điểm là công nghệ đơn giản, dễ thực hiện. Theo phương án này, chất thải plastic
được ép, nén thành khối có hình dạng mong muốn, sau đó được vận chuyển đến sử
dụng tại các địa chỉ có nhu cầu như một loại nhiên liệu rắn, ví dụ như
, n
, hoặc cung cấp năng lượng cho các lò hơi để sản xuất hơi nước, hoặc sử
dụng làm nhiên liệu thay cho các nhiên liệu truyền thống khác như than đá, gỗ ….
Hình 1. 14: Nhiệt trị của một số nhiên liệu và chẩt thải [13]
. Về bản chất, theo phương pháp này, chất thải
plastic được nén tại áp suất cao hoặc đùn ép tạo thành viên. Cả hai quy trình trên đều
đơn giản và dễ ứng dụng vào thực tế.
Tại Việt Nam, việc xử lý, chế biến tận dụng chất thải rắn nói chung và chất thải plastic
sinh hoạt nói riêng còn có một số khó khăn từ việc thu gom, phân loại, cho đến các
công nghệ đốt, xử lý hiện đại còn chưa được ứng dụng và triển khai trong thực tế ở
quy mô lớn. Một số thành tựu đạt được trong xử lý chất thải rắn / chất thải plastic sinh
hoạt tại Việt Nam được tóm tắt dưới đây:
- Quy trình xử lý rác thải sinh hoạt Seraphin của Công ty cổ phần Công nghệ Môi
trường Xanh. Công nghệ này hiện chủ yếu dùng rác thải hữu cơ để để sản xuất
21
phân hữu cơ compost, còn phần rác thải plastic đang được nghiên cứu để tạo
thành các sản phẩm như pallete, thùng đựng rác, hay bát đựng nhựa cao su.
- Công nghệ chế tạo nhựa polyester không no cho vật liệu composite từ nhựa
PET phế thải được phát triển bởi Viện Vật Liệu Xây Dựng với ứng dụng làm
các dải phân cách cứng trên đường, hoặc làm cốp pha trong xây dựng...
1.3 Nhiên liệu rắn
Từ các thành phần có thể đốt được trong chất thải sinh hoạt : giấy, plastic, gỗ, vải, có
nhiều phương pháp để làm ra nhiên liệu rắn (refuse derived fuel – RDF). Ví dụ có thể
nén giấy thải trong rác thải sinh hoạt tại áp suất rất cao thành một bánh nhiên liệu rắn
tỷ trọng lớn [14]. Nói chung để sản xuất được nhiên liệu rắn từ các nguồn chất thải kể
trên, về nguyên tắc, cần phải thực hiện một quá trình nén ép làm giảm thể tích của chất
thải, qua đó đạt được hiệu quả trong vận chuyển. Bên cạnh đó, RDF chứa năng lượng
trong một đơn vị thể tích cao hơn so với chất thải bình thường [15].
Phương pháp phổ biến nhất là ép thành viên tại nhiệt độ cao với hàm lượng ẩm được
khống chế nghiêm ngặt. Sản phẩm thu được bằng phương pháp này có khối lượng
riêng trong khoảng 0.4 – 0.7g/cm3. Một phương pháp đang được quan tâm nghiên cứu
là đùn ép với thiết bị đùn piston. Nói chung hạn chế của các phương pháp này là chỉ
thực hiện được với chế độ sản xuất theo mẻ và áp suất cần thiết khá cao, có thể lên tới
100 MPa. Ngoài ra, nếu áp lực không đủ thì chất thải dễ bị rời ra, còn nếu áp suất nén
quá cao thì sản phẩm thu được rất khó cháy.
Nhiên liệu rắn RDF có thể được vận chuyển và tồn trữ dễ dàng và có thể được đốt trực
tiếp hoặc đốt cùng than trong các nhà máy nhiệt điện, cung cấp nhiệt cho lò hơi hoặc
sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp khác. Việc sử dụng RDF được coi như có lợi
về kinh tế và có ảnh hưởng tốt đến môi trường và RDF được coi là một dạng nhiên
liệu thay thế có nhiều ưu điểm và triển vọng do giá thành sản xuất RDF thấp và nhiệt
trị cao. Chú ý rằng RDF có thể được sản xuất từ gỗ, giấy là những nguồn sinh khối, do
đó sử dụng RDF sẽ góp phần làm giảm phát thải CO2. RDF cúng giúp giảm diện tích
đất chôn lấp rác. Cuối cùng sử dụng RDF giúp tiết kiệm sử dụng các nguồn nhiên liệu
không tái tạo được [16].
1.4 Kỹ thuật đùn ép
Khái niệm
Đùn ép (extrusion) là phương pháp gia công plastic (PE, PP, PVC, PS, PET, …) phổ
biến nhất. Đây là một kỹ thuật gia công đơn giản và có chi phí thấp. Ngoài plastic, các
vật liệu dạng bột nhão (paste) hoặc hỗn hợp nguyên liệu với chất kết dính khác cũng
được gia công tạo hình bằng phương pháp đùn ép. Trong thiết bị đùn ép, nguyên liệu
được vận chuyển từ hopper nạp liệu vào một xi lanh, sau đó được làm nóng chảy bằng
hệ thống gia nhiệt ngoài (nếu là dạng bột nhão hoặc hỗn hợp có chất kết dính thì
không cần làm nóng chảy), và được dồn đẩy về phía đầu tạo hình nhờ chuyển động
của vít đùn. Trong quá trình này, vít đùn sẽ nén, làm nóng cháy, đồng nhất hoá và
trong một số trường hợp nghiền nhỏ nguyên liệu. Đầu tạo hình đặt ở phía cuối của
xilanh và có nhiệm vụ tạo thành những hình dạng mong muốn cho sản phẩm của quá
22
trình đùn ép. Bằng cách thay đổi đầu tạo
. Cấu tạo đơn giản của thiết bị đùn ép có gia
nhiệt được mô tả trong Hình 1.15.
Hình 1. 15 Cấu tạo đơn giản của máy đùn ép
Đặc điểm [17]
Về bản chất, quá trình đùn ép được thực hiện một cách liên tục, đây chính là ưu điểm
quan trọng nhất của kỹ thuật đùn ép so với các kỹ thuật gia công khác. Với đặc điểm
này, năng suất của một thiết bị đùn ép có thể lên đến 30 tấn/h. Áp lực nén trong thiết bị
đùn ép plastic thông dụng vào khoảng 10 – 100 atm.
Bộ phận quan trọng nhất trong thiết bị đùn ép là vít đùn. Đặc trưng của vít đùn là kích
thước và profile của vít đùn. Đường kính (D) vít đùn trong thiết bị đùn ép thường
trong khoảng 10 – 600 mm và chiều dài (L) thường được chọn sao cho tỷ lệ L/D trong
khoảng từ 6 – 48. Đối với hầu hết các thiết bị đùn ép một trục vít, tỷ lệ L/D nằm trong
khoảng 24 – 36. Vít đùn được chia thành 3 vùng như sau:
- Vùng nạp liệu (feed zone)
, mang tính chất chuyển động khối. Để hạt vật
.
- Vùng nóng chảy / Vùng nén (transition/compression zone): vật liệu ở trạng thái
hỗn hợp rắn và lỏng, chuyển động của hạt v
, bề dày khối rắn tăng dần khi khối vật liệu tiến về phía trước.
- Vùng định lượng (metering zone): vật liệu ở trạng thái chảy nhớt, chuyển động
của vật liệu là dạng chuyển động ma sát nhớt.
Một số loại vít đùn thông dụng được trình bày trong Hình 1.16.
Cấu trúc và profile của vít đùn có ảnh hưởng quan trọng đến quá trình nén ép, nóng
chảy và đồng nhất hoá nguyên liệu. Các thông số quan trọng trong cấu trúc vít đùn,
được diễn tả trong Hình 1.17, bao gồm:
- Đường kính vít đùn (D)
- Chiều dài vít đùn (L)
- Số gân cánh (flight): số gân cánh một vòng trục hay số khoảng cách các ô trống
trên trục vít cho một bước vít.
- Chiều sâu (Flight depth): k .
23
- Bước vít (Pitch): khoảng cánh giữa hai gân vít liên tiếp.
- Chiều rộng rãnh (Channel Width): khoảng cách giữa 2 cánh vít liên tiếp (không
kể bề dày của cánh vít).
- Góc nghiêng (Helix Angle): góc tạo bởi gân cánh vít so với mặt ngang của trục
vít. Thực tế thường chọn góc nghiêng 17030.
- Bề dày cánh vít (Axial Flight Width): độ dày của một cánh vít.
Hình 1. 16 Một số loại vít đùn thông dụng
Phân loại máy đùn
Có nhiều cách phân loại máy đùn, tuy nhiên đơn giản nhất là phân loại
đùng hoạt động trong thiết bị. Hình 1.18 mô tả sơ lược các loại máy đùn một trục vít
và hai trục vít
:
- Là loại máy dùng phổ biến trong công nghiệp polymer, loại máy này
thiết kế đơn giản, chi phí thấp, năng suất cao.
24
:
- Loại 2 trục, cùng chiều: Hai trục đặt cạnh nhau, quay cùng chiều với
nhau (Co-rotating twin screw extrunder). Dùng ở tốc độ cao 200 – 500
vòng/phút (rpm). Các loại thiết bị mới có thể đạt tốc độ 1000 - 1600 rpm.
- Loại hai trục ngược chiều (counter-rotating twin screw extrunder): tốc độ
làm việc phụ thuộc vào ứng dụng. Sử dụng chủ yếu để phối trộn
(compounding), chạy ở tốc độ 200-500 rpm. Loại tốc độ thấp hay sử
dụng hơn, 10 – 40 rpm.
Hình 1. 17 Cấu trúc vít đùn và các thông số thiết kế
Hình 1. 18 Máy đùn (a) một trục vít; (b) hai trục vít
quay cùng chiều; và (c) hai trục vít quay ngược chiều
25
Loại hai trục vít quay ngược chiều có đặc tính vận chuyển tốt hơn so với loại cùng
chiều. Thông thường, các trục vít xen vào nhau. Hai trục vít không xen kẽ nhau có ưu
điểm là không có tiếp xúc giữa kim loại-kim loại. Tỷ số L/D đạt đến 100:1 hay cao
hơn. L/D của trục vít xen kẽ nhau thường nhỏ hơn 60:1. Một nhược điểm của loại hai
trục không ăn khớp nhau là khả năng trộn bị hạn chế.
Mô tả chi tiết của máy đùn một trục vít được trình bày trong Phụ lục A của báo cáo.
26
CHƢƠNG 2 : THỰC NGHIỆM
2.1 Lý do lựa chọn phƣơng pháp đùn ép
Ở nước ta hiện nay, với sản lượng lúa hàng năm 35 – 36 triệu tấn, như vậy sẽ có hàng
triệu tấn vỏ trấu được thải ra hàng năm từ các nhà máy xay xát, trong khi đó chỉ có
một lượng nhỏ được tận dụng đốt trong các mục đích dân dụng. Cùng với đó là lượng
plastic phế thải phát sinh ngày càng lớn (chiếm 2 – 8% trong rác thải rắn phát sinh),
mà các quá trình tái chế chủ yếu được thực hiện thô sơ, thủ công, công nghệ lạc hậu,
nên hiệu quả kinh tế không cao, các quá trình tái chế hóa học tuy tạo thành các sản
phẩm có giá trị kinh tế, nhưng thực tế vẫn chưa được ứng dụng do công nghệ phức tạp
và tốn kém.
Vì vậy, việc sản xuất nhiên liệu rắn từ vỏ trấu và plastic sẽ là một giải pháp khả thi, do
có công nghệ đơn giản, chi phí đầu tư thấp, vỏ trấu và plastic lại là hai nguồn nguyên
liệu rẻ tiền và sẵn có tại Việt Nam, đồng thời cũng giải quyết được vấn đề môi trường
phát sinh từ vỏ trấu và plastic phế thải. Sản phẩm nhiên liệu rắn thu được có những ưu
điểm như:
- So với vỏ trấu: sản phẩm có khối lượng riêng đổ đống lớn hơn, nhiệt trị cao
hơn, nên dễ vận chuyển với chi phí thấp hơn.
