Than mùn cưa được sản xuất bằng phương pháp nhiệt phân trong điều kiện hiếm khí, tại nhiệt độ khoảng 450o C. Trong quá trình sản xuất than mùn cưa, độ ẩm của nguyên liệu, thời gian cacbon hóa, nhiệt độ cacbon hóa… cũng ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng sản phẩm của than.
Trang 1KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ
2 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
2.1 Đối tượng nghiên cứu
Mùn cưa được thu gom tại các làng nghề chế biến gỗ tại Hà Nội, chủ yếu là ở làng nghề chế biến gỗ ở huyện Thạch Thất, Đan Phượng Mùn cưa mua về được sàng lọc, đảm bảo kích cỡ hạt đồng đều (≤5mm) Độ ẩm mùn cưa tốt nhất cho sản xuất thanh củi mùn cưa là
10 - 14%, trong khi đó mùn cưa trong xẻ gỗ thường xẻ
từ cây tươi nên có độ ẩm từ 18 - 35% Do đó, mùn cưa được đưa qua hệ thống sấy khô Sau khi sấy khô, mùn cưa được đưa vào hệ thống máy ép thanh định hình theo phương pháp gia nhiệt Mục đích của quá trình
ép thanh là biến các loại mùn cưa gỗ tạp (keo, mỡ, bồ
đề, bạch đàn ) thành thanh gỗ cứng, tương đương với các loại gỗ cứng trong tự nhiên Khối lượng riêng của mùn cưa là 300 kg/m3, sau khi ép thành thanh củi mùn cưa có khối lượng riêng khoảng 1.200 - 1.400 kg/
m3 Thanh củi mùn cưa sẽ được cho vào lò cacbon hóa thành than mùn cưa trong điều kiện yếm khí
Mẫu thanh củi mùn cưa tiến hành thí nghiệm có nhiệt trị: 4921 kcal/kg; hàm lượng cácbon: 20,46%;
độ ẩm: 3,9%; độ tro: 1,27%; hàm lượng lưu huỳnh: 0,0617%
2.2 Phương pháp nghiên cứu
a Phương pháp thực nghiệm
Quá trình thực nghiệm được tiến hành trong hệ thiết bị gồm lò cacbon hóa R đảm bảo tính kín, không
1 Đặt vấn đề
Việt Nam hiện nay có khoảng trên 300 làng nghề
chế biến gỗ (làng nghề gỗ), với gần 50% số làng nghề
này tập trung tại vùng Đồng bằng sông Hồng [4]
Các làng nghề này sử dụng một lượng gỗ nguyên liệu
tương đối lớn để sản xuất các mặt hàng phục vụ nhu
cầu trong nước và xuất khẩu, đồng thời lượng chất thải
rắn của các làng nghề chế biễn gỗ (chủ yếu là gỗ vụn,
gỗ mảnh, mùn cưa, dăm bào) cũng tăng lên
Bên cạnh đó, nhu cầu sử dụng năng lượng của Việt
Nam gia tăng cùng tốc độ tăng trưởng kinh tế và phát
triển công nghiệp Nhiên liệu đốt được sản xuất từ
biomass trong đó có than mùn cưa có thể thay thế một
số nhiên liệu chất đốt hiện nay như dầu, than đá, củi
tươi dễ sử dụng, góp phần rất lớn trong việc giảm
thiểu chi phí nhiên liệu cho khách hàng đồng thời
giảm thiểu ô nhiễm môi trường do tận dụng được
nguồn mùn cưa, dăm bào thải bỏ Than mùn cưa có
giá thành rẻ, nhiệt trị cao, thời gian cháy lâu đặc biệt
không độc hại và ô nhiễm môi trường nên được người
tiêu dùng trong nước và trên thế giới ưa chuộng
Than mùn cưa được sản xuất bằng phương pháp
nhiệt phân trong điều kiện hiếm khí, tại nhiệt độ
khoảng 450oC [1,2] Nghiên cứu này tiến hành xác
định những ảnh hưởng của độ ẩm nguyên liệu, thời
gian cacbon hóa, nhiệt độ cacbon hóa đến chất lượng
sản phẩm than mùn cưa nhằm đưa ra bộ thông số
công nghệ tối ưu
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG
ĐẾN CHẤT LƯỢNG THAN MÙN CƯA
Hoàng THị Huyền Bích* Trịnh Văn Tuyên Đặng THị THùy Nguyên Phạm Quang Huy
(1)
1 Viện Công nghệ môi trường
TÓM TẮT
Than mùn cưa được sản xuất bằng phương pháp nhiệt phân trong điều kiện hiếm khí, tại nhiệt độ khoảng
450oC Trong quá trình sản xuất than mùn cưa, độ ẩm của nguyên liệu, thời gian cacbon hóa, nhiệt độ cacbon hóa… cũng ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng sản phẩm của than Giá trị nhiệt trị của sản phẩm thu được cao khi độ ẩm của nguyên liệu đầu vào thấp Hàm lượng cacbon tăng theo thời gian cacbon hóa, hàm lượng này
có thể cao hơn nếu sản phẩm được bảo quản tốt để không hút hơi ẩm vào sản phẩm Nhiệt độ là yếu tố ảnh hưởng lớn và quyết định đến hàm lượng cacbon, nhiệt độ càng cao thì hàm lượng cacbon của than sẽ giảm dần Nhiệt độ 450oC là phù hợp để tiến hành cacbon hóa để than mùn cưa đạt hàm lượng cacbon cao (87%)
Từ khóa: Than mùn cưa, độ ẩm, thời gian cacbon hóa, nhiệt độ cacbon hóa.
