Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị sản xuất viên nhiên liệu từ rác thải khó phân huỷ đã qua phân loại, năng suất 200-500kg/ giờ

Việc coi rác thải là nguồn nguyên liệu để tái sử dụng vào các mục đích khác là phương pháp đang được chính phủ, các ban ngành và các đơn vị hết sức quan tâm như: sản xuất phân bón cho câ

Trang 1

BỘ CÔNG THƯƠNG Tổng công ty máy Động Lực và máy nông nghiệp

VIỆN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY NÔNG NGHIỆP

-

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2009

ĐỀ TÀI:

“Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị sản xuất viên nhiên liệu

từ rác thải khó phân hủy đã qua phân loại, năng suất 200-500

kg/h”

Mã số:164-09RD/KHCN

Cơ quan chủ quản: Bộ Công Thương

Cơ quan chủ trì: Viện NCTKCT máy Nông nghiệp

Chủ nhiệm đề tài: Ths Nguyễn Văn Mạnh

7729

27/02/2010

Hà Nội, tháng 12/2009

Trang 2

BỘ CÔNG THƯƠNG Tổng công ty máy Động Lực và máy nông nghiệp

VIỆN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY NÔNG NGHIỆP

-

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2009

ĐỀ TÀI:

“Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị sản xuất viên nhiên liệu

từ rác thải khó phân hủy đã qua phân loại, năng suất 200-500 kg/h”

Trang 3

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 4

1.1.Mục đích của tạo viên nhiên liệu RDF 4

1.2.Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước 4

1.3.Tình hình nghiên cứu trong nuớc 8

CHƯƠNG 2 – CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ 2.1 Đối tượng nghiên cứu 12

2.2 Quy trình công nghệ và thiết bị 13

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình ép viên 14

2.4 Cơ sở lựa chọn nguyên lý làm việc cho máy ép viên 16

CHƯƠNG 3 – THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY ÉP VIÊN 3.1 Thiết kế lựa chọn năng suất máy ép viên từ rác thải khó phân hủy 21

3.1.1 Phân tích nguyên lý làm việc của máy ép viên 21

3.1.2 Điều kiện để quá trình ép viên xảy ra 23

3.1.3 Kết quả thiết kế, tính toán và lựa chọn các thông số kỹ thuật của máy ép viên 300- 500 kg/h 26

A Chọn động cơ và phân phối tỷ số truyền 27

B Tính toán thiết kế các bộ truyền 29

C Tính toán thiết kế trục 38

3.2 Quy trình chế tạo một số thiết bị chính của máy ép viên khuôn phẳng 40

CHƯƠNG 4 – KHẢO NGHIỆM MÁY ÉP VIÊN 46

4.1 Mục tiêu 46

4.2 Nội dung khảo nghiệm 46

4.3 Điều kiện khảo nghiệm 46

4.4 Tiến hành khảo nghiệm 47

4.5 Kết quả khảo nghiệm 48

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58

Kết luận 58

Kiến nghị 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

Trang 4

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của đất nước theo hướng công nghiệp hóa- hiện đại hóa là sự phát triển nhanh chóng của các khu công nghiệp, khu đô thị và hoạt động du lịch kéo theo mật độ dân cư tăng nhanh Đời sống sinh hoạt của người dân được cải thiện, nhu cầu tiêu thụ thực phẩm và các mặt hàng tiêu dùng ngày càng tăng cao Đó là những nguyên nhân khiến lượng rác thải tăng đột biến

Mỗi năm cả nước thải ra hơn 15 triệu tấn rác, bao gồm: rác thải sinh hoạt khoảng 2,7 triệu tấn, rác thải y tế khoảng 2,1 vạn tấn, các chất thải công nghiệp là 13 vạn tấn, rác thải nông nghiệp khoảng 4,5 vạn tấn….tỷ lệ này hiện nay đang tăng lên mức đáng báo động Dự kiến đến năm 2010 lượng rác thải hàng năm sẽ lên tới 23 triệu tấn và cùng với sự tăng lượng rác thải hàng năm thì tỷ lệ các chất độc hại cũng tăng lên [10]

Hiện nay, phương pháp xử lý rác thải chủ yếu vẫn là chôn lấp và đốt Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện nhưng cũng có rất nhiều nhược điểm như: tốn diện tích, gây ô nhiễm nguồn nước và bầu không khí, với lò đốt rác thải phải chi phí đầu tư rất lớn Giá một lò đốt rác của Nhật Bản chào bán là 150.000USD/chiếc, công suất 120kg/h; Trung Quốc, Đài loan khoảng 80.000-100.000USD/chiếc; Đức khoảng 150.000EUR Mức giá đó là rất cao so với nhu cầu thị trường của Việt Nam [16] Các phương pháp này ngày càng trở lên lỗi thời không còn phù hợp với tình hình chung của thế giới cũng như của nước ta

