Nghiên cứu sản xuất viên nhiên liệu dân dụng từ vỏ hạt cà phê

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc TP.HCM, ngày … tháng … năm … NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ Họ tên học viên: Ngày tháng năm sinh: Chuyên ngành: Khóa (năm trúng tuyển): Lê Quý Anh Quang 28/10/1973 Kỹ thuật hóa dầu 2011 Giới tính: Nơi sinh: Nam Thừa thiên Huế TÊN ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT VIÊN NHIÊN LIỆU DÂN DỤNG TỪ VỎ HẠT CÀ PHÊ” NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: • Nghiên cứu ứng dụng phát triển công nghệ sản xuất tạo viên nhiên liệu dân dụng từ vỏ hạt cà phê nhựa thải Nghiên cứu xác định thành phần, tính chất lý vỏ hạt cà phê nhựa thải để làm nguyên liệu • Nghiên cứu điều kiện tối ưu quy trình sản xuất • Nghiên cứu xác định đặc tính phù hợp vỏ hạt cà phê, thành phần phối trộn hỗn hợp tính chất lý sản phẩm • Đánh giá thành phần khí thải sản phẩm, so sánh với tiêu chuẩn môi trường dành cho nhiên liệu rắn Xem xét khả ứng dụng thay cho nhiên liệu hóa thạch NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: ……………… NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ………………… HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN VĨNH KHANH Nội dung đề cương Luận văn Thạc sỹ Hội đồng chuyên ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) -i- TÓM TẮT ĐỀ TÀI Đề tài nghiên cứu đề cập đến công nghệ sản xuất viên nhiên liệu từ vỏ hạt cà phê nhựa thải Xuất phát từ thực trạng khối lượng chất thải rắn đô thị ngày tăng mạnh gây nhiều khó khăn qua trình quản lý xử lý Ngoài ra, khối lượng lớn vỏ hạt cà phê thải hàng năm lên đến 700.000 tấn, chưa sử dụng hiệu quả, gây lãng phí vấn đề ô nhiễm môi trường phát sinh Công nghệ sử dụng đề tài đơn giản, chi phí thấp, áp dụng địa phương có sẳn nguồn nguyên liệu, sử dụng cơng nghệ đùn ép có gia nhiệt, ngun liệu vỏ hạt cà phê nhựa thải, để tạo thành loại nhiên liệu rắn sử dụng lị đốt cơng nghiệp Nhựa thải sử dụng cho đề tài loại nhựa tái sinh, gồm túi xốp, bao bì thực phẩm, hộp đựng thức ăn dùng lần,… có thành phần chủ yếu PE, PP, PS,… Về bản, nhựa thải có ưu điểm nhiệt trị cao (7000 kcal/kg), trình cháy diễn nhanh khơng hồn tồn Trong đó, vỏ hạt cà phê loại nguyên liệu tái tạo (hàm lượng lưu huỳnh thấp), sẳn có Việt nam Nhược điểm vỏ hạt cà phê khối lượng riêng đổ đống thấp (140 ~ 170 kg/m3), nhiệt trị khơng cao khó bắt cháy.Việc kết hợp hai loại nguyên liệu với trình đùn ép khắc phục nhược điểm nêu Tóm tắt kết đạt đề tài: - Q trình đùn ép có gia nhiệt sử dụng để sản xuất viên nhiện liệu, với tỷ lệ vỏ hạt cà phê lên đến 80% khối lượng, nhựa thải đóng vai trị chất kết dính - Thành phần vỏ hạt cà phê nhiệt độ đùn ép hai thong số ảnh hưởng đến trình đùn ép tính chất sản phẩm thu - Khối lượng riêng viên nhiên liệu tăng đáng kể so với vỏ hạt cà phê (mẫu sản phẩm chứa 70% vỏ hạt cà phê có khối lượng riêng vào khoảng 950 kg/m3, gấp khoảng lần so với nguyên liệu) - Nhiệt trị viên nhiên liệu (mẫu sản phẩm chứa 70% vỏ hạt cà phê) cao vỏ hạt cà phê 25% - Sản phẩm thu dễ cháy, cháy hoàn toàn Hàm lượng SO2 , NOx khí thải nằm giới hạn cho phép quy định Quy chuẩn khí thải QCVN 19: 