Trang 2ôxy xâm nhập Mẫu củi mùn cưa được cho vào lò, tiến
hành cacbon hóa tại nhiệt độ T trong khoảng thời
gian t, với độ ẩm W Sau đó ngắt điện lò cacbon hóa,
làm nguội buồng lò xuống khoảng 40oC và mở cửa lấy
mẫu Mẫu sản phẩm sau khi cacbon hóa được để trong
tủ hút đến khi nguội hẳn thì cho vào túi nilông kín
lưu giữ để đem đi phân tích Các thí nghiệm được tiến
hành với độ lặp lại là 3 lần/thí nghiệm
Các thí nghiệm được tiến hành lần lượt như:
- Để tiến hành khảo sát ảnh hưởng của thời gian
đến chất lượng sản phẩm than: cố định T= 450oC, độ
ẩm thanh củi mùn cưa ≤ 8%, trong dải thời gian t=
5 - 45 phút
- Để tiến hành khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến
chất lượng sản phẩm than: Cố định mức thời gian t =
30 phút, độ ẩm thanh củi mùn cưa ≤ 8% và thay đổi
nhiệt độ T ở các mức từ 300 - 550oC
- Để tiến hành khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm đến
chất lượng sản phẩm than: cố định nhiệt độ T= 450oC
và thời gian t= 30 phút, thay đổi độ ẩm W của nguyên
liệu đầu vào
Theo các tác giả Antal và cộng sự, Dominic và cộng
sự, than mùn cưa được sản xuất bằng phương pháp
nhiệt phân nhiệt độ thấp trong điều kiện hiếm khí, tại
nhiệt độ khoảng 450oC nên trong nghiên cứu này chọn
nhiệt độ thử nghiệm ở mức từ 300 - 550oC để đánh
giá ảnh hưởng của nhiệt độ đến chất lượng sản phẩm
than Đồng thời, trên cơ sở kết quả của các nghiên cứu
trước đó của Viện Công nghệ môi trường về điều kiện
tối ưu trong quá trình cacbon hóa thành phần hữu cơ
trong rác thải, trong vật liệu biomass, do đó chọn thời
gian duy trì nhiệt độ cacbon hóa thường trong khoảng
5-45 phút để tiến hành thí nghiệm
b Phương pháp phân tích
- Lấy mẫu và phân tích các chỉ tiêu của sản phẩm
than mùn cưa để đánh giá chất lượng than: Nhiệt
trị, độ ẩm, hàm lượng cacbon, độ tro, hàm lượng lưu
huỳnh
+ Độ ẩm: TCVN 4196:1995
+ Hàm lượng cacbon: ASTM D 3172 – 07ª
+ Nhiệt trị: TCVN 200:2011
+ Tro: TCVN TCVN 173:2011
+ Hàm lượng lưu huỳnh: TCVN175:1995
3 Kết quả nghiên cứu
3.1 Ảnh hưởng của thời gian cacbon hóa đến
chất lượng sản phẩm than mùn cưa
Mỗi giá trị thời gian trong dải từ 5 - 45 phút áp
dụng cho mỗi mẫu thử nghiệm được duy trì trong điều
kiện nhiệt độ không thay đổi 450°C trong thiết bị R
Thời gian cacbon hóa cũng ảnh hưởng lớn đến quá
trình: thời gian càng lâu thì hiệu suất sản phẩm thu hồi
càng thấp vì ngoài hơi nước, CO, CO2, các hợp chất dễ
bay hơi, các hợp chất hữu cơ khác cũng bị phân hủy do
nhiệt độ (Hình 1)
▲Hình 1 Hiệu suất thu hồi than
Hàm lượng cacbon của mẫu than mùn cưa tăng theo thời gian cacbon hóa (Hình 2), hàm lượng cacbon thấp nhất là 39,86% (khi cacbon hóa được 5 phút) sau
đó tăng lên 85,12 % (khi cacbon hóa được 30 phút)
và cao nhất là 89,16% (khi cacbon hóa 45 phút) Hàm lượng này có thể cao hơn nếu sản phẩm được bảo quản tốt để không hút hơi ẩm vào sản phẩm