Bên cạnh vấn đề xử lý rác thải gây ô nhiễm môi trường đe dọa sức khỏe của con người là những mối quan tâm về việc giá nhiên liệu hóa thạch tăng nhanh trong những năm gần đây do nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt trong khi nhu cầu sử dụng ngày càng tăng và hiệu ứng nhà kính do ô nhiễm môi trường đã thúc bách việc phát triển năng lượng hạt

Trang 5

nhiều khó khăn về vấn đề: an toàn cho máy móc thiết bị, khả năng xử lý các chất phóng xạ, vốn đầu tư lớn, chi phí bảo dưỡng cao… nên khó phát triển rộng rãi được ở nhiều quốc gia Do đó, việc tìm kiếm và sử dụng nguồn năng lượng tái sinh là nhu cầu cấp thiết, làm giảm ô nhiễm môi trường

Ở nước ta, công nghệ xử lý rác thải vẫn còn là vấn đề nan giải bởi nó đòi hỏi qui trình kỹ thuật đồng bộ, khép kín và suất đầu tư cao Việc coi rác thải là nguồn nguyên liệu để tái sử dụng vào các mục đích khác là phương pháp đang được chính phủ, các ban ngành và các đơn vị hết sức quan tâm như: sản xuất phân bón cho cây trồng từ các loại rác thải hữu cơ dễ phân hủy, các loại rác thải phụ phế phẩm trong nông nghiệp (vỏ trấu, rơm, cỏ, mùn cưa…) và rác thải khó phân hủy mà khi đốt cho nhiệt trị cao (nhựa, nilon, da giầy, vải…) có thể sản xuất thành chất đốt trong công nghiệp hoặc tái chế thành các vật dụng khác (ván ép, coopha, ống cống…)

Trong dây chuyền sản xuất chất đốt để thay thế nguồn nhiên liệu hóa thạch thì thiết bị tạo viên là một trong những thiết bị chính của dây chuyền

Ưu điểm của việc tạo viên là làm giảm đáng kể thể tích của nguyên liệu, thuận tiện cho việc chuyên chở, bảo quản, tiết kiệm chi phí vận chuyển, giảm diện tích lò đốt, dễ dàng cơ giới hóa khâu tiếp liệu

Trên thế giới, đã có rất nhiều nước nghiên cứu công nghệ và chế tạo thiết bị tạo viên mang tính thương mại hóa cao như: Mĩ, Đức, Italia… Ở Châu Á có Trung Quốc, Thái Lan Tuy vậy giá cả của các thiết bị này thường quá cao, không thuận tiện cho các dịch vụ sau bán hàng, không phù hợp với các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ ở nước ta… Trong khi đó, ở nước ta hầu như chưa có công trình nghiên cứu nào về việc biến rác thải khó phân hủy thành chất đốt dưới dạng viên RDF( refuse derived fuel) có thể dùng trong các lò nung, lò hơi công nghiệp, các nhà máy nhiệt điện đốt than…

Vì vậy, việc đi sâu nghiên cứu công nghệ, thiết kế, chế tạo máy ép viên rác thải khó phân hủy thành chất đốt dạng viên RDF để thay thế nguồn

Trang 6

nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt là yêu cầu rất thiết thực

Xuất phát từ những nhu cầu thực tế trên, được sự đồng ý của Vụ Khoa học và Công nghệ - Bộ Công Thương chúng tôi tiến hành nghiên cứu

đề tài “ Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị sản xuất viên nhiên liệu từ

rác thải khó phân hủy đã qua phân loại, năng suất 200 – 500 kg/h”

Trang 7

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Mục đích của tạo viên nhiên liệu RDF( refuse derived fuel)

Ép tạo hình sản phẩm là quá trình tác động lực cơ học vào vật liệu để liên kết các phần tử vật thể ở dạng phân tán với nhau nhằm mục đích:

1 Làm giảm thể tích chứa của nguyên liệu xuống 5-8 lần, rất thuận tiện cho việc bảo quản, chuyên chở, đóng bao, sử dụng, sấy…

2 Tính lưu động (dễ chảy) tốt, quản lý tiện lợi, rất thuận tiện cho việc cơ giới hóa khâu cấp liệu vào trong lò đốt

3 Hiệu suất nhiệt cao hơn so với đốt nguyên liệu dạng thô

4 Tạo sản phẩm có hình dáng, kích thước và khối lượng phù hợp với yêu cầu công nghệ chế biến, khi sản phẩm có hình dáng đẹp, khối lượng phù hợp với khả năng tiêu thụ sẽ thu hút đươc cảm tình và kích thích sức mua của người tiêu dùng

1.2 Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước

Rác thải ngày nay đã trở thành vấn đề lớn của toàn thế giới Chỉ tính riêng ở các nước Châu Âu hiện nay hơn 70% chất thải rắn đô thị được xử

lý bằng phương pháp chôn lấp Trong khi đó mục tiêu của các nước này là đến năm 2020 lượng rác thải chôn lấp phải giảm được 35% Vì vậy nhiều nước EU phải thay đổi triệt để thực tiễn quản lý rác thải Mục tiêu hàng đầu

là tăng mức độ tái chế, thu hồi năng lượng và chế biến rác thải thành phân bón (Thụy Điển là nước hiện đang rất phổ biến các loại máy chuyên sản xuất phân bón từ rác thải sinh hoạt)[15]