- So với chất thải plastic thì: sản phẩm dễ cháy hoàn toàn hơn, khí thải sinh ra ít ô
nhiễm hơn.
Những cơ sở để nhóm nghiên cứu chọn lựa kỹ thuật đùn ép có gia nhiệt hỗn hợp
nguyên liệu bao gồm chất thải plastic và vỏ trấu tạo thành nhiên liệu rắn có thể được
giải thích như sau:
- Kỹ thuật đùn ép có thể được thực hiện liên tục với năng suất cao. Ở quy mô công
nghiệp có thể chế tạo những thiết bị đùn ép với năng suất 5 – 10 tấn nguyên liệu/h
(sử dụng vít đùn có đường kính 150 – 250 mm).
- Kỹ thuật đùn ép nói chung là đơn giản và có chi phí thấp. Thiết bị đùn ép sử dụng
mô tơ điện với hộp số rất phổ biến và dễ chế tạo, lắp đặt trong điều kiện của Việt
Nam.
- Với chất thải plastic đóng vai trò chất kết dính và bôi trơn, ưu điểm đạt được là (i)
thiết bị đùn ép – cụ thể là vít đùn – có tuổi thọ khá cao so với thiết bị ép trấu thành
củi trấu đã nêu trong Mục 1.1, do ít bị mài mòn hơn; việc bảo trì, bảo dưỡng đơn
giản, dễ dàng và không cần thực hiện quá thường xuyên như đối với thiết bị ép trấu
thành củi trấu nêu trên; và (ii) năng suất đạt được cao hơn nhiều so với thiết bị ép
trấu thành củi trấu.
- Hình dạng và tính chất sản phẩm nhiên liệu rắn có thể được điều khiển, biến đổi
một cách đa dạng theo mong muốn thông qua thiết kế phù hợp của vít đùn và đầu
tạo hình của thiết bị.
27
2.2 Nguyên liệu
2.1.1 Vỏ trấu
Vỏ trấu ban đầu được một cơ sở xay xát tại An Giang cung cấp miễn phí cho đề tài,
sau đó được mua tại một cơ sở xay xát lúa gạo của Đồng Nai. Tổng khối lượng vỏ trấu
đã sử dụng trong đề tài này vào khoảng 300 kg (gần 30 bao trấu). Hình ảnh tiêu biều
của vỏ trấu được thể hiện ở Hình 2.1.
Kết quả đo TGA (thiết bị của Khoa Công Nghệ Vật Liệu Trường Đại Học Bách Khoa
TP. Hồ Chí Minh) và nhiệt trị (Trung tâm 3) cho thấy hàm lượng ẩm của vỏ trấu là
6,08%kl; hàm lượng tro là 23,39%kl, nhiệt trị của vỏ trấu là 14,49 MJ/kg (khoảng
3470 kcal/kg - xem phục lục B đính kèm). Khối lượng riêng đổ đống của vỏ trấu được
xác định bằng cách cân khối lượng của 2 lít trấu (trong một becher 2lít). Bảng 2.1 tóm
tắt một số tính chất tổng quát của vỏ trấu sử dụng trong đề tài.
Hình 2. 1 Nguyên liệu vỏ trấu
Bảng 2. 1 Tính chất tổng quát của vỏ trấu
Tính chất Giá trị
Hàm lượng ẩm (%kl) 6,08
Hàm lượng tro (%kl) 23,39
Nhiệt trị (MJ/kg – kcal/kg) 14,49 - 3470
Khối lượng riêng đổ đống (kg/m3) 90
2.1.2 Chất thải plastic
Được mua tại một cơ sở ó hạt nhựa tái sinh tại Quận Bình Tân. Cơ sở này thu mua bao
xốp phế thải và thực hiện các công đoạn xay nghiền nhỏ các bao xốp, và sau đó đùn ép
và cắt thành các hạt nhựa tái sinh. Chúng tôi đã mua khoảng 120 kg bao xốp xay nhỏ.
Hình ảnh nguyên liệu chất thải plastic được thể hiện ở Hình 2.2.
Dựa vào kết quả phân tích DTA (thiết bị của Khoa Công Nghệ Vật Liệu Trường Đại
Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh), nhận thấy (i) độ ẩm của chất thải plastic là không
đáng kể (<0,02%kl), và (ii) có 2 peak thể hiện nhiệt độ nóng chảy của mẫu nhựa thải
28
này : ~ 130oC tương ứng với nhiệt độ nóng chảy của PE; và ~ 160
oC tương ứng với
nhiệt độ nóng chảy của PP. Do đó, có thể kết luận rằng mẫu nhựa thải này chứa thành
phần chủ yếu là nhựa PE và PP (xem phụ lục B đính kèm). Nhiệt trị của mẫu nhựa thải
được đo tại Trung tâm 3. Kết quả thu được là 40.88 MJ/kg (9780 kcal/kg).
Hình 2. 2: Nguyên liệu plastic phế thải
2.3 Thiết bị
Máy đùn một trục vít do nhóm nghiên cứu thiết kế và chế tạo, được đặt tại xưởng thực
hành của “Trung tâm công nghệ Lọc Hóa Dầu” trường ĐHBK TPHCM. Một số hình
ảnh của thiết bị đùn ép được thể hiện trong Hình 2.3.
Hình 2. 3: Máy đùn tiến hành quá trình thí nghiệm
29
Các thông số chính của máy đùn như sau:
- Tốc độ quay trục vít: 85 - 90 vòng/phút
- D: 50 mm
- L: 1200 mm (L/D = 24)
- Đường kính trong của xilanh: 55 mm
- Đầu đùn 1 lỗ hình lục giác đều, chiều dài cạnh 12 mm.
- Công suất motor động cơ: 5 HP (có Inverter)
Máy đùn được trang bị hệ thống gia nhiệt ngoài riêng với thiết bị điều khiển nhiệt độ
cho ba vùng nạp liệu, nóng chảy và định lượng, công suất 0,5 kWh, Tmax = 400 oC và
thiết bị định lượng nạp liệu năng suất 5 – 20 kg nguyên liệu /h.
2.4 Quy trình đùn ép
Tiến hành cài đặt nhiệt độ thích hợp ở các vùng:
- T1: vùng nạp liệu
- T2: vùng nóng chảy
- T3: vùng định lượng
Đùn ép ở các chế độ nhiệt độ trình bày ở Bảng 2.2
Bảng 2. 2 Các chế độ nhiệt độ cài đặt cho thiết bị đùn ép
T1 (oC) T2 (
oC) T3 (
oC)
140 160 180
160 180 200
180 200 220
180 220 240
(Lưu ý rằng các nhiệt độ cài đặt thực tế là nhiệt độ của thành xy lanh
tương ứng với các vùng định lượng, nóng chảy và định lượng của vít đùn,
và được điều khiển bởi thiết bị điều khiển nhiệt độ.)
Phối trộn nguyên liệu:
Trộn vỏ trấu và chất thải plastic bằng tay cho đến khi đều, theo các tỷ lệ được trình
bày trong Bảng 2.3. Khối lượng phối trộn mỗi mẫu là 2 kg.
Bảng 2. 3 Tỷ lệ vỏ trấu / chất thải plastic trong hỗn hợp nguyên liệu
Trấu (% kl) 60 65 70 75 80
Chất thải Plastic (% kl) 40 35 30 25 20
30
Ngoài ra để tiến hành thí nghiệm để xác định ảnh hưởng của yếu tố độ ẩm lên chất
lượng sản phẩm, lần lượt 50g và 100g nước được thêm vào mỗi 1kg hỗn hợp nguyên
liệu có tỷ lệ trấu / chất thải plastic = 70/30 %kl, và được đùn ép ở chế độ nhiệt độ 180
– 220 – 240. Vỏ trấu nguyên liệu đã chứa khoảng 6%kl nước. Vì vậy phối trộn trấu
70/30 không bổ sung nước, thực tế đã có hàm lượng ẩm là khoảng 4,2%kl. Khi thêm
50g / 100g nước vào mỗi 1 kg hỗn hợp nguyên liệu 70/30, hàm lượng ẩm trong hỗn
hợp tương ứng 8,8%kl và 12,9%kl.
Việc tăng hàm lượng ẩm lên nữa đã gây ra những khó khăn trong quá trình đùn ép, do
hơi nước trong thiết bị không thoát ra ngoài kịp tạo áp suất cao gây ra hiện tượng “bắn
nổ” sản phẩm tại đầu tạo hình.
Khi đã đạt được nhiệt độ cài đặt và ổn định, quay tay thử động cơ, nếu trục vít quay
được thì cho hệ thống vận hành, bắt đầu đùn ép
N , Plastic trộn đều đã chuẩn bị trước tiến hành đùn tạo nhiên
liệu rắn
Tiến hành cắt mẫu sản phẩm khi thấy xuất hiện ở đầu định hình, chiều dài mỗi mẫu
khoảng 50 - 60 mm
Vệ sinh sau khi đùn: định hình nữa, đợi 5
phút. Cho khoảng 500 g hạt nguyên liệu HDPE mới vào đùn làm sạch. Đợi 5 phút
sau khi không còn nhựa ra ở đầu định hình nữa thì tắt động cơ, cúp cầu giao cấp
điện.
Các mẫu sản phẩm nhiên liệu rắn được ký hiệu và có thành phần được liệt kê trong
Bảng 2.4.
2.5 Phân tích tính chất sản phẩm
Các mẫu sản phẩm nhiên liệu rắn được phân tích đánh giá các tính chất sau:
- Độ bền nén
Polymer khoa Công nghệ Vật liệu, theo tiêu chuẩn ASTM-D695. Mỗi mẫu sản
phẩm được đo ít nhất 3 lần và lấy kết quả trung bình.
- Khối lượng riêng và khối lượng riêng đổ đống : Với tiết diện là hình lục giác đều,
với các kích thước : chiều dài mỗi cạnh là a = 12 mm; và chiều dài của mẫu nhiên
liệu L = 50 – 60 mm, khối lượng riêng của nhiên liệu được tính như sau:
La
m
V
m
2
2
33
Tối thiểu 5 mẫu nhiên liệu được cân khối lượng và xác định thể tích và lấy giá trị
trung bình của khối lượng riêng.
31
Khối lượng riêng đổ đống của các sản phẩm nhiên liệu rắn được xác định bằng cách
cân khối lượng của 5 lít nhiên liệu rắn đổ rơi tự do và một xô có thể tích 5 lít.
- Nhiệt trị: được đo bằng máy đo nhiệt trị tại Trung Tâm Kỹ Thuật Tiêu Chuẩn Đo
Lường Chất Lượng 3, theo TCVN 200: 2007.
Bảng 2. 4 Ký hiệu mẫu và điều kiện đùn ép
Ký hiệu mẫu Tỉ lệ trấu
(%)
Khoảng nhiệt độ đùn (oC) Hàm
lượng
nước (%) T1 T2 T3
T60-180 60 140 160 180 3,6
T70-180 70 140 160 180 4,2
T80-180 80 140 160 180 4,8
T60-200 60 160 180 200 3,6
T70-200 70 160 180 200 4,2
T80-200 80 160 180 200 4,8
T60-220 60 180 200 220 3,6
T70-220 70 180 200 220 4,2
T80-220 80 180 200 220 4,8
T60-240 60 180 220 240 3,6
T70-240 70 180 220 240 4,2
T80-240 80 180 220 240 4,8
T70-240-50 70 180 220 240 8,8
T70-240-100 70 180 220 240 12,9
Chú thích:
T1: nhiệt độ vùng nạp liệu (oC)
T2: nhiệt độ vùng nóng chảy (oC)
T3: nhiệt độ vùng định lượng (oC)
VD: T60-180 : 60% trấu, nhiệt độ vùng định lượng 180 oC,
không bổ sung thêm nước.