▲Hình 2 Hàm lượng cacbon của mẫu than mùn cưa ở các khoảng thời gian khác nhau
Giá trị nhiệt trị của sản phẩm than đạt 4.925 kcal/
kg khi tiến hành cacbon hóa trong 5 phút, lúc này thời gian cacbon hóa chưa ảnh hưởng nhiều, mẫu thu được chủ yếu vẫn là mẫu củi mùn cưa Giá trị nhiệt trị của mẫu sản phẩm cao khi tiến hành cacbon hóa trong khoảng thời gian từ 30 - 45 phút, tương ứng 7.321 – 7.484 kcal/kg (Hình 3)
▲Hình 3 Giá trị nhiệt trị của mẫu than mùn cưa ở các khoảng thời gian khác nhau
Độ ẩm của sản phẩm than càng giảm khi thời gian cacbon hóa càng lâu, đến một thời gian nào đó thì giá trị độ ẩm gần như không thay đổi Khi cacbon hóa được 5 phút, độ ẩm mẫu than là 3,75%, sau thời gian
30 phút, độ ẩm giảm xuống 2,21%, đến khi cacbon hóa được 40 - 45 phút, độ ẩm còn 1,91%
Mẫu sản phẩm than củi mùn cưa có độ tro thấp Thời gian cacbon hóa càng lâu thì độ tro giảm Độ
Trang 3KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ
tro từ 1,26% (khi cacbon hóa được 5 phút) giảm đến
1,021% (khi cacbon hóa được 30 phút), đến khi cacbon
hóa được 45 phút thì độ tro còn 1,016%
Hàm lượng lưu huỳnh của sản phẩm than không
cao, đều nhỏ hơn tiêu chuẩn của FAO (0,302%) [3]
Hàm lượng lưu huỳnh có xu hướng giảm dần khi
thời gian tăng Hàm lượng lưu huỳnh từ 0,615% (khi
cacbon hóa được 5 phút) giảm đến 0,01% (khi cacbon
hóa được 30 phút), đến khi cacbon hóa được 45 phút
thì hàm lượng lưu huỳnh còn 0,008%
Theo tiêu chuẩn của FAO, mẫu than mùn cưa có
nhiệt trị: 7200 – 7764 Kcal/kg, hàm lượng cacbon từ
81,1-83% , độ ẩm: ≤ 4%, độ tro: ≤2,1%, hàm lượng lưu
huỳnh: 0,302% [3], so sánh với các mẫu thử nghiệm thì
các mẫu tiến hành cacbon hóa trong khoảng thời gian
từ 30 – 45 phút đạt tiêu chuẩn của FAO, tuy nhiên nếu
tính đến cả hiệu suất thu hồi sản phẩm than và hiệu
quả kinh tế thì nên tiến hành quá trình cacbon hóa ở
thời gian 30 phút là phù hợp
3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ cacbon hóa đến chất
lượng sản phẩm than mùn cưa
Mỗi giá trị nhiệt độ trong dải từ 300 - 550°C áp
dụng cho mỗi mẫu thử nghiệm được duy trì trong 30
phút trong thiết bị R
Khi nhiệt độ từ 300 – 370oC thì hàm lượng cacbon
tăng mạnh từ 47,56 - 70,98% , khi nhiệt độ từ 400 -
450oC thì hàm lượng cacbon đạt giá trị cao từ 74,32
- 87%, khi nhiệt độ tăng cao hơn từ 470 - 550oC, hàm
lượng cacbon bắt đầu giảm từ 85,03 - 81,78% Qua đó
cho thấy rằng nhiệt độ 430 - 500oC là phù hợp để tiến
hành quá trình cacbon hóa với than mùn cưa nhằm
đạt hàm lượng cacbon cao (Hình 4)
▲Hình 4 Hàm lượng cacbon của mẫu than mùn cưa ở các
khoảng nhiệt độ khác nhau
cacbon hóa tại 400oC độ ẩm giảm xuống còn 2,43% và đạt 1,99% (khi cacbon hóa tại 550oC)
Độ tro của các mẫu đầu ra khi thay đổi nhiệt độ không cao (từ 1,31-1,18%), đạt mức giới hạn của tiêu chuẩn FAO (1,5-2,1%) Hàm lượng lưu huỳnh của sản phẩm đều nhỏ hơn tiêu chuẩn của FAO (0,302%) [3]