Một trong những giải pháp được các nước này đặc biệt quan tâm là biến nguồn giác thải khó phân hủy này thành dạng viên RDF RDF có thể

sử dụng như một nguồn thay thế than trong các lò hơi công nghiệp, điển hình là trong các nhà máy nhiệt điện đốt than Đây là một giải pháp bền vững góp phần giảm bớt lượng giác thải chôn lấp Công nghệ này hiện nay phát triển khá mạnh tại Italia, Anh, Đức, Pháp…

Trang 8

Bảng 1: Sử dụng viên nhiên liệu ở một số nước trên thế giới

Nước Sử dụng (tấn) Canada 690.000 Thụy Điển 1.400.000 Italia 550.000 Đức 400.000

Mỹ 650.000 Đan Mạch 400.000

Hình 1.1: Hình ảnh các loại viên ép từ phế liệu ngành da giầy

Một số tên tuổi lớn trong chế tạo máy ép viên (Pellet mill) ở châu Âu

và Châu Mỹ như: Bliss (Mĩ), Kahl (Đức), La Meccanica (Ý), Vanarsen (Hà Lan)…, còn ở Châu Á thì có Chính Xương và Mynhiang (Trung Quốc)… Máy ép viên được ứng dụng cho rất nhiều sản phẩm khác nhau như: chế biến thức ăn cho người và gia súc, ép viên phế thải nông nghiệp (rơm, cỏ,

vỏ trấu, mùn cưa ), ép viên rác thải khó phân hủy (nhựa, da giày, vải, phoi kim loại, túi nilong…), tùy thuộc vào mỗi loại đối tượng đòi hỏi có thiết bị

ép viên phù hợp

Dưới đây là một số loại máy ép viên do nước ngoài sản xuất

Trang 9

Hình 1.2: Máy ép tạo viên kiểu khuôn vành của hãng ZTMT (Trung Quốc)

Máy ép tạo viên kiểu khuôn vành do hãng ZTMT (TQ) sản xuất (hình 1.2) được dùng phổ biến trong lĩnh vực chế biến thức ăn chăn nuôi

Hình 1.3: Máy ép tạo viên của Đức ( Model 600)

Máy ép tạo viên do Đức sản xuất (hình 1.3) là loại máy ép phế liệu thành viên như: các phế liệu từ việc chế biến gỗ ép thành viên nhằm sản xuất nhiên liệu cho các lò đốt và tái chế

Trang 10

Hình 1.4: Máy ép viên khuôn phẳng của hãng Holyphant (Trung Quốc)

Hình 1.5 Máy ép viên trục đứng loại nhỏ

Trang 11

Hình 1.6 Máy ép khuôn phẳng của hãng Kahl ( Đức)

Máy ép viên trục đứng do Trung Quốc sản xuất (hình 1.4 và 1.5) và máy ép viên của hãng Kahl (Đức) được ứng dụng cho rất nhiều loại nguyên liệu:

- Phân bón: phân bón hữu cơ, phân bón vô cơ, phân vi sinh

- Thức ăn chăn nuôi: viên thức ăn gia cầm, viên thức ăn động vật

- Nhiên liệu: viên mùn cưa

- Viên RDF

- …Và nhiều lĩnh vực khác nữa

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước

Theo nghiên cứu khảo sát của Bộ Tài nguyên môi trường, mỗi năm

cả nước thải ra khoảng 15 triệu tấn chất thải, trong đó 80% rác thải sinh hoạt và 20% chất thải công nghiệp Khoảng 70% lượng rác thải đã được thu gom Mới chỉ có 20% các bãi chôn lấp rác là hợp vệ sinh Dự báo, lượng rác thải hàng năm sẽ tiếp tục gia tăng, với lượng rác thải lớn như vậy

Trang 12

thì mức độ đầu tư là rất lớn Vì vậy, yếu tố then chốt hiện nay là nghiên cứu tìm giải pháp công nghệ phù hợp, có suất đầu tư nhỏ mà vẫn đáp ứng nhu cầu hiện tại của Việt Nam

Để khắc phục tình trạng đó, hiện nay nhiều địa phương đang đầu tư hàng chục tỷ đồng để xây dựng những nhà máy xử lý rác thải với công suất

từ 200 – 300 tấn/ngày Đối với chất thải hữu cơ dễ phân hủy được đưa vào sản xuất phân vi sinh đa chủng POLYFA nhờ công nghệ vi sinh đa chủng, công nghệ này đang được ứng dụng tại công ty TNHH Phân sinh hóa Sông Kôn (Tây Sơn – Bình Định), công ty công nghệ môi trường xanh Seraphin ứng dụng công nghệ seraphin vào sản xuất phân vi sinh, Nhà máy phân lân Văn Điển(Cầu Diễn)… Đối với chất thải khó phân hủy cho đến nay vẫn chưa có cách giải quyết hiệu quả mà phương pháp chủ yếu vẫn là chôn lấp, đốt Theo nghiên cứu, riêng với túi nilon chôn vùi dưới đất phải mất tới 400 – 600 năm mới có thể phân hủy hết gây ô nhiễm nguồn nước, còn rác thải ngành da giầy và may mặc cũng được xử lý bằng cách đốt thông thường Khi đốt các loại rác thải này sẽ thải ra môi trường rất nhiều chất độc hại gây ô nhiễm bầu không khí ảnh hưởng tới sức khỏe con người