2.6 Đốt thử nghiệm và thành phần khí thải
Lò đốt thử nghiệm được nhóm nghiên cứu tự chế tạo (Hình 2.4) với các thông số chính
như sau:
- Đường kính trong của buồng đốt 250 (mm)
- Bề dày gạch chịu lửa: 50 (mm)
- Chiều cao buồng đốt: 350 (mm)
- Ống khói có đường kính 140 (mm), chiều cao 1400 (mm)
32
Lò có vỏ làm bằng thép được ghép mí kín. Phía dưới có một cửa cấp khí và cửa lấy
tro, nhiên liệu được giữ trên ghi lò bằng lưới thép. Buồng đốt được làm bằng gạch chịu
nhiệt dày 50 mm nhằm giữ nhiệt đảm bảo đủ cho quá trình cháy, ống khói được ghép
với buồng đốt bằng một phễu hình nón cụt trên đó có cửa để tiếp nhiên liệu vào.
Tiến hành đốt: đầu tiên là giai đoạn mồi lửa, lò đốt được mồi lửa bằng giấy báo và bản
thân sản phẩm nhiên liệu rắn, khoảng 300g nhiên liệu rắn. Khi đã cháy ổn định thì bắt
đầu thêm đều đều 500g nhiên liệu rắn và mở quạt gió để cấp oxy không khí cho quá
trình cháy hiệu quả hơn
Các đợt thí nghiệm xác định thành phần khí thải CO, NOx, SOx trong quá trình đốt : 2
đợt được đo bằng máy Testo 350 của Trung tâm Kỹ thuật Nhiệt đới và 1 đợt được đo
bằng máy Testo 350 của Viện Môi Trường và Tài Nguyên - Đại Học Quốc Gia Thành
Phố Hồ Chí Minh.
Hình 2. 4 Lò đốt tự chế
33
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Thực tế, những yếu tố ảnh hưởng đến một tính chất của sản phẩm (ví dụ khối lượng
riêng) cũng ảnh hưởng liên đới đến các tính chất khác của sản phẩm như độ bền nén và
nhiệt trị. Các yếu tố ảnh hưởng quan trọng nhất là tỷ lệ vỏ trấu/nhựa và nhiệt độ đùn
ép. Những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến lực ép tạo thành trong thiết bị đùn, thời
gian lưu của hỗn hợp nguyên liệu trong máy đùn, dẫn đến những khác biệt trong tính
chất của các mẫu sản phẩm nhiên liệu rắn thu được. Ngoài ra, một yếu tố rất quan
trọng đến quá trình đùn ép và tính chất sản phẩm là thiết kế cấu trúc của vít đùn, tuy
nhiên do thời gian có hạn, nên chúng tôi không có điều kiện để thực hiện thay đổi cấu
trúc vít đùn. Kết quả thực nghiệm và các nhận xét, giải thích được trình bày trong các
phần dưới đây.
3.1 Cảm quan sản phẩm:
Hình ảnh một số sản phẩm nhiên liệu rắn được trình bày trong Hình 3.1.
Về cảm quan sản phẩm, nhìn chung các sản phẩm đều có sự khác biệt theo sự thay đổi
của tỷ lệ nguyên liệu, nhiệt độ đùn và độ ẩm nguyên liệu trước khi đùn, cụ thể như
sau:
- Nói chung các sản phẩm đều có màu nâu đen – đen sậm ở bề mặt, nhìn kỹ có
thể thấy rõ phân bố trấu / nhựa rất đều đặn trên bề mặt. Điều này chứng tỏ hỗn hợp
trấu nhựa đã được trộn khá đều trong thiết bị. Bẻ gãy sản phẩm để quan sát bên trong,
có thể thấy với những mẫu T60, vỏ trấu hầu như vẫn giữ nguyên màu ở nhiệt độ đùn
ép thấp; các mẫu T70 màu vỏ trấu đã trở nên nâu hơn, và T80 màu của vỏ trấu trở
thành nâu sậm hoặc đen tuỳ thuộc nhiệt độ đùn ép. Một điểm đáng chú ý khác là các
sản phẩm T60 có bề mặt liên tục và thô nhám, trong khi đó trên bề mặt các mẫu T80
khá nhẵn nhưng có những vết nứt, thể hiện sự liên kết không chặt giữa các mảnh trấu
do lượng plastic làm chất kết dính đã giảm đáng kể, dễ bị vỡ, gãy thành những mảnh
nhỏ.
- Khi nhiệt độ đùn tăng màu sản phẩm chuyển đen dần, khi nhiệt độ đùn lên đến
2400C thì sản phẩm là một khối đen, không phân biệt được vỏ trấu và Plastic. Bên
cạnh đó, độ giòn của sản phẩm tămg theo nhiệt độ. Bề mặt sản phẩm đứt gãy mạnh
hơn khi nhiệt độ đùn tăng.
, đồng thời
cũng sinh ra nhiều khí theo sản phẩm thoát ra ở đầu đùn làm tăng độ xốp sản phẩm.
- Màu sắc sản phẩm ít thay đổi khi độ ẩm nguyên liệu thay đổi, theo hướng sáng
hơn do trấu ít bị nhiệt phân hơn. Độ xốp thay đổi nhiều khi độ ẩm nguyên liệu thay
đổi, biến đổi theo hương tăng dần độ xốp. Sản phẩm đùn giòn hơn. Bề mặt sản phẩm
đứt gãy và sần sùi hơn khi tăng độ ẩm nguyên liệu đùn. Bên trong sản phẩm có nhiều
khoảng trống hơn, có nghĩa là độ xốp sản phẩm tăng (Hình 3.2). Đây cũng là mục đích
tăng độ ẩm của nguyên .
34
Hình 3. 1 Sản phẩm nhiên liệu rắn
Hình 3. 2 Độ xốp của sản phẩm với hàm lượng ẩm khác nhau
35
3.2 Khối lƣợng riêng và khối lƣợng riêng đổ đống:
Kết quả xác định khối lượng riêng và khối lượng riêng đổ đống của các sản phẩm
nhiên liệu rắn được trình bày trong Bảng 3.1 và biểu diễn trên Hình 3.3
Bảng 3. 1 Khối lượng riêng và khối lượng riêng đổ đống của mẫu sản phẩm
Ký hiệu mẫu Khối lượng
riêng (kg/m3)
Khối lượng riêng
đổ đống (kg/m3)
T60-180 560 425
T70-180 620 573
T80-180 740 597
T60-200 575 429
T70-200 671 529
T80-200 762 563
T60-220 629 387
T70-220 792 462
T80-220 806 531
T60-240 617 383
T70-240 832 421
T80-240 867 509
T70-240-50 774 516
T70-240-100 664 418
Khi tỷ lệ trấu tăng, khối lượng riêng và khối lượng riêng đổ đống tăng. Nguyên nhân là
do khi tỷ lệ vỏ trấu cao thì trở lực trong máy đùn tăng lên, dẫn đến việc hỗn hợp trấu
nhựa trong máy đùn được nén mạnh hơn trong khu vực định lượng và đầu đùn. Trong
thực tế quá trình đùn ép, thời gian lưu của các mẫu chứa 80% trấu tăng gần gấp 3 lần
so với các mẫu chứa 60% trấu (Hình 3.4). Có thể thấy rằng thời gian lưu của mẫu đùn
ép ở nhiệt độ cao sẽ cao hơn so với ở nhiệt độ thấp. Điều này là do tại nhiệt độ cao
plastic bị phân huỷ nhiều, do đó tác động bôi trơn bị giảm nhiều.
Chúng tôi đã thử nghiệm đùn ép một số mẫu với tỷ lệ trấu 90%, tuy nhiên thời gian
lưu trong thiết bị các mẫu này quá cao. Trấu và chất thải đều bị nhiệt phân đến mức
sản phẩm sinh ra không kết dính được. Với thiết bị đùn ép hiện có, việc đùn ép mẫu
90% trấu là không thực tế. Ngoài ra, cũng cần nói thêm, những nhận xét nêu trên chỉ
đúng với thiết bị đùn ép sử dụng trong khuôn khổ đề tài. Kích thước – đặc biệt là chiều
sâu (flight depth) – và đặc trưng của vít đùn, đặc biệt là profile của gân vít tại các vùng
khác nhau, cũng có ảnh hưởng quan trọng đến thời gian lưu của hỗn hợp nguyên liệu
trong máy đùn. Vì điều kiện đề tài chưa cho phép chúng tôi thử nghiệm ở quy mô lớn
với một thiết bị đùn ép lớn hơn, nên chưa thể có đánh giá chi tiết về những ảnh hưởng
của đặc trưng vít đùn lên quá trình đùn ép, tuy nhiên đây là một vấn đề cần phải
nghiên cứu nếu có điều kiện triển khai tiếp tục đề tài này.
36
Hình 3. 3: Sự biến đổi khối lượng riêng theo tỷ lệ trấu và nhiệt độ
Hình 3. 4 Thời gian lưu của nguyên liệu theo tỷ lệ vỏ trấu và nhiệt độ đùn ép
37
Một ảnh hưởng khác của nhiệt độ đùn ép lên khối lượng riêng của sản phẩm là làm
giòn trấu : các chất kết dính trong vỏ trấu (lignin) bị phân huỷ khiến vỏ trấu dễ bị vỡ
vụn. Khi đó, trấu bị nén chặt lại với nhau nhiều hơn dẫn đến khối lượng riêng tăng khá
cao đối với các mẫu được đùn ép tại nhiệt độ cao (180-200-240 oC). Ngoài ra cũng nên
lưu ý rắng các chất kết dính tự nhiên trong vỏ trấu ban đầu chảy ra để kết dính chính
sản phẩm nhiên liệu rắn, nhưng tại nhiệt độ cao, các chất này cũng bị phân hủy nhanh,
và không còn khả năng kết dính nữa.
Khi thêm nước vào hỗn hợp nguyên liệu, khối lượng riêng của các mẫu sản phẩm giảm
so với các mẫu không thêm nước. Hơi nước đóng vai trò như chất tạo lỗ xốp, tạo thành
nhiều khoảng trống hơn trong sản phẩm cuối cùng (Hình 3.2), kết quả là các mẫu sản
phẩm này có khối lượng riêng nhỏ hơn mẫu không bổ sung nước. Ngoài ra hơi nước
cũng làm giảm nhiệt độ cục bộ trong máy đùn, đưa đến hiện tượng trấu không bị nhiệt
phân nhiều và phần nào vẫn còn giữ được màu vàng sậm như thể hiện trong Hình 3.3.
Cuối cùng, trong một chừng mực nào đó nước cũng đóng vai trò chất dẻo hoá, làm cho
quá trình đùn ép xảy ra dễ dàng hơn.
Thiết kế đầu đùn và vít đùn cũng có ảnh hưởng lớn đến khối lượng riêng của sản
phẩm, bởi lẽ chúng ảnh hưởng đến lực nén tạo thành trong máy đùn.
Các mẫu sản phẩm thu được có kích thước khá đồng đều, do đó độ tăng / giảm của
khối lượng riêng cũng được phản ánh khá tương đồng trong độ tăng / giảm của khối
lượng riêng đổ đống, như biểu diễn trong Hình 3.2. Khối lượng riêng đổ đống của
nhiên liệu rắn thu được nằm trong khoảng 380 – 600 kg/m3, tăng đáng kể so với vỏ
trấu (90 kg/m3). Điều này có ý nghĩa thực tiễn quan trọng trong quá trình vận chuyển.
3.3 Độ bền nén:
và nạp vào lò
đốt có thể sẽ bị , gây ra một số vấn đề 3.2 và
Hình 3.5 sản phẩm thu được.