2009/BTNMT Ngồi ra, đề tài xem xét sơ hiệu kinh tế viên nhiên liệu Kết thu khả quan sở cho dự án sản xuất thử nghiệm tương lai - ii - ABSTRACT This research work deals with the manufacturing process of solid fuel from waste plastic and coffee husk Based on the facts that, the accumulated waste plastic in the cities poses many problems in management and treatment, and an enormous amount (700,000 tons/year) of coffee husk, is not yet effectively utilized but rising some concerns for the environment pollution This research proposes a feasible method, relied on an extrusion process with heating to produce the 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, Basically, the advantage of plastic lies on its high calorific value (10,000 kcal/kg) However, plastics burn rather fast and incompletely On the other hand, coffee husk is a renewable resource, clean and readily available in huge amount Disadvantages of coffee husk include low bulk density (140 ~ 170 kg/m3), low heating value and it is also hard to ignite The combination of plastic wastes and coffee husk in an extruder with heating almost fully eliminates aforementioned drawbacks of these two starting materials Highlights of this study can be summarized as follows: - Extrusion process is successful in producing the solid fuel from waste plastic and coffee husk Plastic plays the role of binding agent Coffee husk content in the mixture can be as high as 80 wt% - Coffee husk content and extrusion temperature are the two key factors in defining the outcome of extrusion process, and in determining the properties of finished products - Bulk density of the solid fuel increases significantly compared to that of rice husk (sample containing 70 wt% coffee husk has a bulk density of 950 kg/m3, which is times of coffee husk) - Calorific value of the product is at least 1.5 times of that of coffee husk, in case of 70 wt% coffee husk containing sample - The solid fuel is burned easily and completely with unsticky ash The content of SO2, NOx in the exhaust gas is within the allowable level, regulated in QCVN 19: 2009/BTNMT Besides, investigation of brief economic estimation for the manufacturing process are carried out with positive results It is believed to be applicable in large scale in the future - iii - DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Mức độ tiêu thụ lượng giới Hình 1.2 Viên nén nhiên liệu củi đốt Hình 1.3 Ứng dụng viên gỗ Châu Âu Hình 1.4 Nhu cầu viên nhiên liệu giới 2011 Hình 1.5 So sánh lượng sản xuất tiêu thụ viên nhiên liệu 2009 Hình 1.6 Sản lượng cà phê Việt nam (1995 ~ 2011) Hình 1.7 Cây cà phê chè Hình 1.8 Cây cà phê vối Hình 1.9 Khác biệt hai loại hạt cà phê Hình 1.10 Cây cà phê mít Hình 1.11 Quả cà phê vỏ hạt cà phê 10 Hình 1.12 Thành phần cà phê tươi 12 Hình 1.13 Vỏ cà phê thải gây ô nhiễm môi trường Nghệ an 13 Hình 1.14 Lị đốt với vỏ hạt cà phê 13 Hình 1.15 Quy trình ủ làm phân compost 14 Hình 1.16 Bãi rác thải Đồng nai 15 Hình 1.17 Bãi rác Trảng dài đóng cửa 18 Hình 1.18 Nhiệt trị số loại nhiên liệu chất thải 19 Hình 1.19 Cấu tạo đơn giản máy đùn ép 19 Hình 1.20 Máy đùn trục vít 20 