Quy trình ép rác thải khó phân hủy thành viên nhiên liệu rắn RDF là một trong những quy trình đang rất được các nhà máy quan tâm và chú trọng phát triển Những chất thải rắn trong công nghiệp và sinh hoạt cũng

có thể biến thành viên nhiên liệu thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch ở chính cơ sở tạo ra chúng, góp phần bảo vệ môi trường, hạn chế chôn lấp, tăng hiệu quả sản xuất kinh doanh như:

- Phế thải ngành da giầy

- Phế thải nhà máy giấy, gỗ

- Phế thải các nhà máy dệt may

- Phế thải các nhà máy chế biến nông sản: đường, cà phê, lúa gạo

- Phế thải hữu cơ khó phân hủy ở nhà máy xử lý rác sinh hoạt

Trang 13

dụng khá nhiều trong nhiều lĩnh vực như: Chế biến thức ăn gia súc, gia

cầm, thức ăn thủy sản, ép viên rác thải làm phân bón… Nhu cầu về máy ép

viên là rất lớn, tuy nhiên nguồn cung cấp chủ yếu vẫn là nhập khẩu từ nước

ngoài với giá thành rất cao không phù hợp với túi tiền của các nhà sản xuất

trong nước Cũng đã có một số cơ quan đi vào nghiên cứu, sản xuất máy ép

viên như: Viện Nghiên Cứu Thiết Kế Chế Tạo Máy Nông Nghiệp, Viện Cơ

Điện Nông Nghiệp, … Nhưng kết quả còn rất hạn chế và sản phẩm chủ yếu

phục vụ cho ngành chế biến thức ăn chăn nuôi và phụ phế liệu nông nghiệp

còn với rác thải khó phân hủy có nhiệt trị cao thì vẫn còn bỏ ngỏ

Hình 1.7 Máy ép tạo viên 2-3 T/H

Trấu ép viên Lõi ngô ép viên Than bùn vi sinh ép viên

Trang 14

Bã sắn ép viên Sắn lát ép viên

Hình 1.8 Một số sản phẩm viên ép từ phế liệu nông nghiệp của Viện

NCTKCT máy Nông Nghiệp

Từ những vấn đề thực tế trên đây, chúng tôi nhận thấy cần phải đi sâu nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị ép viên RDF từ rác thải khó phân hủy phù hợp nhằm phục vụ cho những yêu cầu thiết thực đang đặt ra

Trang 15

CHƯƠNG 2 – CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ

2.1.Đối tượng nghiên cứu

Để phân loại, người ta có thể phân ra làm nhiều loại như: rác thải sinh hoạt, rác thải nông nghiệp, rác thải công nghiệp, rác thải y tế, rác thải

ở các nhà máy giấy, gỗ,dệt may, chế biến…trong đó chúng ta chủ yếu đi sâu vào các thành phần rác thải cho năng lượng cao khi đốt

Ví dụ như: Đối với rác thải sinh hoạt thành phần chất thải sinh hoạt bao gồm:

Trang 16

Bảng 2.1 Bảng nhiệt trị của một số loại nhiên liệu

Loại nhiên liệu Nhiệt trị

(kcal/kg)

Loại nhiên liệu Nhiệt trị

(kcal/kg)

Dầu hỏa 11528 Vỏ trấu 3400

Diezel 10917 Vỏ cây cọ 4700

Viên RDF có nhiệt trị khá cao ≈60% nhiệt trị của than cám, nếu tận

dụng được nguồn năng lượng này thì đây là một việc làm hết sức có ý nghĩa góp phần đáng kể làm giảm việc tiêu thụ nguồn năng lượng hóa thạch như than đá, dầu mỏ, cũng như các nguồn năng lượng có nguồn gốc

từ cây rừng Mặt khác góp phần rất lớn vào việc bảo vệ môi trường sống

của con người

2.2 Quy trình công nghệ và thiết bị

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ ép viên phế thải

Làm nguội Sàng

Sản phẩm viên ép nhiên liệu (RDF)

Trang 17

Trong quy trình trên thì nhóm tác giả chủ yếu đi sâu tìm hiểu, nghiên cứu và thiết kế chế tạo máy ép viên làm nhiệm vụ chính