Trong thiết bị đùn ép, hỗn hợp nguyên liệu sẽ bị nén chặt lại, chất thải plastic sẽ chảy
ra kết dính vỏ trấu. Như vậy độ bền nén của sản phẩm cuối cùng sẽ phụ thuộc vào hai
yếu tố chính: tỷ lệ vỏ trấu / chất thải plastic và nhiệt độ đùn ép. Khi tỷ lệ vỏ trấu / chất
thải plastic cao, một mặt điều này có nghĩa là lượng chất thải plastic được làm nóng
chảy trong máy đùn để kết dính sản phẩm là ít hơn - xu hướng làm giảm độ bền nén
của sản phẩm -; nhưng mặt khác lúc này lực nén trong máy đùn sẽ cao hơn, do hỗn
hợp nguyên liệu có thời gian lưu bên trong thiết bị cao hơn, ma sát giữa hỗn hợp
nguyên liệu và chi tiết bên trong thiết bị đùn lớn hơn, như vậy hỗn hợp nguyên liệu
được nén ép chặt hơn và có xu hướng đạt được độ bền nén cao. Hai xu hướng kể trên
còn chịu ảnh hưởng của nhiệt độ đùn ép theo một cách tương tự như đã phân tích ở
Mục trước. Một cách cơ bản, sẽ có một tỷ lệ vỏ trấu thích hợp mà tại đó, sản phẩm thu
được có độ bền nén cao nhất. Trong các mẫu đã được đùn ép, chúng tôi nhận thấy các
mẫu T70 có độ bền nén cao nhất, và các mẫu T80 có độ bền nén thấp hơn các mẫu
38
Bảng 3. 2 Độ bền nén của sản phẩm
(MPa)
T60- 180 5,7
T70- 180 6,7
T80- 180 4,3
T60- 240 5,8
T70- 240 7,0
T80- 240 4,8
T70-240- 50 5,8
T70- 240- 100 5,1
Hình 3. 5 Độ bền nén theo tỷ lệ trấu và nhiệt độ đùn
39
T60. Kết quả này có thể coi là tương thích với kết quả cảm quan sản phẩm đã nêu ở
trên : khi tỷ lệ trấu tăng quá cao, độ kết dính giảm nhiều do có ít plastic, bề mặt sản
phẩm có nhiều nét đứt gãy.
Tuy nhiên có thể thấy rằng với cùng tỷ lệ vỏ trấu, sản phẩm được đùn ép ở nhịêt độ
cao có độ bền nén cao hơn. Lý do là tại nhiệt độ cao, độ nhớt của hỗn hợp nguyên liệu
vỏ trấu / plastic sẽ giảm, như vậy plastic có khả năng trộn đều vào vỏ trấu hơn và có
hiệu quả kết dính tốt hơn [15].
(Hình 3.6)
> 2000
, tuy nhiên các cấu trúc xốp này hầu hết là
cấu trúc xốp mở (opened cell), chứ không phải là cấu trúc kín “closed cell”, vì vậy
chúng không có khả năng tăng độ bền, mà làm yếu cấu trúc vật liệu. Tăng hàm lượng
ẩm lên 2,7 (từ 4,8 lên 12,9%) làm giảm độ bền nén của sản phẩm nhiên liệu rắn 1,4
lần.
Hình 3. 6 Ảnh hưởng độ ẩm đối với độ bển nén
3.4 Nhiệt trị
Nhiệt trị của các sản phẩm nhiên liệu rắn và các nguyên liệu vỏ trấu và nhiên liệu rắn
đo được bằng phương pháp đốt cháy trong bom nhiệt lượng kế được trình bày trong
Bảng 3.3 và Hình 3.7.
Theo số liệu đo nhiệt trị, nhiệt trị của chất thải plastic cao gấp gần 3 lần nhiệt trị của
vỏ trấu, do đó hỗn hợp nguyên liệu có tỷ lệ vỏ trấu cao sẽ tạo thành sản phẩm nhiên
liệu rắn có nhiệt trị thấp hơn. Nhiệt trị của các sản phẩm T60 là cao nhất trong số các
mẫu thử nghiệm.
40
Bảng 3. 3 Kết quả đo nhiệt trị của nguyên liệu và sản phẩm
Ký hiệu mẫu
Nhiệt trị đo Nhiệt trị
tính toán *
(Kcal/kg) (MJ/kg) (Kcal/kg)
T60-220 25,50 6.100 5.990
T60-240 25,90 6.200 5.990
T65-220 24,79 5.930 5.680
T65-240 25,62 6.130 5.680
T70-220 23,97 5.730 5.360
T70-240 25,25 6.040 5.360
T75-220 22,99 5.500 5.050
T75-240 24,76 5.920 5.050
T80-220 22,48 5.380 4.730
T80-240 24,28 5.810 4.730
T70-240-5 25,23 6.040 -
T70-240-10 24,39 5.830 -
Vỏ trấu 14,49 3.470 -
Chất thải plastic 40,88 9.780 -
* Nhiệt trị tính toán = %kl vỏ trấu 3.470 [kcal/kg] + %kl plastic 9.780 [kcal/kg]
Hình 3. 7 Ảnh hưởng của tỷ lệ trấu và nhiệt độ đùn đối với nhiệt trị
41
Một yếu tố khác ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt trị là mức độ nhiệt phân của hỗn hợp
nguyên liệu trong thiết bị đùn ép. Tại điều kiện đùn ép với áp suất, nhiệt độ cao và ma
sát lớn, một phần vỏ trấu và chất thải plastic sẽ bị nhiệt phân tạo thành than có nhiệt trị
cao. Kết quả trong Bảng 3.4 và Hình 3.6 cho thấy nhiệt trị đo của sản phẩm đều lớn
hơn kết quả tính toán. Mức độ vỏ trấu / chất thải plastic bị nhiệt phân phụ thuộc vào
hai yếu tố là nhiệt độ và thời gian lưu của hỗn hợp nguyên liệu trong máy đùn, như đã
trình bày ở trên. Một cách tổng quát, có thể đánh giá mức độ nhiệt phân của hỗn hợp
nguyên liệu thông qua cảm quan sản phẩm : sản phẩm có tỷ lệ vỏ trấu lớn hơn thường
có màu đen hơn - có nghĩa là mức độ nhiệt phân sâu hơn - các sản phẩm có chứa ít vỏ
trấu hơn.
Khi so sánh các mẫu: T60-220 và T70-240; T65-220 và T75-240; T70-220 và T80-
240, có thể thấy rằng mặc dù tỉ lệ nhựa giảm nhưng nhiệt trị của các mẫu vẫn xấp xỉ
nhau do mẫu thu được từ nguyên liệu có tỉ lệ trấu cao (yếu tố làm giảm nhiệt trị) được
đùn ở nhiệt độ cao hơn và có thời gian lưu trong thiết bị cao hơn (các yếu tố làm tăng
nhiệt trị thông qua tăng mức độ nhiệt phân của hỗn hợp nguyên liệu).
Một lưu ý khác về độ chênh lệch giữa kết quả đo và kết quả tính toán nhiệt trị được
trình bày như sau. Mẫu sản phẩm chứa 60% vỏ trấu được đùn ép khá dễ dàng tại điều
kiện nhiệt độ thấp (220oC), chỉ bị nhiệt phân ở mức độ nhỏ, do đó độ chênh lệch giữa
kết quả tính toán và kết quả đo cũng nhỏ. Khi tỷ lệ vỏ trấu tăng, trở lực cho quá trình
đùn ép cũng tăng lên, khiến thời gian lưu của hỗn hợp nguyên liệu trong máy đùn cũng
tăng, và như vậy vỏ trấu sẽ bị nhiệt phân với mức độ cao hơn. Ngoài ra, khi tăng nhiệt
độ đùn ép, mức độ nhiệt phân sẽ cao hơn, dẫn đến kết quả độ chênh lệch giữa nhiệt trị
đo và nhiệt trị tính toán của sản phẩm là khá cao, ví dụ mẫu T80 đùn ép ở chế độ nhiệt
độ 180-220-240oC có độ chênh lệch lên đến 22,8% (xem thêm Hình 3.8).
Hình 3. 8 Độ chênh lệch giữa nhiệt trị đo và nhiệt trị tính toán
42
Vai trò của lượng ẩm thêm vào cũng có thể được kết luận từ các kết quả nhiệt trị đo
của các mẫu T70-240, T70-240-50 và T70-240-100, được biển diễn trong Hình 3.9.
Khi lượng ẩm bổ sung tương đối lớn (12,9%), nhiệt trị của sản phẩm nhiên liệu giảm
3,5%. Điều này có thể giải thích do hơi nước có vai trò làm giảm khả năng tạo cốc
(nhiệt phân) tại điều kiện đùn ép thực nghiệm, đồng thời nhiều hơi nước cũng giảm
phần nào nhiệt độ bên trong thiết bị đùn ép.
Hình 3. 9 Nhiệt trị đo được của các mẫu T70-240 theo hàm lượng ẩm
Bảng 3.4 thống kê nhiệt trị của một số loại nhiên liệu thông dụng.
Bảng 3. 4 Nhiệt trị của một số nhiên liệu thông dụng
( MJ/kg) ( kcal/kg)
DO 45,8 11.000
FO 39,7 9.500
Cốc (từ nhà
máy lọc dầu) 30,1 7.200
23 – 32,5 5.500 – 7.800
6 - 17 1.400 – 4.060
Củi trấu 16,8 4.020
Sản phẩm
nhiên liệu rắn 22 - 26 5.400 – 6.200
43
Nhiên liệu có nhiệt trị cao nhất là DO và FO - là các nhiên liệu dạng lỏng rất phổ biến.
Tiếp theo là than đá và cốc thu được từ các nhà máy lọc dầu. Sản phẩm nhiên liệu rắn
của đề tài có nhiệt trị khá cao, cao hơn hẳn so với gỗ và củi trấu – là một loại nhiên
liệu rắn từ trấu khác đang có mặt tại thị trường Việt Nam, và có tiềm năng thay thế
than đá, xét về mặt năng lượng cung cấp của 1 kg nhiên liệu.
3.5 Hiệu suất thu sản phầm và hiệu suất năng lƣợng của quá trình đùn ép
3.5.1 Hiệu suất thu sản phẩm
Hiệu suất thu sản phẩm được xác định gần đúng thông qua tỷ lệ khối lượng giữa sản
phẩm thu được và hỗn hợp nguyên liệu đầu vào. Đây là một yếu tố phản ánh hiệu quả
của quá trình đùn ép, và cũng là một thông số đáng quan tâm, bên cạnh các tính chất
cơ bản của sản phẩm nhiên liệu rắn, trong việc quyết định lựa chọn các thông số cho
quá trình đùn ép. Kết quả hiệu suất thu sản phẩm được trình bày trong Hình 3.10.
Về cơ bản, hiệu suất thu sản phẩm của quá trình đùn ép phụ thuộc vào các yếu tố như
nhiệt độ đùn, tỷ lệ trấu nhựa, độ ẩm ban đầu của nguyên liệu. Cần lưu ý rằng, hiệu suất
thu sản phẩm phụ thuộc vào các yếu tố “phần cứng” như cấu trúc vít đùn hay quy mô,
năng suất thiết bị. Kết quả ở Hình 3.9 chỉ có giá trị cho thiết bị được sử dụng trong
khuôn khổ đề tài này.
Hình 3. 10 Hiệu suất quá trình đùn ép
44
Hiệu suất thu sản phẩm của quá trình đùn ép có mối liên hệ mật thiết với mức độ nhiệt
phân của hỗn hợp nguyên liệu : mức độ nhiệt phân càng cao, hiệu suất quá trình đùn
ép càng giảm. Vì vậy những yếu tố làm tăng mức độ nhiệt phân như tỷ lệ trấu cao,
nhiệt độ đùn ép cao, sẽ làm giảm hiệu suất thu sản phẩm của quá trình. Kết quả trong
Hình 3.9 cho thấy khi đùn ép ở nhiệt độ đùn ép thấp (140-160-180), hiệu suất thu sản
phẩm là khá cao (>90%); các mẫu T60 thu được với hiệu suất cao nhất; và khi hỗn hợp
nguyên liệu có 80% trấu, hiệu suất thu sản phẩm giảm đáng kể, đặc biệt là tại những
chế độ đùn ép ở nhiệt độ cao. Việc bổ sung độ ẩm cho hỗn hợp nguyên liệu ban đầu có
làm tăng hiệu suất của quá trình đùn ép (tính trên khối lượng vỏ trấu và chất thải
plastic ban đầu). Các mẫu T70-240-50 và T70-240-100 có hiệu suất lần lượt là 86,3 và
86,7%, đều cao hơn hiệu suất của mẫu T70-240 (81,6%).