Hình 1.21 Máy đùn trục vít chiều 20 Hình 1.22 Máy đùn trục vít ngược chiều 20 Hình 1.23 Cấu tạo máy đùn trục vít 21 Hình 1.24 Cấu tạo trục vít 22 Hình 2.1 Sơ đồ quy trình đùn ép viên nhiên liệu 23 Hình 2.2 Mẫu lưu độ ẩm khác 25 Hình 2.3 Nhựa thải từ sở tái chế 26 Hình 2.4 Tạp chất có nhựa thải 26 Hình 2.5 Nhựa thải sau tách tạp chất 27 Hình 2.6 Máy đùn ép dành cho thực nghiệm 27 Hình 2.7 Phối trộn nguyên liệu 28 Hình 2.8 Nhựa PS tái sinh để làm máy đùn 29 Hình 2.9 Nạp liệu thủ công 30 Hình 2.10 Máy đo độ ẩm 31 Hình 2.11 Máy đo nhiệt trị Parr 6300 Calorimeter 31 Hình 2.12 Máy đo độ bền nén 31 Hình 3.1 Sản phẩm đùn ép 200oC 32 Hình 3.2 Sản phẩm đùn ép 220oC 32 Hình 3.3 Sản phẩm đùn từ nguyên liệu với độ ẩm khác 33 - iv - Hình 3.4 Độ xốp sản phẩm với độ ẩm khác 33 Hình 3.5 Hiệu suất trình đùn 34 Hình 3.6 Hỗn hợp 90% vỏ cà phê có hiệu suất thu hồi thấp 35 Hình 3.7 Hiệu suất thu hồi mức độ ẩm 35 Hình 3.8 Ảnh hưởng thành phần vỏ cà phê nhiệt trị 37 Hình 3.9 Ảnh hưởng độ ẩm nguyên liệu đến nhiệt trị 37 Hình 3.10 So sánh với nhiệt trị số loại nhiên liệu thơng dụng 38 Hình 3.11 Ảnh hưởng thành phần hỗn hợp đến độ bền nén 39 Hình 3.12 Ảnh hưởng độ ẩm vỏ cà phê đến độ bền nén 40 Hình 3.13 Mẫu sản phẩm viên nhiên liệu, mơ hình tính tốn thể tích 40 Hình 3.14 Ảnh hưởng nhiệt độ đùn ép lên khối lượng riêng 41 Hình 3.15 Ảnh hưởng độ ẩm nguyên liệu lên khối lượng riêng 42 Hình 3.16 Lị đốt tự tạo 42 Hình 3.17 Thử nghiệm đốt sản phẩm 43 Hình 3.18 Máy đo hàm lượng khí thải 43 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Bảng 1.2 Bảng 1.3 Bảng 1.4 Bảng 1.5 Bảng 1.6 Bảng 1.7 Tiêu chuẩn viên nhiên liệu Diện tích – Năng suất – Sản lượng cà phê tỉnh niên vụ 2011 ~ 2012 Thành phần hóa học trái cà phê tươi 10 Thành phần hóa học vỏ hạt cà phê 11 Thành phần vật lý cà phê 12 Thành phần rác thải số tỉnh thành 16 Nhiệt trị số thành phần có chất thải rắn 18 Bảng 2.1 Độ ẩm mẫu cà phê 24 Bảng 2.2 Tính chất nguyên liệu chưa qua xử lý 25 Bảng 2.3 Kết đo khối lượng riêng vỏ hạt cà phê 25 Bảng 2.4 Tính chất vỏ hạt cà phê 25 Bảng 2.5 Các tính chất nhựa thải 27 Bảng 2.6 Nhiệt độ cài đặt cho máy đùn ép 28 Bảng 2.7 Thành phần nguyên liệu có hỗn hợp 28 Bảng 2.8 Các mức độ ẩm khác vỏ hạt cà phê 29 Bảng 2.9 Mẫu phối trộn để khảo sát ảnh hưởng độ ẩm 29 Bảng 2.10Ký hiệu mẫu điều kiện đùn ép 30 Bảng 3.1 Hiệu suất trình đùn 34 Bảng 3.2 Hiệu suất thu hồi mức độ ẩm khác 35 Bảng 3.3 Nhiệt trị sản phẩm .36 Bảng 3.4 So sánh với nhiệt trị số loại nhiên liệu 38 Bảng 3.5 Độ bền nén sản phẩm 39 Bảng 3.6 Kết đo khối lượng riêng sản phẩm 41 Bảng 3.7 Kết đo hàm lượng khí thải 43 Bảng 3.8 Nồng độ bụi hợp chất vô theo Quy chuẩn 44 Bảng 3.9 Nồng độ tối đa cho phép 44 Bảng 3.10Ước tính chi phí sản xuất 45 Bảng 3.11Tính chất sản phẩm 46 -v- MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN i TÓM TẮT ii ABSTRACT iii DANH SÁCH HÌNH VẼ iv DANH SÁCH BẢNG BIỂU v MỤC LỤC vi LỜI MỞ ĐẦU vii CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan viên nhiên liệu 1.1.1 Quá trình phát triển nhiên liệu từ nguồn sinh khố .3 1.1.2 Một số tiêu chuẩn viên nhiên liệu 1.1.3 Thị trường viên nhiên liệu giới 1.2 Vỏ hạt cà phê 1.2.1 Lịch