Rác thải sau khi được phân loại phải làm khô sơ bộ để tạo điều kiện cho quá trình nghiền được dễ dàng, đường kính nguyên vật liệu càng nhỏ thì càng tiết kiệm được năng lượng cho quá trình tạo viên Tùy thuộc vào thành phần rác thải, kích thước và độ ẩm mà ta có thể bổ xung thêm ẩm và chất phụ gia cho nguyên liệu trước khi đưa vào ép viên nhằm đạt được năng suất và chất lượng viên ép tốt Thường thì để đảm bảo chất lượng viên

ép tốt nhất, người ta thường làm khô nguyên liệu xuống dưới độ ẩm 15%

Áp suất của quá trình nén từ 30 – 150 Mpa Ma sát giữa vật liệu với khuôn

ép, ma sát giữa vật liệu với nhau làm nhiệt độ viên ép tăng cao khoảng 60 –

700C (đối với máy ép khuôn vành người ta còn dùng hơi nước quá nhiệt để làm nóng nguyên liệu trước khi ép viên), độ ẩm viên khoảng 13 – 15% Do

đó, phải làm nguội viên ép để tránh hiện tượng hút ẩm trở lại từ môi trường, giúp cho quá trình bao gói và bảo quản được thuận tiện Đường kính của viên ép có thể là 4; 6; 8; 10; 12 mm (Đối với rác thải chủ yếu ép viên có đường kính là 6,8,10 và trong đề tài này tác giả cũng đi sâu vào tiến hành với các loại khuôn ép có đường kính lỗ như trên) Sau đó viên ép

được đưa qua sàng phân loại để loại bỏ các viên bị vỡ và các mảnh vụn 2.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình ép viên

Muốn đạt được năng suất cao và chất lượng của viên ép tốt đáp ứng yêu cầu của người sử dụng, cần phải quan tâm nhiều và có cách xử lý tối

ưu nhất tới các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình làm việc của máy ép viên như:

a) Độ ẩm nguyên liệu đưa vào ép viên

Độ ẩm nguyên liệu là một thông số hết sức quan trọng trong quá trình ép viên, độ ẩm nguyên liệu quá khô sẽ làm cho ma sát giữa thành lỗ với nguyên liệu tăng cao dẫn đến làm tăng lượng bụi bột, tăng phản lực ép

có thể dẫn đến vỡ khuôn Độ ẩm quá cao làm cho liên kết viên trở lên yếu làm viên dễ vỡ Qua tham khảo một số tài liệu [9], thấy rằng độ ẩm nguyên liệu phù hợp cho ép viên từ 12-22%

Trang 18

b) Vận tốc tương đối của quả lô ép với khuôn ép

Vận tốc tương đối của quả lô với khuôn ép có ảnh hưởng rất lớn tới năng suất và chất lượng tạo viên Thông thường vận tốc càng lớn thì năng suất càng cao tuy vậy cũng không nên vận tốc lên quá cao sẽ ảnh hưởng tới quá trình chạy ổn định của máy, vận tốc tương đối của quả lô với khuôn phẳng nên lấy trong khoảng 2-5m/s [6]

c) Khe hở giữa quả lô và khuôn ép

Khe hở giữa quả lô với khuôn có ảnh hưởng rất lớn tới áp lực ép vì vậy dẫn đến ảnh hưởng tới chất lượng viên ép Thông thường khe hở ép thường nằm trong khoảng 0,3-1,2mm đối với từng loại nguyên liệu khác nhau Khoảng cách càng nhỏ viên càng chặt

d) Kết cấu và chất lượng chế tạo khuôn ép và quả lô ép

Kết cấu hợp lý, chất lượng khuôn ép và quả lô ép tốt sẽ góp phần tăng năng suất, tăng tuổi thọ máy, giảm chi phí sản xuất

Trong quá trình làm việc, khuôn và lô ép là hai bộ phận chịu ảnh hưởng lớn nhất của quá trình ép, ngoài chịu ảnh hưởng của phản lực nén ép

có hướng vuông góc với mặt khuôn, lực ma sát song song với mặt khuôn thì lô ép còn đồng thời chịu ảnh hưởng của lực li tâm Vì vậy trong quá trình tính toán, thiết kế cần hết sức lưu ý tới các yếu tố trên để lựa chọn vật liệu và kết cấu cho phù hợp

e) Áp lực ép

Để ép ra viên có hình dạng và độ chắc bền nhất định thì khuôn ép và quả lô ép buộc phải chịu một áp lực rất lớn để tạo sức ép làm cho vật liệu thoát ra khỏi lỗ khuôn Áp lực này có thể dẫn tới vỡ tức thời của khuôn, thời gian làm việc vượt quá cũng sẽ tạo ra tổn thương và mỏi của khuôn làm ảnh hưởng tới chất lượng viên ép thành phẩm Bởi vậy, việc chọn vật liệu và phương pháp chế tạo khuôn là nhân tố rất quan trọng quyết định tính bền của khuôn

Trang 19

f) Nhiệt độ

Trong quá trình tạo viên, khuôn chịu sức ép co dãn của vật liệu ép và quả lô nén ép vật liệu vào lỗ khuôn gây ma sát giữa vật liệu với vật liệu và

ma sát giữa vật liệu với khuôn và quả lô ép làm phát sinh nhiệt trong buồng

ép viên Nhiệt phát sinh quá lớn có thể làm cháy nguyên liệu, làm biến đổi thành phần trong nguyên liệu