So sánh với tiêu chuẩn của FAO thì các mẫu tiến hành cacbon hóa trong khoảng nhiệt độ từ 430 – 470oC đạt tiêu chuẩn, trong đó mẫu than được cacbon hóa ở nhiệt độ 450oC có giá trị nhiệt trị, hàm lượng cacbon cao nhất, độ tro, độ ẩm, hàm lượng lưu huỳnh thấp nhất Các thí nghiệm được tiến hành với độ lặp lại 3 lần, cho kết quả đồng đều Chính vì thế, nhiệt độ tối ưu
để cacbon hóa thanh củi mùn cưa thành than là 450oC
3.3 Ảnh hưởng của độ ẩm nguyên liệu đến chất lượng sản phẩm than mùn cưa
Để tiến hành khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm đến chất lượng sản phẩm than chúng tôi cố định nhiệt độ cacbon hóa T= 450oC và thời gian lưu t=30 phút, thay đổi độ ẩm của nguyên liệu đầu vào
Giá trị nhiệt trị của sản phẩm thu được cao khi
độ ẩm của nguyên liệu đầu vào thấp do khi độ ẩm của nguyên liệu cao thì sẽ mất thêm thời gian để sấy nguyên liệu Mẫu có độ ẩm nguyên liệu thấp (1,5%) thì sản phẩm than có giá trị nhiệt trị (7.366kcal/kg) cao hơn hẳn so các mẫu có độ ẩm cao hơn Mẫu có độ
ẩm nguyên liệu từ 2,1 - 3,9% thì sản phẩm than có giá trị nhiệt trị từ 7.330 - 7.320 kcal/kg, khi độ ẩm nguyên liệu tăng lên 12,4% thì giá trị nhiệt trị của than giảm xuống còn 5.830 kcal/kg
Hàm lượng cacbon của các mẫu có độ ẩm nguyên
▲Hình 5 Giá trị nhiệt trị của mẫu than mùn cưa ở các khoảng nhiệt độ khác nhau
▲Hình 6 Giá trị nhiệt trị của mẫu than mùn cưa khi thay đổi độ ẩm nguyên liệu đầu vào
Giá trị nhiệt trị của sản phẩm than đạt 4.921 kcal/
kg khi tiến hành cacbon hóa ở nhiệt độ 300oC Giá
trị nhiệt trị của sản phẩm thu được cao khi tiến hành
cacbon hóa trong khoảng nhiệt độ từ 400 – 500oC
đạt 6.595 - 7.134 kcal/kg Khi nhiệt độ tăng lên 550oC
thì nhiệt trị của mẫu than giảm xuống 6.342 kcal/kg
(Hình 5)
Độ ẩm của sản phẩm giảm khi nhiệt độ quá trình
cacbon hóa tăng, đến khoảng nhiệt độ tầm 400oC thì
giá trị độ ẩm gần như không thay đổi Khi cacbon
hóa tại nhiệt độ 300oC, độ ẩm mẫu than là 5,65%, khi
Trang 4Hàm lượng cacbon của mẫu than mùn cưa tăng theo thời gian cacbon hóa Độ ẩm, độ tro, hàm lượng lưu huỳnh của sản phẩm than càng giảm khi thời gian cacbon hóa càng lâu Các mẫu tiến hành cacbon hóa trong khoảng thời gian từ 30 - 45 phút đạt tiêu chuẩn của FAO, tuy nhiên nếu tính đến cả hiệu suất thu hồi sản phẩm than và hiệu quả kinh tế thì nên tiến hành quá trình cacbon hóa ở thời gian 30 phút là phù hợp
So sánh với tiêu chuẩn của FAO thì các mẫu tiến hành cacbon hóa trong khoảng nhiệt độ từ 430 –
470oC đạt tiêu chuẩn, trong đó mẫu than được cacbon hóa ở nhiệt độ 450oC có giá trị nhiệt trị (7451 Kcal/ kg) , hàm lượng cacbon (87%) cao nhất, độ tro, độ ẩm, hàm lượng lưu huỳnh thấp nhất