3.5.2 Tính toán hiệu suất năng lượng của quá trình đùn ép
Hiệu suất năng lượng (HSNL - energy yield / energy amplification factor) được tính
toán sơ bộ theo công thức :
in
sp
E
EHSNL
Trong đó :
∑Esp : tổng năng lượng chứa trong sản phẩm
∑Ein : tổng năng lượng cần để sản xuất ra sản phẩm, bao gồm cả năng
lượng sẵn có trong nguyên liệu vỏ trấu và chất thải plastic
Chúng tôi đã tiến hành tính toán HSNL cho quá trình đùn ép các mẫu sản phẩm T60-
220; T70-220 và T80-220. Số liệu thực nghiệm trong 1h đùn ép và kết quả tính toán
được trình bày trong Bảng 3.5 dưới đây.
Có thể thấy rằng, với quy trình và thiết bị đùn ép sử dụng trong khuôn khổ đề tài, khối
lượng nguyên liệu đùn ép được và hiệu suất thu sản phẩm giảm theo thứ tự T60-220 >
T70-220 > T80-220; và HSNL của sản phẩm T60-220 và T70-220 là tương đương và
đều cao hơn T80-220. Sự biến đổi của khối lượng nguyên liệu đùn ép được, hiệu suất
thu sản phẩm và HSNL đều chịu ảnh hưởng của tỷ lệ vỏ trấu và nhiệt độ đùn ép, và đã
được giải thích ở những phần trên. HSNL của quá trình đùn ép các mẫu sản phẩm nêu
trên tương đương với HSNL của sản phẩm dầu DO (0,83) và cao hơn HSNL của xăng
(0,74) [18].
Một điểm đáng quan tâm khác là tiêu thụ điện năng cho 1 kg sản phẩm tăng rõ rệt theo
tỷ lệ vỏ trấu (0,17 – 0,26 kWh). Với thiệt bị đùn ép có năng suất lớn hơn và với các
thiết kế tối ưu của vít đùn, đầu tạo hình, và với nhiệt độ cài đặt cho quá trình đùn ép
45
thấp hơn, mức tiêu thụ điện năng có thể được giảm xuống đáng kể, tăng tính cạnh
tranh cho quá trình đùn ép.
Bảng 3. 5 Số liệu và kết quả tính toán HSNL của quy trình đùn ép
Mẫu T60-220 T70-220 T80-220
Khối lượng nguyên liệu - kg 12 10,5 8,5
Hiệu suất thu sản phẩm - % 89,6 87,5 82,6
Khối lượng sản phẩm - kg 10,8 9,2 7,0
Nhiệt trị sản phẩm - kcal/kg 6.100 5.730 5.380
Tổng năng lượng của sản phẩm -
kcal 65.587 52.644 37.773
Nhiệt trị sẵn có của nguyên liệu -
kcal/kg 6.000 5.360 4.730
Tổng năng lượng sẵn có trong
nguyên liệu - kcal 72.000 56.280 40.205
Điện năng tiêu thụ - kWh
(đọc từ đồng hồ điện) 1,8 1,8 1,8
Điện năng tiêu thụ quy than/dầu –
kcal (lấy hiệu suất của nhà máy phát
điện là 33%)
4.644 4.644 4.644
Tổng năng lượng cần - kcal 76.644 60.924 44.849
HSNL 0.86 0.86 0.84
Điện năng cần để sản xuất 1kg sản
phẩm - kWh/kg 0.17 0.20 0.26
3.6 Quá trình cháy của sản phẩm và hàm lƣợng khí thải:
Đánh giá về khả năng cháy và mức độ ô nhiễm môi trường khi đốt cháy sản phẩm
nhiên liệu rắn của đề tài đã được chúng tôi thực hiện thông qua việc đốt sản phẩm
nhiên liệu rắn, chủ yếu là các mẫu T70 và T80, và đồng thời đo hàm lượng phát thải
các khí CO, NOx, SOx, cũng như xác định hàm lượng THC trong khí thải. Hai lò đốt
bao gồm một là lò đốt tự chế, đặt tại Trung tâm Nghiên cứu Lọc – Hoá dầu – ĐHBK
Tp. HCM, và một lò gia nhiệt dầu tải nhiệt tại Xưởng sấy vải trực thuộc Công ty
TNHH Phước Đạt, Huyện Hóc Môn được sử dụng cho công việc này. Kết quả đánh
giá khả năng cháy và xác định hàm lượng khí thải được trình bày trong các Mục dưới
đây.
3.6.1 Đốt thử nghiệm sản phẩm tại lò đốt tự chế:
Với lò đốt tự chế, quy trình đốt có thể được mô tả tóm tắt như sau : một lượng nhỏ
nhiên liệu được đưa vào lò, sau đó được mồi bằng quẹt ga từ phía cửa lấy tro. Khi
ngọn lửa mồi cháy ổn định, nhiên liệu rắn được đưa từ từ vào đến khoảng 60% thể tích
46
lò (tương đương 1,2 – 1,4 kg nhiên liệu) và bắt đầu bật quạt để cấp khí cho lò đốt. Tiến
hành đo mẫu khí thải khi nhiên liệu trong lò sự cháy của đã ổn định.
Nhìn chung sản phẩm nhiên liệu rắn rất dễ mồi lửa, khi cháy ngọn lửa sáng màu, mỗi
khi cung cấp thêm nhiên liệu vào lò đốt thì ngọn lửa bùng lên rất mạnh. Ngoài ra, sản
phẩm nhiên liệu không tạo nhựa sau khi cháy, mà chỉ tạo một lớp tro thông thường.
Đây là ưu điểm của sản phẩm nhiên liệu so với đốt trực tiếp chất thải plastic. Lượng
khói sinh ra cũng ít khi quá trình cháy ổn định, trong điều kiện cháy cưỡng bức. Ý
nghĩa của việc trộn vỏ trấu với chất thải plastic có thể được tóm tắt như sau : Chỉ riêng
plastic cháy rất nhanh và không hoàn toàn, tạo nên một lớp muội keo dính lên ghi và
thành ống dẫn lưu chất có khả năng gây nghẹt lò và làm giảm hiệu quả truyền nhiệt.
Vỏ trấu với cấu trúc hình dạng bán cầu, khi được trộn vào chất thải plastic trong máy
đùn, sẽ tạo thành những khoang xốp chứa khí Ngoài ra do trấu có hàm lượng vô cơ cao
(khoảng 20%) sẽ cháy chậm hơn. Hai tính chất này sẽ tạo nên hiệu ứng cộng hưởng
làm cho sản phẩm nhiên liệu rắn cháy được hoàn toàn hơn. Một số hình ảnh minh hoạ
quá trình đốt nhiên liệu rắn được trình bày trong Hình 3.11.
Hàm lượng khí thải khi đốt mẫu nhiên liệu rắn được 2 đơn vị kiểm tra : Trung tâm Kỹ
thuật Nhiệt đới & Môi trường và Viện Môi trường – Tài nguyên, ĐHQG Tp. HCM.
Kết quả đo hàm lượng khí thải được trình bày trong Bảng 3.6 dưới đây.
Hình 3. 11 Hình ảnh minh hoạc quá trình cháy của sản phẩm trong lò đốt tự chế :
(a) T60; (b) T70 và (c) T80
Bảng 3. 6 Thành phần khí thải khi đốt sản phẩm trong lò đốt tự chế
Chỉ tiêu TT Kỹ thuật nhiệt
đới & Môi trường
Viện Môi trường –
Tài nguyên TCVN 5939:2005
CO, mg/Nm3 ~ 200 ~ 430 1.000
NOx, mg/Nm3 260 – 330 49 850
SOx, mg/Nm3 < 5 Không phát hiện 550
THC, mg/Nm3
Mặc dù có những sự khác biệt trong kết quả đo của hai đơn vị, nhưng về cơ bản có thể
kết luận rằng khi đốt cháy sản phẩm nhiên liệu rắn, phát thải khí ô nhiễm không vượt
quá giới hạn cho phép quy định trong tiêu chuẩn hiện hành của nhà nước; và như vậy
sản phẩm nhiên liệu rắn được kỳ vọng là không gây ra những vấn đề ô nhiễm môi
47
trường không khí, một khi được triển khai sử dụng trong thực tế, ở những quy mô lớn
hơn.
Để có cơ sở vững chắc hơn cho kết luận nêu trên, chúng tôi tiến hành đốt thử nghiệm
sản phẩm của đề tài trong một lò đốt công nghiệp. Quá trình đốt thử và các kết quả thu
được được trình bày dưới đây.
3.6.2 Đốt thử nghiệm sản phẩm tại lò đốt công nghiệp:
Địa điểm đốt thử nghiệm : Lò gia nhiệt dầu tải nhiệt, tại xưởng sấy vải thuộc Công ty
TNHH Phước Đạt, Huyện Hóc Môn
Mẫu nhiên liệu : Mẫu nhiên liệu rắn T70, khoảng 300 kg
Mô tả quá trình đốt thử nghiệm :
Xưởng sấy vải của Công ty Phước Đạt thực hiện công việc sấy vải sau khi vải đã được
qua khâu nhuộm. Quá trình sấy được mô tả khái quát như sau : dầu tải nhiệt được lò
đốt cung cấp năng lượng để làm nóng, sau đó được dẫn đi tuần hoàn trong cả xưởng.
Không khí trao đổi nhiệt với dầu tải nhiệt thông qua một số thiết bị trao đổi nhiệt, và
được làm nóng lên, trở thành tác nhân sấy vải.
Lò đốt trước đây sử dụng than đá, sau đó chuyển qua sử dụng sản phẩm củi trấu (xem
Hình 3.12). Theo thông tin từ Quản đốc xưởng, lò đốt cần khoảng 100 ~ 150 kg củi
trấu trong mỗi giờ làm việc, tuỳ theo loại vải cần sấy. Củi trấu được một đơn vị tại
Nông trường Cờ Đỏ (Cần Thơ) cung cấp với giá thành dao động trong khoảng 1200 –
1400 đ. Củi trấu được cung cấp trong bao tải, mỗi bao khoảng 30 kg. Hiện tại, trung
bình lò đốt sử dụng khoảng 120 -150 tấn củi trấu mỗi tháng.
Theo quy trình công nghệ của xưởng, tuỳ theo loại vải cần sấy mà dầu tải nhiệt được
gia nhiệt đến 240oC hoặc 250
oC. Lò đốt có trang bị các thiết bị đo nhiệt độ và quát
trình điều khiển nhiệt độ được thực hiện thông qua quạt thổi và hút không khí. Quạt
hút luôn được bật để cấp khí cho lò, còn quạt thổi được sử dụng khi nhiệt độ giảm sâu,
mà trong lò vẫn còn nhiên liệu, hoặc khi cần tăng nhanh nhiệt độ của lò. Khi nhiệt độ
của dầu tải nhiệt vượt quá nhiệt độ cài đặt, các quạt hút sẽ tắt, ngừng cung cấp khí cho
lò để hạn chế sự cháy của nhiên liệu trong lò. Khói thải lò đốt được dẫn qua một
cyclone tách tro, và một bể nước để giảm nhiệt độ trước khi thải ra ống khói.
Công việc đốt lò được thực hiện như sau:
- Cứ mỗi 25 - 30 phút, công nhân phụ trách lò mở cửa lò và đưa vào lò khoảng 2 bao
củi trấu (khoảng 60kg). Thao tác mở / đóng cửa lò kéo dài trong khoảng 1-2 phút
làm nhiệt độ dầu tải nhiệt giảm xuống khoảng 3-5oC. Sau đó khoảng 5-8 phút thì
nhiệt độ dầu tải nhiệt đạt được đến nhiệt độ cài đặt.
- Do sản phẩm củi trấu khó cháy, những miếng củi trấu nằm phía dưới - bị lớp phía
trên nằm đè lên - không cháy được, gây ra hiện tượng giảm nhiệt độ lò, mặc dù
trong lò vẫn còn củi trấu. Vì vậy, cứ mỗi 10 – 15 phút, công nhân phụ trách lò mở
cửa lò và thực hiện việc đảo lò. Ngoài ra việc đảo lò còn giúp tro trên ghi lò rơi
xuống khoang đựng tro nằm phía dưới. Công đoạn đảo lò cũng kéo dài khoảng 1-2
phút, làm nhiệt độ dầu tải nhiệt giảm xuống khoảng 3-5oC
48
- Cứ mỗi 60-90 phút, công nhân phải lấy tro ra khỏi lò đốt từ cửa lấy tro nằm bên
dưới.