2.4 Cơ sở lựa chọn nguyên lý làm việc cho máy ép viên

Dựa vào nguyên lý làm việc người ta chia máy ép viên được làm các loại cơ bản là:

+ Máy ép viên khuôn vành:

+ Máy ép viên khuôn phẳng:

+ Máy ép kiểu pittong, hoặc dạng vít

(1 to + 1 nhỏ)

Trang 20

*Máy ép viên kiểu pittong hoặc dạng vít xoắn có ưu điểm là kết cấu đơn giản, nhưng lại có nhiều nhược điểm đó là tốc độ mòn của vít xoắn rất nhanh, do đó không phù hợp với đối tượng nghiên cứu

*Máy ép viên khuôn vành là loại máy ép viên kiểu khuôn quay, được ứng dụng rất rộng rãi trong ngành chế biến thức ăn chăn nuôi Máy ép viên khuôn vành kiểu khuôn quay được chia thành 3 loại như hình 2.3.a,b,c Máy ép viên khuôn vành khuôn ép chứa toàn bộ lô bên trong Cả khuôn

và lô đều quay, trong quá trình làm việc lô đẩy nguyên liệu đã được trộn xuyên qua lỗ khuôn

Ưu điểm là:

+ Năng suất cao

+ Năng lượng riêng thấp

Nhược điểm:

+ Khuôn ép khó chế tạo hơn so với khuôn phẳng nên giá thành cao hơn, tháo lắp phức tạp hơn

+ Chỉ ứng dụng cho các nguyên liệu dạng bột có tính đồng đều

cao do góc chèn ép nguyên liệu vào lỗ khuôn giữa quả lô và khuôn

ép nhỏ

+ Nguyên liệu đưa vào không được quá khô để tạo ra một lực

ma sát để khi vung lên nguyên liệu sẽ luôn được tạo thành một lớp mỏng bám trên thành khuôn đảm bảo cho các quả lô đều được ăn liệu đồng đều, tránh hiện tượng có quả lô không làm việc làm giảm năng suất và gây hư hỏng nhanh

+ Điều chỉnh khe hở giữa các quả lô với khuôn ép đòi hỏi độ

chính xác đồng đều cao

+ Viên ép sau khi cắt rơi xuống theo quán tính quay tròn của khuôn ép sẽ bị văng vào thành của vỏ máy nên dễ bị vỡ viên

Trang 21

Hình 2.4 Cấu tạo quả lô, khuôn ép được sử dụng trong máy ép viên khuôn vành

* Máy ép viên khuôn phẳng bao gồm kiểu quả lô quay và kiểu khuôn quay Loại khuôn quay thường dùng với những máy có công suất nhỏ và ít được sử dụng, loại thứ 2 là loại khuôn đứng yên và quả lô quay Loại này phổ biến hơn được sử dụng tương đối rộng rãi ở Châu Âu và các nước Đông Nam Á

Máy ép viên khuôn phẳng kiểu quả lô quay được chia làm 2 loại: kiểu quả

lô thẳng (hình 2.5b), kiểu quả lô côn (hình 2.5a)

a) Kiểu quả lô côn b) Kiểu quả lô thẳng

Hình 2.5 Các kiểu lô trong máy ép viên khuôn phẳng

Trang 22

Máy ép viên khuôn phẳng đã khắc phục được những hạn chế của máy ép viên khuôn vành như:

+ Dễ chế tạo và thay thế khuôn khi bị hư hỏng

+ Khe hở giữa khuôn và lô ép có thể điều chỉnh dễ dàng, thao tác đơn giản

+ Góc ăn nguyên liệu giữa quả lô và khuôn phẳng lớn hơn so với khuôn vành nên có thể ứng dụng cho cả những nguyên liệu dạng thô, sợi

+ Khi bề mặt làm việc của khuôn bị mòn có thể lật mặt trái để sử dụng, do đó nâng cao được tuổi thọ của khuôn

+ Do nguyên liệu đi vào buồng ép từ trên xuống, đồng thời có tấm gạt trên bề mặt khuôn cho nên nguyên liệu luôn được phân bố đồng đều trên bề mặt khuôn, vì thế dù ở vị trí nào của khuôn đều ép ra viên bằng nhau

+ Viên ép cứng hơn, ít bụi bột

+ Viên ép sau khi cắt rơi thẳng xuống theo trọng lượng bản thân và được đưa ra ngoài dễ dàng nhờ đĩa dao gạt, viên không bị va chạm với vỏ máy nên tỉ lệ viên vỡ ít