Hàm lượng cacbon của các mẫu có độ ẩm nguyên liệu thấp thì cao hơn so với các mẫu có độ ẩm nguyên liệu cao Giá trị nhiệt trị của sản phẩm thu được cao khi độ ẩm của nguyên liệu đầu vào thấp do khi độ ẩm của nguyên liệu cao thì sẽ mất thêm thời gian để sấy nguyên liệu Độ ẩm của sản phẩm thấp do độ ẩm của nguyên liệu đầu vào thấp Độ tro và hàm lượng lưu huỳnh của sản phẩm tăng dần khi độ ẩm của nguyên liệu đầu vào cao■
liệu thấp từ 1,5 - 3,9% tương tự nhau khoảng >85%,
các mẫu còn lại có hàm lượng cacbon thấp hơn, thấp
nhất là mẫu có độ ẩm nguyên liệu 12,4%
Độ ẩm của sản phẩm thấp do độ ẩm của nguyên
liệu đầu vào thấp, các mẫu còn lại có độ ẩm cao hơn,
cao nhất là mẫu có độ ẩm nguyên liệu đầu vào 12,4%
Độ tro của sản phẩm tăng dần khi độ ẩm của nguyên
liệu đầu vào cao Mẫu có độ ẩm nguyên liệu thấp từ 1,5
- 3,9% thì độ tro của sản phẩm thấp từ 1,011 - 1,021%
Khi độ ẩm của nguyên liệu tăng lên 8,6 - 12,4% thì độ
tro của sản phẩm tăng lên 1,443 - 1,797%
Hàm lượng lưu huỳnh của sản phẩm không cao,
hàm lượng lưu huỳnh có xu hướng tăng dần khi độ ẩm
nguyên liệu tăng Mẫu có độ ẩm nguyên liệu thấp từ
1,5 - 3,9% thì hàm lượng lưu huỳnh của sản phẩm thấp
từ < 0,01 - 0,011% Khi độ ẩm của nguyên liệu tăng lên
8,6 - 12,4% thì hàm lượng lưu huỳnh của sản phẩm
tăng lên 0,031 - 0,043%
4 Kết luận
Nghiên cứu đã cung cấp cơ sở dữ liệu về ảnh hưởng
của độ ẩm của nguyên liệu, thời gian cacbon hóa, nhiệt
độ cacbon hóa đến chất lượng sản phẩm của than mùn
cưa
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Tôn Xuân Phúc và cộng sự (2012), Làng nghề gỗ trong bối
cảnh thực thi FLEG và REDD+ tại Việt Nam, Hà Nội.
2 Antal, M.J Jr., Croiset, E., Dai, X., DeAlmeida, C.,
Mok, W S., Norberg, N (1996), “High-yield biomass
charcoal”, Energ Fuel., 10(3), 652-658.
3 Dominic, W.et al (2010), "Sustainable biochar to mitigate global climate change", Nature Communications, 1(5):56.
4 FAO (1987), Simple Technologies for Charcoal Making, Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome.
STUDY THE FACTORS THAT AFFECT THE QUALITY OF SAWDUST CHARCOAL
Hoàng THị Huyền Bích, Trịnh Văn Tuyên Đặng THị THùy Nguyên, Phạm Quang Huy
Institute of Environmental Technology
ABSTRACT
Sawdust charcoal have been produced by the method of pyrolysis under anaerobic condition at 450°C During the production of sawdust charcoal, the humidity of material, carbonation time, and temperature of carbonation process, also results in huge effects to the quality of products The calorific value of products will be high when the humidity of input material is low The amount of carbon increases during the process of carbonation and will increase more if the products are well-reserved, avoidance of humidity Temperature is the key factor to the amount of carbon, the higher the temperature, the lower the amount of carbon Temperature in 450°C is appropriate to undertake the carbonation for the higher amount of carbon for sawdust charcoal ( 87%)
Keywords: Sawdust charcoal, moisture, time carbonization, carbonization temperature.