sử phát triển cà phê Việt nam 1.2.2 Phân loại cà phê 1.2.3 Cây cà phê Đồng nai 1.2.4 Vỏ hạt cà phê 1.4 Nhựa thải 15 1.4.1 Nhựa thải có chất thải rắn 15 1.4.2 Các phương pháp tái chế 16 1.4.3 Các hướng xử lý loại nhựa thải tái chế 17 1.5 Thiết bị tạo viên – Máy đùn ép 19 1.5.1 Công nghệ đùn 19 1.5.2 Cấu tạo máy đùn ép 21 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 2.1 Lựa chọn công nghệ 23 2.2 Quy trình tạo viên 24 2.3 Nguyên liệu 24 2.3.1 Vỏ hạt cà phê 24 2.3.2 Nhựa thải 25 2.4 Thiết bị dành cho thực nghiệm 27 2.5 Quy trình đùn ép 28 2.6 Phương pháp đo kiểm tính chất sản phẩm 31 2.6.1 Độ ẩm 31 2.6.2 Nhiệt trị 31 2.6.3 Độ bền nén 31 - vi - CHƯƠNG KẾT QUẢ & BÀN LUẬN 3.1 Kết phân tích 32 3.1.1 Cảm quan 32 3.1.2 Xác định hiệu suất thu hồi sản phẩm 33 3.1.3 Nhiệt trị 36 3.1.4 Độ bền nén 39 3.1.5 Khối lượng riêng 40 3.2 Xem xét trình cháy sản phẩm thành phần khí thải 42 3.2.1 Quá trình cháy sản phẩm 42 3.2.2 Máy đo khí thải 43 3.2.3 Kết đo 43 3.3 So sánh với Quy chuẩn khí thải công nghiệp 43 3.4 Tính tốn sơ giá thành sản phẩm 45 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận 46 4.1.1 Những kết đạt từ đề tài nghiên cứu 46 4.1.2 Những vấn đề cần có thời gian khảo sát thêm 46 4.2 Kiến nghị 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 LỜI MỞ ĐẦU • Sử dụng hiệu lượng sinh khối vấn đề quan tâm giới nhằm giảm phần sức ép sử dụng nhiên liệu Trên giới nghiên cứu ứng dụng phát triển công nghệ sản xuất viên nén nhiên liệu sử dụng công nghiệp dân dụng tìm thị trường thương mại rộng lớn • Hạt cà phê sản phẩm nông nghiệp chiếm tỷ trọng hàng đầu kim ngạch xuất nước ta Bên cạnh đó, nguồn sinh khối vỏ hạt cà phê (700.000 / năm) chưa tận dụng hiệu quả, gây ô nhiễm mơi trường lãng phí Với khối lượng riêng đổ đống thấp, vỏ hạt cà phê gây nên khó khăn q trình vận chuyển lưu trữ • Bên cạnh đó, tốc độ thị hóa nhanh, lượng chất thải nhiều, bao gồm loại nhựa thải (PE, PP, PS, ) có tuổi thọ lớn khó phân hủy mơi trường tự nhiên Các biện pháp xử lý nhựa thải bãi rác chủ yếu chôn lấp đốt bỏ gây vấn đề ô nhiễm môi trường, q tải quỹ đất chơn lấp lãng phí lượng • Đề tài nghiên cứu với mục đích đưa quy trình cơng nghệ đùn ép đơn giản để sản xuất viên nén từ hai nguồn nhựa thải vỏ hạt cà phê, hai nguồn nguyên liệu rẻ tiền sẳn có Việt nam • Sản phẩm viên nén nhiên liệu thu có nhiều ưu điểm so với vỏ hạt cà phê khối lượng riêng lớn, nhiệt trị cao dễ dàng vận chuyển hơn; so với nhựa thải dễ cháy hồn tồn, khí thải sinh nhiễm có tiềm lớn việc thay loại nhiên liệu hóa thạch truyền thống lị hơi, nhà máy điện, sở sấy nông sản hay sử dụng trực tiếp hộ gia đình - vii - - Khi thay đổi độ ẩm nguyên liệu, thấy bề mặt sản phẩm thơ nhám hơn, màu sắc thay đổi Độ xốp sản phẩm thay đổi nhiều, thoát ẩm trình đùn, kết làm tăng độ xốp sản phẩm, giúp dễ cháy Hình 3.3 Sản phẩm đùn từ nguyên liệu độ ẩm khác Hình 3.4 Độ xốp sản phẩm với độ ẩm khác 3.1.2 Xác định hiệu suất thu hồi sản phẩm Hiệu suất thu hồi sản phẩm yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến trình đùn ép Chỉ số xác định sở tỷ lệ khối lượng mẫu thu khối lượng nguyên liệu Trên thực tế, hiệu suất thu hồi phụ thuộc vào