+ Máy ép viên kiểu khuôn vành sử dụng phương pháp ép nửa khô, khi ép nhiệt lượng sinh ra tương đối lớn, có thể đạt tới 700C và lớn hơn nữa, dễ làm hư hỏng bộ phận nguyên liệu có tính nhạy cảm với nhiệt Thông thường người ta dùng phương pháp giảm chiều dài lỗ của khuôn để giảm thấp sự tăng nhiệt Nhưng về phương diện khác do giảm ngắn chiều dài hữu hiệu của khuôn thì dẫn tới làm tăng lượng bụi bột sinh ra khi ép, tỉ

lệ thành phẩm giảm thấp xuống kéo theo sự giảm độ cứng của viên Khắc phục tình trạng này người ta dùng khuôn phẳng, không cần giảm độ dài hữu hiệu của khuôn mà vẫn có thể giảm thấp nhiệt độ của viên bằng cách thiết kế ống nước làm nguội trực tiếp vừa giữ được độ cứng của viên vừa giảm được nhiệt độ của viên

Trang 23

+ Truyền động sử dụng dây đai hình thang, bánh vít - trục vít hoặc cặp bánh răng côn…, truyền động sẽ ổn định và tiếng ồn thấp

Từ những phân tích ưu nhược điểm của các kiểu máy ép viên khuôn phẳng, khuôn vành và vít xoắn với tính chất của nguyên liệu ép là rác thải khó phân huỷ (dạng thô,sợi, độ đồng đều thấp), cũng như đánh giá khả năng chế tạo ở trong nước chúng tôi đã lựa chọn kiểu máy ép khuôn phẳng

lô thẳng với 2 quả lô quay làm đối tượng để nghiên cứu, thiết kế và chế tạo

Hình 2.6 Cấu tạo quả lô ép, khuôn ép và bộ truyền động được sử dụng

trong máy ép viên khuôn phẳng

Trang 24

CHƯƠNG 3 – THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY ÉP VIÊN

3.1 Thiết kế lựa chọn năng suất máy ép viên từ rác thải khó phân hủy

3.1.1 Phân tích nguyên lý làm việc của máy ép viên

Vật liệu sau khi trộn được đưa vào bên trong buồng ép của máy ép viên, nhờ có tấm dẫn liệu ở mặt trên bề mặt khuôn phẳng được phân bố một cách đều đặn Khuôn phẳng cố định, trên mặt khuôn lắp 2 quả lô được lắp chặt trên trục chính Khi trục quay, quả lô quay theo đồng thời dưới tác dụng của ma sát quả lô ép quay trục lô tạo ra lực ép vật liệu Ở đây vật liệu được nén ép và đi ra khỏi lỗ của khuôn được dao cắt thành các chiều dài khác nhau sau đo được đưa ra khỏi buồng ép nhờ đĩa gạt liệu Đường kính của khuôn phẳng khoảng từ 175 ÷ 1250 mm, chiều dày là 30 ÷ 150 mm Phương thức truyền động: truyền động đai và bánh răng

Hình 3.1 Máy ép viên kiểu khuôn phẳng lô quay

Quá trình hình thành viên của máy ép viên, là tạo ra trên cơ sở khe

hở tồn tại giữa thể bột Nguyên liệu bột dưới tác dụng của các nhân tố: nhiệt độ, lực ma sát, lực ép… tổng hợp lại, khiến cho khoảng không của thể bột nhỏ lại mà hình thành viên có cường độ và độ chặt nhất định

Trang 25

Hình 3.2 Khoảng cách giữa lô và khuôn có thể điều chỉnh

Căn cứ vào trạng thái khác nhau của nguyên liệu bột trong quá trình ép, có thể chia làm 3 vùng: vùng cung cấp liệu, vùng ép biến dạng và vùng ép thành hình

a) Vùng cấp liệu

Về cơ bản vật liệu không chịu ảnh hưởng của bất kỳ ngoại lực nào, nhưng lại chịu ảnh hưởng của lực ép giữa quả lô và khuôn ép cùng với trọng lượng bản thân nguyên liệu khi rơi từ trên xuống, khiến cho vật liệu dán chặt trên bề mặt của khuôn, mật độ là ≈ 0,4 g/cm3

b) Vùng ép biến dạng

Theo khuôn và sự quay của quả lô, vật liệu tiến vào vùng ép chặt, nhận được tác dụng ép của khuôn và quả lô, giữa nguyên liệu bột sinh ra sự dịch chuyển tương đối Theo sự gia tăng dần của lực ép, khoảng không giữa thể bột nhỏ lại, vật liệu không thể sinh ra sự biến dạng ngược lại, độ chặt tăng đến 0,9 – 1 g/cm3

c) Vùng ép thành hình

Ở trong vùng ép khe hở giữa khuôn và quả lô tương đối bé, lực ép đột ngột tăng lớn, bề mặt tiếp xúc giữa thể bột tăng mạnh, sinh ra sự nhớt tương đối tốt, đồng thời bị ép vào lỗ của khuôn Do vật liệu có tính biến dạng đàn hồi nên độ chặt của viên hình thành đạt tới 1,2 – 1,4 g/cm3 Sau khi vật liệu bị ép ra khỏi lỗ khuôn, nó có tỷ lệ đàn hồi nhất định (nghĩa là đường kính của viên lớn hơn đường kính của lỗ khuôn) Nói chung tỷ lệ