- Nhiệt độ dầu tải nhiệt được cài đặt và điều khiển như mô tả ở trên.
Một số hình ảnh lò đốt, và vận hành lò đốt tại Công ty Phước Đạt được trình bày trong
Hình 3.12.
Ghi nhận và kết quả đốt thử nghiệm:
Nhiệt trị của củi trấu và của nhiên liệu rắn, đã được Trung Tâm kỹ thuật đo lường 3
kiểm định, tương ứng là 16.79 MJ/kg (4.020 kcal/kg) và 25.25 MJ/kg (6.040 kcal/kg).
Vì nhiệt trị của nhiên liệu rắn lớn gấp khoảng 1,5 lần nhiệt trị của củi trấu, nên trong
lần đầu tiên, khoảng 20 kg nhiên liệu rắn được đưa vào lò đốt, lửa trong lò bùng lên rất
mạnh, trong ít hơn 2 phút, nhiệt độ dầu tải nhiệt đã đạt nhiệt độ cài đặt và tiếp tục được
duy trì trong khoảng 15 – 20 phút. Quan sát ống khói có thể thấy ban đầu có khói xám
nhạt thoát ra ngay khi cấp nhiên liệu vào lò, khói này chuyển nhanh sang màu trắng và
sau đó thì hầu như không thấy khói thoát ra khỏi ống khói lò đốt. Một vài hình ảnh của
quá trình đốt thử nghiệm được trình bày ở Hình 3.13.
Hình 3. 12 Quá trình đốt nhiên liệu tại lò đốt - Công ty Phước Đạt
49
Hình 3. 13 Quá trình cháy của nhiên liệu và khí thải sinh ra trong quá trình đốt
Tiêu hao nhiên liệu rắn, được ghi nhận trong quá trình đốt thử nghiệm và so sánh giữa
củi trấu và sản phẩm nhiên liệu rắn tính trung bình trong 1 giờ, được trình bày trong
Bảng 3.7 dưới đây.
Bảng 3. 7 So sánh tiêu hao nhiên liệu giữa củi trấu và sản phẩm của đề tài
Loại nhiên liệu Tiêu hao nhiên liệu (kg/h)
Tdầu tải nhiệt, cài đặt = 250oC Tdầu tải nhiệt, cài đặt = 240
oC
Củi trấu 150 110
Sản phẩm của đề tài 110 75
Như đã nói ở trên, sản phẩm nhiên liệu rắn có nhiệt trị cao hơn gấp 1,5 lần củi trấu, để
cung cấp cùng một nhiệt lượng cho lò đốt, tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng sản phẩm
củi trấu, theo tính toán, sẽ giảm (1 – 1/1,5) × 100% = 33,3%. Kết quả từ Bảng 3.7 cho
thấy khi nhiệt độ cài đặt dầu tải nhiệt là 250oC, sử dụng sản phẩm nhiên liệu rắn tiết
kiệm được 26,7% nhiên liệu; trong khi ở chế độ cài đặt nhiệt độ dầu tải nhiệt thấp có
thể tiết kiệm được 31,8% nhiên liệu. Đây là những kết quả khá tương đồng với kết quả
mong đợi thu được từ tính toán. Việc tiết kiệm được nhiên liệu sẽ là một sức hút đáng
kể của sản phẩm nhiên liệu rắn đối với những đơn vị có nhu cầu.
Hàm lượng khí thải lò gia nhiệt dầu tải nhiệt được đo tại vị trí ngay sau khi khí thải
được làm nguội trong bể nước, thông qua một lỗ nhỏ đường kính khoảng 8mm (Hình
3.14). Kết quả đo phát thải các khí ô nhiễm trong khí thải lò gia nhiệt khi sử dụng củi
trấu và nhiên liệu rắn được trình bày trong Bảng 3.8 dưới đây.
50
Bảng 3. 8 Thành phần khí thải lò đốt Công ty Phước Đạt
Chỉ tiêu Củi trấu Sản phẩm của đề tài TCVN 5939:2005
CO, mg/Nm3 518 382 1.000
NOx, mg/Nm3 110 95 850
SOx, mg/Nm3 31 85 550
Về cơ bản, củi trấu và sản phẩm nhiên liệu rắn đều đáp ứng các chỉ tiêu phát thải khí ô
nhiễm. Nồng độ CO phát thải khi sử dụng nhiên liệu rắn rõ ràng có giảm so với củi
trấu, qua đó xác nhận thêm khả năng cháy hoàn toàn hơn của sản phẩm nhiên liệu rắn,
cũng có nghĩa là ưu điểm của việc sử dụng chất thải plastic phối trộ với trấu khi đùn ép
sản phẩm, so với củi trấu trong điều kiện của lò đốt. Đây cũng là một cơ sở có thể
thuyết phục các đơn vị có nhu cầu sử dụng sản phẩm của đề tài.
Hình 3. 14 Đo thành phần khí thải tại Công ty Phước Đạt
51
3.7 Mức độ gây ô nhiễm của quá trình đùn ép
Chúng tôi đã tiến hành khảo sát mức độ gây ô nhiễm của quá trình đùn ép. Một vài
hình ảnh của quá trình đùn ép được trình bày trong Hình 3.15.
Thực tế khi đùn ép tạo sản phẩm, tại đầu đùn và phễu nạp liệu của thiết bị, có xuất
hiện khói trắng. Kết quả đo thành phần khói không phát hiện khí gây ô nhiễm, hàm
lượng CO trong khói này rất thấp (12 mg/Nm3) và không phát hiện được NOx và SOx.
Có thể phán đoán rằng, khói trắng sinh ra chủ yếu là do nước trong vỏ trấu bốc hơi
dưới điều kiện nhiệt độ cao trong thiết bị đùn ép.
Hàm lượng bụi, NO2, SO2, CO, và THC của môi trường không khí bên trong xưởng và
bên ngoài xưởng, trước và trong khi vận hành thiết bị đùn ép với chế độ cài đặt 180 –
200 – 220oC được đo bởi Phòng thí nghiệm Chất lượng môi trường (VILAS 159) của
Viện Môi trường và Tài nguyên. Kết quả khảo sát chất lượng không khí xung quanh
được trình bày trong Bảng 3.9 dưới đây.
Bảng 3. 9 Kết quả đo đạc chất lượng không khi trong và ngoài xưởng, trước và
trong khi vận hành thiết bị đùn ép
Vị trí lấy mẫu Bụi SO2 NO2 CO THC
Trong xưởng, trước khi vận hành thiết bị
(mg/m3)
0,3 0,01 0,11 1,7 -
Trong xưởng, trong khi vận hành thiết bị
(mg/m3)
0,54 0,01 0,12 1,0 -
Tiêu chuẩn cho phép theo
3733/2002/QĐ-BYT (mg/m3)
8 10 10 40
Ngoài xưởng, trước khi vận hành thiết bị
(ug/m3)
120 9 140 1.300 -
Ngoài xưởng, trong khi vận hành thiết bị
(ug/m3)
110 8 150 1.000 -
Tiêu chuẩn cho phép theo
TCVN 5937:2005 (ug/m3)
300 350 200 30.000
Phương pháp phân tích TCVN
5067:1995
AWMA
704A
TCVN
6137:1996
Bộ Y
Tế
52TCN
352-89
-
Từ kết quả tại Bảng 3.9, có thể kết luận rằng nồng độ các thông số bụi, NO2, SO2, CO
đạt tiêu chuẩn cho phép. Quy trình công nghệ đùn ép tại điều kiện này không ảnh
hưởng đến chất lượng không khí xung quanh.
Những vấn đề khác liên quan đến an toàn và bảo hộ lao động trong quá trình đùn ép có
thể được tóm tắt như sau :
52
Thiết bị đùn ép sử dụng mô tơ điện 3 pha, vì vậy vấn đề an toàn lao động phải được
chú ý như khi sử dụng các thiết bị cần điện thế 3 pha khác để không xảy ra những sự
cố, tai nạn như chập điện, điện giật, …
Hình 3. 15 Một vài hình ảnh quá trình đùn ép
Khi hoạt động thiết bị cũng có tiếng ồn, nhưng không đáng kể, khi bắt đầu nạp liệu
hỗn hợp đùn ép thì tiếng ồn này giảm đi rất nhiều và không có ảnh hưởng gì nhiều.
Tuy nhiên một thiết bị đùn ép năng suất lớn hơn nhiều khả năng gây ra tiếng ồn
lớn,điều này cũng cần chú ý đề giảm thiểu tác hại do tiếng ồn gây ra với người lao
động.
Nhiệt độ của quá trình đùn ép cũng khá cao, khoảng 200oC, vì vậy cần có biện pháp
bảo hộ lao động thích hợp để tránh tai những tai nạn do nhiệt độ cao gây ra.
3.8 Tính toán sơ bộ tính kinh tế của quy trình công nghệ
Chúng tôi đã tiến hành khảo sát giá thành nguồn nguyên liệu, thiết bị và từ đó tạm tính
toán sơ bộ tính kinh tế của quy trình công nghệ đùn ép chất thải plastic và vỏ trấu tạo
thành nhiên liệu rắn, năng suất 500 kg nguyên liệu / h. Tỷ lệ vỏ trấu / chất thải plastic
sử dụng trong tính toán là 80/20. Chi phí ước tính cho 1 giờ sản xuất được trình bày
trong Bảng 3.10.
Một số giải thích chi tiết về số liệu và kết quả tính toán được trình bày như sau
(1) Về vỏ trấu : Chúng tôi đã xuống Long An và Tiền Giang để khảo sát giá thành vỏ
trấu tại các cơ sở xây xát. Theo thông tin thu nhận được, trong cả năm giá thành vỏ
trấu thay đổi khá nhiều. Mỗi khi vào vụ thu hoạch, do lượng trấu quá nhiều, trấu
được bán rất rẻ, thậm chí xưởng xay xát còn trả phí để chuyển trấu đi, để có thể
hoạt động được liên tục. Thời gian khác trong năm giá trấu lên cao hơn. Trung bình
cả năm, giá thành vỏ trấu vào khoảng 180 đồng/kg.
53
Bảng 3. 10 Ước tính chi phí sản xuất quy trình công nghệ đùn ép 500 kg nguyên
liệu/h (tính trung bình cho 1 giờ sản xuất)
STT Hạng mục Chi phí ước tính cho
1 h sản xuất (ng đồng)
Ghi chú
1 Nguyên liệu trấu – 400kg 72.000 180 đồng/kg
2 Chất thải plastic – 100 kg 400.000 4.000 đồng/kg
3 Điện – 42,5 KW 51.000 1.200 đồng/kW;
0,1 kWh/kg sp
4 Nước 5.000 Không cần nhiều
nước
5 Nhân công – 3 người 20.000 Cần 3 công nhân,
lương 2 tr
đồng/tháng, ngày
làm việc 10 tiếng
6 Khấu hao nhà xưởng 10.000 Xưởng có thể hoạt
động trong 10 năm
7 Khấu hao thiết bị 87.000 Khấu hao trong
vòng 5 năm
8 Vận chuyển 100.000 200.000 đồng / tấn
9 Thuê đất 17.000 1,000 m2, 5 tr
đồng/tháng
9 Chi phí sản xuất 762.000 Tổng (1 – 9)
10 Chi phí dự trữ / Chi phí khác 76.200 10% của (10)
TỔNG CỘNG 838.200 (9) + (10)
(2) Về chất thải plastic : Chúng tôi đã khảo sát giá thành chất thải plastic tại một số cơ
sở thu gom ve chai, xay bao nylon và ó nhựa ở các khu vực Bình Hưng Hoà; Quận
Bình Tân (gần trạm thu phí ngã tư An Sương); và Huyện Củ Chi (khu vực gần Khu
Công nghiệp Lê Minh Xuân). Thực tế đây là một việc làm hết sức nhạy cảm, vì các
chủ xưởng không tin và khi gặp người lạ thì rất ít chia xẻ thông tin. Sau rất nhiều
lần tìm hiểu, chúng tôi thu được một số thông tin về giá thành các loại plastic phế
thải thông dụng nhất trên thị trường như sau :
- Bao nylon xay (thường được cung cấp trong những bao bố lớn, mỗi bao khoảng
từ 150 – 200 kg) giá thành bán xỉ khoảng 3500 – 4500 đồng/kg, tuỳ vào loại
bao;
- “Cám” (vụn nhựa thất thoát khi xay bao nylon, khoảng 3-5%, thường có lẫn
đất) giá thành bán xỉ khoảng 1.000 đồng/kg;
- Vụn nhựa sinh ra trong quá trình gia công tinh các sản phẩm nhựa, giá thành
bán xỉ khoảng 7.000 – 8.000 đồng/kg
54
Một nguồn chất thải plastic khác có thể lấy được là từ các bãi chôn lấp, tuy nhiên
chúng tôi chưa có điều kiện vào thăm và tìm hiểu các bãi chôn lấp này. Nếu được
phép thu gom chất thải plastic tại các bãi chôn lấp, giá thành chất thải plastic làm
nguyên liệu được giảm xuống đáng kể.