thành phần nhập liệu, nhiệt độ đùn ép độ ẩm nguyên liệu 33 - Ở nhiệt độ cao, trình nhiệt phân xảy mạnh, khả gắn kết hai thành phần nguyên liệu giảm Điều xảy thành phần nhập liệu với tỷ lệ vỏ hạt cà phê cao, làm cho sản phẩm dễ bị nứt gãy, tạo nhiều mãnh vỡ, giảm hiệu suất thu hồi - Kết thực nghiệm cho thấy, nhiệt độ đùn cao (250oC), hiệu suất thu hồi giảm đáng kể, thấp khoảng 10% so với nhiệt độ thấp (200-220oC) Hỗn hợp nguyên liệu có tỷ lệ vỏ cà phê cao xuất tình trạng tương tự, hỗn hợp nguyên liệu với 80% vỏ hạt cà phê cho hiệu suất khoảng 80% Tăng thành phần lên 90% hiệu suất thu hồi giảm mạnh, mức 40% Số liệu thưc nghiệm ghi nhận bảng sau: Ký hiệu mẫu Hiệu suất thu hồi (% kl) M60-200 80 M70-200 78 M80-200 79 M90-200 36 M60-220 82 M70-220 80 M80-220 76 M90-220 38 M60-250 68 M70-250 66 M80-250 70 M90-250 34 Bảng 3.1 Hiệu suất trình đùn - Khi thay đổi nhiệt độ đùn ép theo chiều hướng tăng dần hiệu suất thu hồi sản phẩm ổn định thành phần vỏ cà phê từ 60 ~ 80% giảm mạnh tăng thành phần vỏ cà phê đến mức 90% Hình 3.5 Hiệu suất trình đùn 34 Hình 3.6 Hỗn hợp 90% vỏ cà phê có hiệu suất thu hồi thấp Khi thay đổi độ ẩm nguyên liệu, hiệu suất thu hồi ảnh hưởng theo hướng tích cực Độ ẩm nguyên liệu tăng, hiệu suất thu hồi tăng trì ổn định khoảng độ ẩm từ 15% trở lên Ký hiệu mẫu M80-200-10 M80-200-15 M80-200-20 M80-200-25 M80-220-10 M80-220-15 M80-220-20 M80-220-25 Hiệu suất thu hồi (% kl) 86.7 92.5 86.8 84.0 82.4 90.2 90.4 89.8 Bảng 3.2 Hiệu suất thu hồi mức độ ẩm khác Trên thực tế, với thành phần 80% vỏ hạt cà phê, hiệu suất thu hồi tăng mạnh tăng độ ẩm vỏ hạt cà phê từ 10% lên 15% trì tiếp tục mức độ ẩm cao Hình 3.7 Hiệu suất thu hồi mức độ ẩm 35 3.1.3 Nhiệt trị: Nhiệt trị viên nhiên liệu xác định khả ẩn chứa lượng đơn vị khối lượng Nhiệt trị lớn giá thành nhiên liệu cao, giảm thiểu nhu cầu tồn chứa Nhiệt trị sản phẩm viên nén xác định theo tiêu chuẩn TCVN 200:1995, qua trình đốt cháy bom nhiệt lượng kế Theo kết đo, nhiệt trị nhựa thải cao gần gấp đôi vỏ hạt cà phê, nên thành phần sản phẩm có chứa nhiều nhựa thải có nhiệt trị cao Ký hiệu mẫu M60-200 M70-200 M80-200 M60-220 M70-220 M80-220 M80-200-15 M80-200-20 Nhiệt trị (cal/g) Lần Lần TB Nhiệt trị (Mj/kg) 5891.4183 6038.9969 5419.4783 5768.9753 5265.9600 5257.7206 4645.7521 4527.2656 5810.6637 6030.3200 5449.8839 5814.8503 5232.3764 5340.3576 4742.4723 4760.1343 5851.0410 6034.6585 5434.6811 5791.9128 5249.1682 5299.0388 4694.1122 4643.7000 24.49 25.26 22.75 24.24 21.97 22.18 19.65 19.44 Nhiệt trị tính tốn (Mj/kg) 21.36 20.07 18.78 21.36 20.07 18.78 - Bảng 3.3 Nhiệt trị sản phẩm Nhiệt trị ước tính sản phẩm xác định theo công thức: Nhiệt trị = % vỏ cà phê x 16.2 [Mj/kg] + % nhựa thải x 29.11 [Mj/kg] Một yếu tố khác ảnh hưởng trực tiếp đến kết nhiệt trị sản phẩm, mức độ nhiệt phân hỗn hợp nguyên liệu Trong điều kiện đùn ép với nhiệt độ, áp suất cao, ma sát lớn hỗn hợp nguyên liệu với chi tiết bê máy đùn Hỗn hợp vỏ hạt cà phê nhựa thải dễ dàng bị nhiệt phân để tạo thành than (có nhiệt trị cao so với hỗn hợp nguyên liệu) Kết thực nghiệm cho giá trị cao so với tính tốn Mức độ nguyên liệu bị nhiệt phân phụ thuộc vào hai yếu