Trang 26

đàn hồi là 2 – 5% Tính chất vật lý của vật liệu và tỷ số chiều dài đường kính của khuôn (L/D) ảnh hưởng đến tỷ lệ đàn hồi

3.1.2 Điều kiện để quá trình ép viên xảy ra

Vật liệu bột bị quả lô ép đưa vào vùng ép biến dạng chủ yếu dựa vào

ma sát bề mặt khuôn ép, lô ép với nguyên liệu Để thăm dò điều kiện đưa vào này cần phải nghiên cứu trạng thái lực nhận được của nguyên liệu của từng đoạn nhỏ của vùng cấp liệu gần với vùng ép biến dạng

Bề mặt ngoài của quả lô ép sẽ kéo vật liệu vào điểm giới hạn của vùng biến dạng, đường cắt tại A và với đường cắt của mặt trong của khuôn

A1 Hai đường tiếp tuyến cắt nhau tại C

Phân tích lực nhận được của vật liệu tại hiện trạng, xét tam giác ACA1 lấy C làm gốc, CA1 là trục X, lập sơ đồ ( hình 3.3)

Theo hình 3.3 Góc ACA1 = DAO1 = β ( β đặt là góc lấy liệu), xác định điều kiện của β tức là tìm điều kiện tất yếu của ép viên

Trong ∆ACA1: N là áp lực nhận được của quả lô ép

Trang 27

Hình 3.4 Sơ đồ phân tích lực xảy ra trong quá trình ép

Lực nguyên liệu nhận được để đưa nguyên liệu vào vùng biến dạng:

f Q N

f T F

cos

β

(3.1)

Trong đó: f là hệ số ma sát giữa quả lô, khuôn với nguyên liệu

Điều kiện bột tiến vào khu vực ép biến dạng được tính theo công thức:

β

A

O1

Vùng ép thành hình Vùng ép biến dạng

Trang 28

Q = N cosβ + f.N.sinβ (3.3)

Thay Q vào phương trình (3.2) ta được:

f.N.cosβ + f.N.cosβ + f2.N.sinβ ≥ N.sinβ

⇒ 2.f.N.cosβ + f2.N.sinβ ≥ N.sinβ

⇒ 2.f.cosβ + f2.sinβ ≥ sinβ

21

.2

f

f tg

−

≤

⇒ β (3.4)

Nói chung f = 0,37 - 0,1 nghĩa là 100 ≤ β ≤ 400 [6]

Từ đó có thể thấy góc β và hệ số ma sát f tỷ lệ thuận với nhau Hệ

số ma sát f giữa quả lô, khuôn và nguyên liệu khác nhau thì góc lấy liệu β cũng khác nhau Khi góc β thỏa mãn điều kiện (3.4) thì sẽ tạo được viên (hay vật liệu tiến được vào vùng ép biến dạng)

Từ hình vẽ ta nhận thấy ứng với kích thước khuôn và lô ép nhất định góc β nhất định sẽ có vùng biến dạng nhất định và độ dày lớp vật liệu H tương ứng Vật liệu đưa vào quá nhiều cũng không thể tăng được năng suất, tính chất của mỗi loại nguyên liệu và hệ số ma sát f của mỗi loại nguyên liệu có ảnh hưởng đến việc tạo viên

Trạng thái lực nhận được của khuôn phẳng và khuôn vành về cơ bản

là giống nhau Nhưng bởi vì vận tốc tiếp tuyến của khuôn phẳng + quả lô thẳng khác nhau do đó ảnh hưởng tới sự đồng nhất về chất lượng sản phẩm Nếu dùng quả lô hình côn thì vấn đề trên được cải thiện

Vì thế chiều rộng của quả lô ép và đường kính khuôn không nên quá lớn

Vận tốc tương đối trên bề mặt khuôn phẳng là từ 2 ÷ 5 m/s, còn với khuôn vành là từ 4 ÷ 8 m/s Độ chặt của viên ép ra tương đối thấp

Trang 29

3.1.3 Kết quả thiết kế tính toán và lựa chọn các thông số kỹ thuật của máy ép viên 200 – 500 kg/h

Trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại máy ép viên khuôn phẳng của nhiều hãng khác nhau Nhóm tác giả đi sâu vào tìm hiểu thông số kỹ thuật của một số loại máy do hãng kahl (Đức) và một số máy ép do Trung Quốc sản xuất

Bảng 3.1 - Đặc tính kỹ thuật cơ bản của một số máy ép do hãng kahl sản

Trang 30

Bảng 3.2 Đặc tính kỹ thuật cơ bản của một số máy ép do Trung Quốc

sản xuất

TT Ký hiệu

máy

Đường kính khuôn (mm)

Đường kính quả lô/ chiều rộng

(mm)

Số lượng quả lô

Vận tốc tiếp tuyến (m/s)

Diện tích hữu hiệu của khuôn (cm 3)