Trong tính toán chi phí ở Bảng 3.10, chúng tôi tạm lấy giá thành chất thải plastic là
4000 đồng/kg
(3) và (4) Chi phí điện, nước : Ước tính với quy mô lớn, điện năng tiêu thụ sẽ giảm
xuống được nhiều. Quy trình công nghệ đùn ép thực tế không cần sử dụng nước
(5) Nhân công : Để vận hành hệ thống, ước tính cần 3 công nhân, mức lương 2 triệu
đồng / tháng là phù hợp với tình hình hiện tại tại các tỉnh Đồng bằng Sông Cửu
Long.
(6) Nhà xưởng : ước tính tổng diện tích nhà xưởng 300 m2
nhà xưởng. Chi phí xây
dựng nhà xưởng là 1 triệu đồng / m2.
(7) Về hệ thống thiết bị:
- Thiết bị chính là máy đùn ép, năng suất 500kg/h, công suất động cơ và thiết bị
gia nhiệt tổng cộng khoảng 50HP; có giá thành khoảng 650 triệu đồng
- Các thiết bị phụ trợ:
o Thiết bị nghiền xay chất thải plastic;
o Hệ thống thiết bị sấy (sẽ sử dụng khi nguyên liệu trấu / chất thải plastic bị
mưa ướt, độ ẩm quá cao);
o Thiết bị trộn nguyên liệu. (có thể tích hợp trong hệ thống thiết bị sấy)
o Hệ thống thiết bị cắt / băng tải sản phẩm nhiên liệu
o Hệ thống thiết bị cấp nhiệt cho quy trình
Tổng giá thành của các thiết bị phụ trợ khoảng 700 triệu đồng.
Như vậy tổng chi phí cho hệ thống thiết bị ước tính khoảng 1 tỷ 350 triệu đồng,
khấu hao dự kiến trong vòng 5 năm. Sơ đồ quy trình công nghệ đề xuất được
trình bày trong Hình 3.16 dưới đây.
Hình 3. 16 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất nhiên liệu rắn
(8) Chi phí vận chuyển: Vận chuyển trấu bằng ghe, vận chuyển chất thải plastic bằng
xe tải, vận chuyển sản phẩm bằng ghe và xe tải. Có thể giảm chi phí vận chuyển
55
bằng cách sắp xếp vận chuyển hai chiều : ghe/xe chở nguyên liệu đến và mang sản
phẩm đi.
(9) Thuê đất: Ước tính cần 1.000 m2 đất, bao gồm cả nhà xưởng và kho bãi. Tiền thuê
đất ước tính 5 triệu đồng / tháng.
Như vậy, chi phí sản xuất tạm tính là 838.200 đồng cho 1 h sản xuất. Hiệu suât của cả
quy trình công nghệ có thể lấy là 85%. Như vậy từ 500 kg nguyên liệu có thể tạo thành
425 kg nhiên liệu. Giá thành định mức của sản phẩm nhiên liệu rắn là 838.200 đồng /
425 kg = 1972 đồng/kg. Ước tính lợi nhuận biên là 10%, khi đó giá bán sản phẩm
nhiên liệu rắn sẽ là 2.169 đồng/kg, cao hơn giá củi trấu (1.300 đồng/kg) và thấp hơn
giá than (2.400 đồng/kg) tại thời điểm hiện tại. Xét về khả năng cung cấp nhiệt giữa 3
loại nhiên liệu kể trên, và tính đơn giản, hiệu quả và ổn định của công nghệ, giá bán
này có thể chấp nhận được.
Một điểm cũng cần lưu ý là có thể giảm giá thành của sản phẩm bằng cách nâng quy
mô của thiết bị. Với công nghệ đùn ép vỏ trấu có chất thải plastic đóng vai trò chất bôi
trơn và kết dính, theo tính toán của chúng tôi, có thể nâng quy mô của thiết bị lên đến
3 ~ 5 tấn/h
56
CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
4.1 Kết luận:
Chúng tôi đã xây dựng thành công quy trình công nghệ đùn ép vỏ trấu và chất thải
plastic sản xuất nhiên liệu rắn. Trong khuôn khổ đề tài, một hệ thống thiết bị đùn ép
năng suất 5 – 20 kg nguyên liệu /h đã được xây dựng và vận hành ổn định. Quá trình
đùn ép hỗn hợp vỏ trấu và chất thải plastic được thực hiện dễ dàng, với tỷ lệ vỏ trấu
khảo sát trong khoảng từ 60 đến 80% kl trong hỗn hợp nguyên liệu. Sản phẩm nhiên
liệu rắn tạo thành có hình dạng khối lục giác, cạnh 12mm, độ dài theo mong muốn.
Chúng tôi đã tiến hành khảo sát tìm ra thông số phù hợp cho quá trình đùn ép chất thải
plastic và vỏ trấu trên các hệ thống thiết bị, bao gồm nhiệt độ cài đặt, hàm lượng ẩm,
và thành phần hỗn hợp nguyên liệu. Các thông số này có ảnh hưởng qua lại lẫn nhau,
và ảnh hưởng đến các tính chất của sản phẩm thu được. Với hệ thống thiết bị của đề
tài, hiệu suất thu sản phẩm nhiên liệu rắn đạt trong khoảng 85 ~ 90%; và đạt giá trị cực
đại khi hỗn hợp nguyên liệu được đùn ép tại nhiệt độ thấp (140 – 160 – 180oC). Bên
cạnh đó, hiệu suất năng lượng của quá trình lớn hơn 0,8 và điện năng tiêu thụ cho 1 kg
sản phẩm không cao, dao động từ 0,17 ~ 0,26 kWh/kg sản phẩm. Với một hệ thống
thiết bị có quy mô lớn hơn, các thông số nêu trên có thể được tối ưu và đạt được các
giá trị có lợi hơn cho sản xuất.
Kết quả khảo sát sơ bộ hiệu quả kinh tế của quy trình công nghệ đùn ép năng suất 500
kg nguyên liệu/h cho thấy giá thành sản phẩm nhiên liệu rắn có thể ước tính là 1.972
đồng/kg. Với lợi nhuận biên là 10%, giá bán sản phẩm là 2169 đồng/kg có thể chấp
nhận được trong điều kiện hiện tại. Ngoài ra, chúng tôi cũng tiến hành xác định mức
độ ô nhiễm môi trường của quy trình công nghệ đùn ép, kết quả cho thấy quá trình đùn
ép sản xuất nhiên liệu rắn không gây ảnh hưởng đến chất lượng không khí xung quanh.
Chúng tôi cũng nhận định rằng quy trình này không gây ra những vấn đề bảo hộ, an
toàn lao động hay môi trường đặc biệt nào.
Về sản phẩm nhiên liệu rắn thu được, các tính chất vật lý quan trọng của sản phẩm
nhiên liệu rắn bao gồm độ bền nén, khối lượng riêng, khối lượng riêng đổ đống, nhiệt
trị đã được phân tích và đánh giá. Khối lượng riêng đổ đống của sản phẩm nhiên liệu
rắn tăng gấp khoảng 5 - 6 lần khối lượng riêng đổ đống của trấu. Kết quả này cho thấy
quy trình công nghệ đề xuất đã giải quyết được một trong những nhược điểm của vỏ
trấu, và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình vận chuyển. Nhiệt trị của sản phẩm nhiên
liệu rắn nằm trong khoảng 5.400 – 6.200 kcal/kg, khá cạnh tranh với nhiệt trị của than.
Ngoài ra sản phẩm có độ bền nén tốt, tồn trữ dễ dàng dưới mọi điều kiện thời tiết. Các
mẫu nhiên liệu với tỷ lệ vỏ trấu là 80%kl có khối lượng riêng đổ đống cao, nhiệt trị
khá cao, độ bền nén phù hợp được đánh giá là những mẫu có triển vọng ứng dụng
trong thực tế.
57
Kết quả thực nghiệm đốt sản phẩm trong lò đốt thử nghiệm và tại một lò đốt công
nghiệp với mức tiêu hao khoảng 100 kg than / h cho thấy sản phẩm nhiên liệu rắn rất
dễ cháy, cháy hoàn toàn không sinh tro dính và khi cháy sinh ra ít khói. Bên cạnh đó,
phát thải các khí gây ô nhiễm đều nằm trong giới hạn cho phép được quy định tại
TCVN 5939:2005. So với sản phẩm củi trấu – là sản phẩm đã được thị trường chấp
nhận – sản phẩm của đề tài có nhiệt trị cao gấp khoảng 1,5 lần, và khi sử dụng sẽ tiết
kiệm được khoảng 30% nhiên liệu.
4.2
Với ưu điểm của quy trình đùn ép liên tục, cùng với những kết quả khá khả quan thu
được nêu trên, và những phản hồi tích cực từ các đơn vị có nhu cầu, chúng tôi tin
tưởng rằng quy trình công nghệ đề xuất có tiềm năng lớn trong triển khai ứng dụng
thực tế, tạo ra sản phẩm cạnh tranh. Vì điều kiện khách quan, các kết quả nghiên cứu
vẫn còn một số hạn chế, như chưa khẳng định được ảnh hưởng của các yếu tố “phần
cứng” đến quy trình công nghệ và tính chất sản phẩm, như kích thước xi-lanh, vít đùn
và cấu trúc vít đùn tối ưu. Các yếu tố phần cứng này sẽ quyết định khả năng triển khai
trong thực tế.
Chúng tôi đã thử đùn ép chất thải plastic với vỏ hạt cà phê, cũng là một nguồn nguyên
liệu biomass dồi dào tại Việt Nam và nhận thấy quá trình đùn ép diễn ra dễ dàng hơn
nhiều so với vỏ trấu, năng suất của thiết bị được cải thiện đáng kể.
Chúng tôi đề xuất một số hướng nghiên cứu tiếp tục đề tài này như sau :
- Khảo sát ảnh hưởng của cấu trúc trục vít đến quá trình đùn ép, qua đó đưa ra được
một cấu trúc trục vít tối ưu theo các vùng trục vít nhằm tăng khả năng đổng nhất
hoá, tăng lực nén (tăng khối lượng riêng) và tăng hiệu suất thu hồi sản phẩm và
hiệu suất năng lượng của quá trình.
- Khảo sát và đánh giá chi tiết sự biến đổi về mặt hoá học của các nguyên liệu chất
thải plastic và vỏ trấu trong quá trình đùn ép; khảo sát chi tiết thành phần hoá học
của sản phẩm nhiên liệu rắn nhằm có những kết luận chính xác và đáng tin cậy hơn
về khả năng đốt cháy cũng như thành phần khí thải của sản phẩm.
- Nghiên cứu chế độ đốt và quy trình đốt sản phẩm nhiên liệu rắn để quá trình cháy
được hoàn toàn. Nghiên cứu cấu tạo phù hợp nhất cho lò đốt sản phẩm nhiên liệu
rắn và củi trấu.