tố: nhiệt độ đùn ép thời gian lưu hỗn hợp nguyên liệu máy Mức độ nhiệt phân hỗn hợp nguyên liệu thấy rõ qua màu sắc cảm quan sản phẩm Kết thực nghiệm cho thấy, với hỗn hợp có tỷ lệ vỏ hạt cà phê cao, màu sắc sản phẩm sậm, đen hơn, mức độ nhiệt phân cao so với sản phẩm có tỷ lệ vỏ hạt cà phê thấp Khi tăng độ ẩm nguyên liệu, nhiệt trị sản phẩm giảm, điều xuất nước làm giảm trình nhiệt phân xảy điều kiện đùn ép 36 Hình 3.8 Ảnh hưởng thành phần vỏ cà phê nhiệt trị Khi tăng độ ẩm nguyên liệu, nhiệt trị sản phẩm giảm, điều xuất nước làm giảm trình nhiệt phân xảy điều kiện đùn ép Hình 3.9 Ảnh hưởng độ ẩm nguyên liệu đến nhiệt trị 37 ● Nhiệt trị số loại nhiên liệu thông dụng: Loại nhiên liệu Nhiệt trị (kj/kg) Than bitum loại A 24490 – 26823 Than bitum loại B 22158 – 24490 Than bitum loại C Than non loại A 19358 – 22158 14693 – 19358 Than non loại B Dầu nặng (dầu FO) Dầu Diesel (dầu DO) Khí hóa lỏng LPG 14693 41131 – 43138 43138 39927 - 54900 Khí thiên nhiên LNG 37118 Củi ép từ trấu 11720 Củi ép từ mùn cưa 17580 Viên nhiên liệu từ vỏ cà phê 20710 - 25790 Bảng 3.4 So sánh với nhiệt trị số loại nhiên liệu So sánh với nhiệt trị số loại nhiên liệu dân dụng phổ biến, ta thấy rằng, nhiệt trị viên nhiên liệu sản xuất từ vỏ hạt cà phê nhựa thải tương đương than chất lượng cao loại B,C; 50% nhiệt trị dầu đốt FO, DO; cao gấp hai lần củi ép từ trấu 20% so với củi ép từ mùn cưa Về yếu tố nhiệt trị, sản phẩm viên nhiên liệu sản xuất từ vỏ hạt cà phê nhựa thải đánh giá có tiềm lớn để thay than đá Hình 3.10 So sánh với nhiệt trị số loại nhiên liệu thông dụng 38 3.1.4 Độ bền nén: Ký hiệu mẫu Độ bền nén (MPa) M60-200 M70-200 M80-200 M60-220 M70-220 M80-220 M80-200-15 M80-200-20 M80-220-10 M80-220-15 M80-220-20 2.98 2.44 1.94 1.69 1.19 1.07 1.13 0.81 1.07 1.06 0.78 Bảng 3.5 Độ bền nén sản phẩm Độ bền nén tính chất quan trọng nhiên liệu rắn, ảnh hưởng trực tiếp đến trình vận chuyển, tồn trữ sử dụng Viên nhiên liệu trình đùn ép tạo nên hình dạng xác định, độ bền nén sản phẩm thấp gây số vấn đề gãy, vỡ trình tồn chứa, vận chuyển sử dụng Độ bền nén vật liệu xác định theo tiêu chuẩn ASTM D 695 Trong trình đùn ép, hỗn hợp nguyên liệu bị nén chặt lại, nhựa thải tác dụng nhiệt chảy kết dính vỏ hạt cà phê Độ bền nén phụ thuộc vào hai yếu tố: thành phần vỏ hạt cà phê nhiệt độ đùn Hình 3.11 Ảnh hưởng thành phần hỗn hợp đến độ bền nén 39 Khi thành phần vỏ hạtt cà phê cao, lượng l nhựa thải làm nóng chảảy có hỗn hợp thấp, khả kết dính vỏ hạtt cà phê giảm, gi xu hướng làm giảm độ bềnn nén c sản phẩm Ở tỷ lệ vỏ hạtt cà phê, sản s phẩm đùn ép nhiệt độ cao h có độ bền nén thấp hơn, điều nhiệtt độ đ cao dịng nhựa thải nóng chảyy s tăng khả trộn lẫn vào vỏ hạt cà phê, mặtt khác làm tăng t than hóa vỏ cà phê nước n thoát mạnh từ trình dẫn đến độ xốp tăng lên, làm giảm độ bền nén củaa sản s phẩm Hình 3.12 Ảnh nh hưởng h độ ẩm vỏ cà phê đến độ bềền nén Độ ẩm nguyên liệu ảnh ả hưởng lên độ bền nén sản phẩm Ở nhiệt độ 200oC trình đùn ép, nướcc dễ d dàng ra, tạo nhiều khe hở bên sản s phẩm, làm yếu cấu trúc vật liệu, giảm độộ bền nén sản phẩm 3.1.5 Khối lượng riêng Khối lượng riêng sản phẩm m đư xác định dựa khối