- Nghiên cứu các phương pháp tận dụng, chế biến tro sinh ra sau khi đốt. (Thực tế
hiện nay các lò đốt sử dụng sản phẩm củi trấu đang gặp những khó khăn về vấn đề
này)
- Khảo sát quá trình đùn ép chất thải plastic với các nguồn phụ phẩm nông nghiệp /
biomass khác có nhiều ở Việt Nam như vỏ cà phê, vỏ điều, xơ dừa, …
58
- Khảo sát các “phụ gia” kết dính và bôi trơn khác ngoài chất thải plastic có thể sử
dụng phù hợp với công nghệ đùn ép trục vít.
Cuối cùng, chúng tôi hy vọng các kết quả đạt được trong đề tài là cơ sở và mở ra một
hướng giải quyết bài toán xử lý chất thải plastic và phụ phẩm nông nghiệp hiện đang
rất bức xúc tại Việt Nam. Với mong muốn tìm hiểu và nắm bắt hoàn toàn công nghệ
đùn ép chất thải plastic và vỏ trấu hoặc các nguyên liệu biomass, hiện tại chỉ đang
được xem là phế phẩm nông nghiệp, bên cạnh đó đưa ra một sản phẩm nhiên liệu rắn
có khả năng ứng dụng khá cao trong công nghiệp mang đến những lợi ích thiết thực
trong kinh tế, xã hội và môi trường, chúng tôi mạnh dạn đề nghị triển khai một dự án
sản xuất thử nghiệm, quy mô khoảng 500 kg nguyên liệu / h trong khuôn khổ các đề
tài / dự án do Sở Khoa học và Công nghệ Tp. HCM trực tiếp quản lý.
59
Các tài liệu tham khảo chính
[1] Hisao Ida, Current Status of Plastics Recycling in Japan, trong Báo cáo tại
Plastic Waste Management Institute, Japan, tháng 12, 2006.
[2] Estela Assureira, Rice husk – an alternative fuel in Perú, Boiling Point, 48, 2002,
35-36.
[3] Phạm Hoàng Ngân, Tổng quan Cung - Cầu ngành hàng gạo Việt Nam 2007, bài
viết tại địa chỉ http://www.agro.gov.vn/news/newsdetail.asp?targetID=5182.
[4] Số liệu lấy từ địa chỉ : http://vaas.org.vn/download/caylua/12/38_trau.htm
[5] Thông tin lấy từ địa chỉ : http://vietbao.vn/Khoa-hoc/San-xuat-dien-tu-vo-trau-
mun-cua/40127578/188/
[6] S.C. Bhattacharya*, M. Augustus Leon and Md. Mizanur Rahman, A Study on
Improved Biomass Briquetting, Energy for Sustainable Development, 6(2), 2002,
67-71.
[7] T. H. T. Vinh, Công nghệ khí hóa trấu trong sản xuất năng lượng, trong ET
News, Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển về Tiết kiệm Năng lượng - Số 3 -
Tháng 5 & 6, 2004
[8] Số liệu thống kê do Sở Tài nguyên và Môi trường cung cấp
[9] Nguyễn Văn Phước, Bài giảng Quản lý và xử lý chất thải rắn
[10] Số liệu và thông tin lấy từ địa chỉ :
http://irv.moit.gov.vn/News/PrintView.aspx?ID=19656
[11] J. Brandrup, Recycling and recovery of plastics, Carl Hanser Verlag, 1996.
[12] A. Tukker, Ing. H. de Groot, Ir. L. Simons, Ir. S. Wiegersma, Chemical recycling
of plastic waste (PVC and other Resins), TNO Institute of strategy Technology
and Policy, December 1999.
[13] An Introduction to Plastic Recycling, Report of Plastic Waste Management
Institute, Japan, 2004, tại địa chỉ :
http://www.pwmi.or.jp/ei/plastic_recycling_2004.pdf
[14] Yadong Li , Henry Liu, Ou Zhang, High-pressure compaction of municipal solid
waste to form densified fuel, Fuel Processing Technology 2001,74:81–91.
[15] R. Marsh et. al., Physical and thermal properties of extruded refuse derived fuel,
Fuel Processing Technology, 2007, 88:701–706.
[16] Emmanuel Kakaras et. al., Solid recovered fuel as coal substitute in the electricity
generation sector, Thermal Science, 2005, 9:17-30.
[17] Dominick V. Rosato, P.E., Plastics Processing Data Handbook, Second edition,
Chapman & Hall, 1997.
[18] Số liệu lấy từ địa chỉ : http://www.americanagfuels.com/Energy%20Yield.htm
60
PHỤ LỤC A : MÔ TẢ CHI TIẾT THIẾT BỊ ĐÙN ÉP MỘT TRỤC VÍT
Cấu tạo máy đùn một trục vít
Chú thích: A: trục vít, B: thân máy đùn (xylanh), C: thiết bị gia nhiệt, D: đầu đo
nhiệt E: họng cấp liệu, F: Phễu cấp liệu, G: giảm áp lực đẩy, H: giảm tốc bằng bánh
răng, I: motor, J: vùng cấp liệu, K: vùng nén, L: vùng đẩy
:
. Nó có khả
không ổn định, nó là nguyên nhân làm thay đổi kích thước máy đùn. Chính vì vậy,
việc ổn định tốc độ là điều rất cần thiết đối với hệ thống dẫn động.
Hệ . Một điều
cần thiết đối với hệ thống dẫn động là khả năng thay đổi tốc độ trong một phạm vi
rộng. Các hệ thống dẫn động chính bao gồm: động cơ điện xoay chiều, động cơ điện 1
chiều …
:
–
. cấu tạo hộp giảm tốc gồm
các bánh răng ăn khớp với nhau và hệ thống buli truyền động từ động cơ tới hộp giảm
tốc.
Thông số quan trọng nhất của hộp giảm tốc là tỉ số truyền, thường tỷ lệ này là 15:1 đến
20:1; có thể thấp nhất 5:1 và cao nhất là 40:1. Ngoài cách thay đổi tốc độ trục vít bằng
61
cách thay đổi tốc độ động cơ người ta còn thay đổi vị trí các bánh răng ăn khớp để
thay đổi tỉ số truyền.
Khi gắn trực tiếp động cơ và hộp số - truyền động trực tiếp (direct drive). Nếu truyền
động qua dây đai (cu-roa) giữa động cơ và hộp giảm tốc - truyền động gián tiếp
(indirect drive).
:
, cọ xát vào xi lanh gây hư hỏng bề mặt xi lanh và trục vít.
-
Xi lanh:
Là bộ phận bao quanh trục vít có gắn những bộ gia nhiệt ở vòng ngoài.
.
Tùy theo cách đốt nóng , lớp ngoài có thể có một hay hai vỏ. Đối với máy đùn cao su
thường có hai
. Gia công nhựa nhiệt dẻo vỏ thường
một lớp, đốt nóng bằng điện trở.
Cửa nạp liệu:
Là phần tiếp xúc với xi lanh ở dưới và phễu nạp liệu ở bên trên. Cửa nạp liệu có thể có
tiết diện tròn, vuông, chữ nhật, thành đứng hay nghiên, tiếp xúc hay võng xuống, hệ
thống nước làm mát thường được thiết kế để tránh hiện tượng nóng chảy vật liệu, dính
vào thành thiết bị. Chiều dài của họng khoảng 1,5 lần, rộng khoảng ¾ đường kính của
thân máy đùn, và thường không được bé hơn một bước vít.
:
Là nơi chứa nguyên liệu dự trữ, để cung cấp nguyên liệu cho máy đùn. Phễu nạp
liệu được thiết kế sao cho đảm bảo dòng vật liệu chảy ổn định vào xy lanh, thường có
dạng hình nón cụt.
Môt số phếu nạp liệu thông dụng
62
– :
Hệ thống gia nhiệt: dùng để gia nhiệt làm nhựa nóng chảy trong quá trình đùn. Có hai
nguồn năng lượng chính cung cấp cho máy đùn. Thứ nhất và cũng là nguồn năng
lượng quan trọng nhất đó là năng lượng sinh ra do ma sát (cung cấp 80% năng lượng)
và thứ hai là nguồn năng lượng từ bên ngoài (bằng cách gia nhiệt xi lanh hoặc trục
vít).
Các thiết bị gia nhiệt bằng điện được đặt dọc theo thân máy đùn. Các máy đùn thường
có ít nhất 3 vùng nhiệt độ dọc theo chiều dài của thân máy đùn. Các máy đùn dài hơn,
có trên 8 vùng nhiệt độ. Mỗi vùng có hệ thống gia nhiệt và làm lạnh riêng, có sensor
đo nhiệt độ. Nhiệt độ thường đo bên trong thân máy. Khuôn có thể có một hay nhiều
vùng nhiệt độ phụ thuộc vào độ phức tạp của nó. Khuôn thường được gia nhiệt, ít khi
phải làm lạnh.
Hệ thống làm nguội: nhựa nhào trộn do sự chuyển động của trục vít và quá trình gia
nhiệt thường phát sinh nhiều nhiệt, do đó cần phải giải nhiệt để ổn định nhiệt, tránh
làm cho nhiệt độ thân máy đùn tăng quá giới hạn cho phép. Điều này cũng xảy ra
tương tự khi đùn nhựa có độ nhớt cao, tốc độ đùn lớn . Có thể giải nhiệt bằng nước
hoăc không khí.
Khi cần lấy đi một lượng nhiệt lớn, có thể dùng nước. Máy đùn hoạt động tốt nhất khi
trục vít cấp đủ năng lượng cho quá trình, gia nhiệt hoặc làm lạnh cũng sẽ ít đi. Do vậy,
với máy đùn trục vít đơn, làm lạnh bằng không khí là đủ. Nước làm lạnh quá nhanh sẽ
gây khó khăn cho việc khống chế đúng nhiệt độ.
:
Chức năng: tiếp nhận nhựa tại cửa nhập liệu, tải vật liệu từ vùng nạp liệu đến đầu định
hình. Thực hiện nhào trộn, gia nhiệt, hóa dẻo, và tách khí trong quá trình tải. Độ ổn
định của quá trình làm việc, chất lượng sản phẩm phụ thuộc nhiều vào trục vít. Trục
:
- Lõi trục: thanh hình trụ hoặc hình trụ côn
- Land: mặt ngoài của gân nằm xa nhất đối với trục vít.
- Flight: cánh vít.
Các thông số quan trọng:
- Đường kính vít đùn (D)
- Chiều dài vít đùn (L)
- Số gân cánh (flight): số gân cánh một vòng trục hay số khoảng cách các ô trống
trên trục vít cho một bước vít.
- .
- Bước vít (Pitch): khoảng cánh giữa hai gân vít liên tiếp.
- Chiều rộng rãnh (Channel Width): khoảng cách giữa 2 cánh vít liên tiếp (không
kể bề dày của cánh vít).
- Góc nghiêng (Helix Angle): góc tạo bởi gân cánh vít so với mặt ngang của trục
vít. Thực tế thường chọn góc nghiêng 17030.
- Bề dày cánh vít (Axial Flight Width): độ dày của một cánh vít.
63
Cấu tạo của trục vít
Các vùng trục vít:
- , mang tính chất chuyển động khối. Để hạt vật liệu có thể chuyển động
tới thì ma sát giữa hạt vật liệu với bề mặt trục vít phải nhỏ hơn ma sát giữa
.
-
, bề dày khối rắn tăng dần khi khối vật
liệu tiến về phía trước.
- Vùng định lượng: vật liệu ở trạng thái chảy nhớt, chuyển động của vật liệu là dạng
chuyển động ma sát nhớt.
:
Đầu tạo hình đặt ở đầu ra của máy đùn. Tạo ra sản phẩm với hình dạng mong muốn.
Đầu tạo hình dạng vành khuyên (annular die) dùng tạo ống, bọc dây điện. Đầu tạo hình
có khe (slit die) dùng tạo màng mỏng, tấm. Đầu đùn circular die dùng để tạo sản phẩm
dạng sợi, que. Đầu tạo hình profile để tạo các sản phẩm có các hình dạng khác. Đầu
tạo hình được định danh theo loại sản phẩm nên ta có thể gọi: đầu tạo hình tấm, màng
mỏng . . .
Một số đầu tạo hình
64
PHỤ LỤC B : CÁC KẾT QUẢ PHÂN TÍCH