lượng ng thể th tích hình học sản phẩm Hình 3.13 Mẫu sảnn phẩm ph viên nhiên liệu, u, mơ hình tính tốn thể th tích Sản phẩm có dạng hình lăng trụ,, đáy đ hình lục giác đều, cạnh nh 12 mm Thể Th tích sản phẩm xác định nh theo công thức: th ଷ Với V = ଶ √3 h.a2 a: cạnh hình lụcc giác, a = 0,012 m 40 h: chiều dài mẫu kiểm tra (m) Khối lượng riêng sản phẩm tính: Với D = M / V = M / ( ඥ3 h.a ) M: khối lượng mẫu kiểm tra (kg) D: khối lượng riêng mẫu kiểm tra (kg/m3) Khối lượng riêng (kg/m3) Ký hiệu mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu M60-200 948 932 953 958 930 M70-200 960 957 967 955 985 M80-200 947 962 948 955 968 M60-220 806 803 839 799 849 M70-220 874 859 868 857 878 M80-220 820 886 849 845 825 M60-250 652 642 615 663 644 M70-250 711 718 737 719 715 M80-250 714 705 699 721 673 M70-200-15 898 912 876 904 935 M70-200-20 912 895 870 916 889 M80-200-15 950 874 918 894 933 M80-200-20 857 839 890 871 854 M80-220-15 847 803 868 843 836 M80-220-20 801 805 861 815 827 M80-220-25 838 889 882 856 885 Bảng 3.6 Kết đo khối lượng riêng sản phẩm Trung bình 944 965 958 819 867 845 643 717 702 905 896 914 862 839 822 870 * Các yếu tố ảnh hưởng đến khối lượng riêng sản phẩm: - Khối lượng riêng vỏ hạt cà phê 158 kg/m3 - Khối lượng riêng nhựa thải 120 kg/m3 - Ảnh hưởng tỷ lệ vỏ hạt cà phê / nhựa thải: thay đổi tỷ lệ từ 60 -> 90%, khối lượng riêng sản phẩm tăng lên cuối lại giảm, cao mức 70% khối lượng vỏ hạt cà phê Hình 3.14 Ảnh hưởng nhiệt độ đùn ép lên khối lượng riêng 41 Ảnh hưởng nhiệt độ đùn khối lượng riêng sản phẩm: tăng dần nhiệt độ đùn ép, khối lượng riêng sản phẩm giảm mạnh, hàm lượng chất dễ bay có thành phần vỏ hạt cà phê giảm nhanh, nước thoát nhiều nhiệt độ cao làm cho sản phẩm trở nên xốp khối lượng riêng giảm mạnh Hình 3.15 Ảnh hưởng độ ẩm nguyên liệu lên khối lượng riêng 3.2 Xem xét trình cháy sản phẩm thành phần khí thải 3.2.1 Quá trình cháy sản phẩm Để đánh giá trình cháy khả tác động đến mơi trường, mẫu sản phẩm M80 đem đốt lượng khí thải sinh trình cháy CO, NOx ,SOx kiểm tra Quá trình đốt thử viên nhiên liệu thực lò đốt tự chế, đặt Phịng thí nghiệm Bộ mơn chế biến dầu khí, Khoa Kỹ thuật Hóa học, trường ĐHBK TP.HCM Hình 3.16 Lị đốt tự tạo - Đường kính bên ngồi: 22 cm - Đường kính bên trong: 18 cm - Chiều cao lị đốt: 16 cm - Chiều cao ống khói: 80 cm - Nhiên liệu đốt lò giữ ghi lị lưới thép Bên có cửa cấp khí 42 Hình 3.17 Thử nghiệm đốt sản phẩm Nhìn chung sản phẩm dễ mồi lửa, cháy lửa có màu sáng Q trình cháy hồn tồn, khói sinh có màu trắng nhạt, tro sinh với khối lượng không đáng kể Đây ưu điểm so với đốt trực tiếp nhựa thải 3.2.2 Máy đo khí thải Hàm lượng chất khí có thành phần khí thải kiểm tra Viện Môi trường – Tài nguyên, ĐHQG Tp.HCM Phương pháp đo: Testo 350-XL Hình 3.18 Máy đo khí thải 3.2.3 Kết đo Chỉ tiêu Đơn vị Kết đo CO mg/Nm 4530 NOx mg/Nm 261 SOx mg/Nm < 10 Bảng 3.7 Kết đo hàm lượng khí thải 3.3 So sánh với Quy chuẩn khí thải cơng nghiệp [8] Quy chuẩn khí thải QCVN 19: 2009/BTNMT quy định nồng độ tối đa cho bụi chất vô khí thải cơng nghiệp phát thải vào mơi trường khơng khí ● Xem xét tính ứng dụng viên nhiên liệu sản xuất từ vỏ hạt cà phê nhựa thải để làm nhiên liệu cho lò đốt số nhà máy chế biến nông sản quy mô vừa nhỏ tỉnh Đồng nai 43 Nồng độ tối đa cho phép bụi chất vô khí thải cơng nghiệp tính theo cơng thức sau: Cmax = C x Kp x Kv Trong đó: - C nồng độ bụi chất vô xác định theo bảng sau: Thông số Nồng độ C (mg/Nm3) Bụi Cacbon oxit, CO Hydro sunphua, H2S 200 1000 7,5 Lưu huỳnh đioxit, SO2 500 Nitơ oxit, NOx (tính theo NO2) 850 Bảng 3.8 Nồng độ bụi chất vô theo QCVN 19: 2009 - Kp hệ số lưu lượng nguồn thải, tùy thuộc vào lưu lượng nguồn thải P Đối với nhà máy chế biến vừa nhỏ địa bàn tỉnh Đồng nai: lưu lượng nguồn thải P < 20,000 m3/h, hệ số Kp = - Kv hệ số vùng, khu vực áp dụng cho địa phương có nhà máy chế biến: loại (Nội thành, nội thị đô thị loại II, III, IV (1); vùng ngoại thành đô thị loại đặc biệt, đô thị loại I có khoảng cách đến ranh giới nội thành lớn 02 km; sở sản xuất công nghiệp, chế biến, kinh doanh, dịch vụ hoạt động cơng nghiệp khác có khoảng cách đến ranh giới khu vực 02 km) Kv = 0,8 Nồng độ tối đa cho phép bụi chất vơ khí thải cơng nghiệp Cmax xác định theo bảng sau: Thông số Nồng độ tối đa Cmax (mg/Nm3) Cacbon oxit, CO Lưu huỳnh đioxit, SO2 Nitơ oxit, NOx (tính theo NO2) 800 400 680 Bảng 3.9 Nồng độ tối đa cho phép Kết thành phần khí thải cho thấy, hàm lượng NOx đạt tiêu chuẩn cho phép, SO2 khơng có, có CO cao, vượt mức cho phép Đây mặt hạn chế sản phẩm, phần nguyên nhân từ lị đốt làm thủ cơng, chưa thể đạt u cầu dành cho thử nghiệm khí thải cơng nghiệp 44 3.4 Tính tốn sơ giá thành sản phẩm i) Vỏ hạt cà phê Giá thành nguyên liệu thường biến động nhiều, phụ phế phẩm nông nghiệp Qua khảo sát số sở chế biến cà phê khu vực tỉnh Đồng nai (Cẩm Mỹ, Thống nhất, Xuân lộc), Bình phước (Lộc ninh), Lâm đồng (Bảo lộc) cho thấy, thời gian thu hoạch cà phê thường kéo dài từ tháng 12 đến tháng năm sau giá vỏ cà phê rẻ, khoảng 150 đồng/kg, nhiều nhà vườn cho khơng Thời gian cịn lại năm, giá vỏ cà phê dao động khoảng 400 ~ 700 đồng/kg, kéo dài đến khoảng 2-3 tháng sau thu hoạch Giá thành vỏ hạt cà phê để tính toán 350 đồng/kg ii) Nhựa thải Nhựa thải thu mua từ sở phân loại nhựa để tái chế, từ phần cuối công đoạn phân loại Giá thành nhựa thải 1200 đồng/kg iii) Hệ thống thiết bị [6] ● Thiết bị máy đùn ép, suất 500 kg/h, công suất động thiết bị gia nhiệt (khoảng 50HP) Giá thành khoảng 650 triệu đồng ● Các thiết bị phụ trợ: + Thiết bị nghiền xay nhựa thải + Hệ thống thiết bị sấy + Thiết bị trộn nguyên liệu + Thiết bị cắt sản phẩm + Hệ thống thiết bị cấp nhiệt cho quy trình Tổng giá thành thiết bị phụ trợ khoảng 700 triệu đồng ● Hệ thống nhà xưởng, kho bãi: ước tính 1000 m2, có 300 m2 nhà xưởng (trị giá 300 triệu đồng) ● Ước tính chi phí sản xuất 500 kg/h (tính cho sản xuất): Chi phí cho STT Hạng mục Đơn giá Ghi SX (đồng) Vỏ hạt cà phê 350 122500 Nhựa thải 1200 180000 Điện, nước 2074 72590 Giá điện cho SX Nhân công 20833 62500 Lương tr/tháng Khấu hao nhà xưởng 10000 Khấu hao 10 năm Khấu hao thiết bị 87000 Vận chuyển 100000 200 ngàn đồng / Thuê đất 10000 Giá thuê tr/tháng Chi phí SX 644590 10 Chi phí khác 64459 Tổng cộng 709049 Bảng 3.10 Ước tính chi phí sản xuất ● Với hiệu suất thu hồi 80%, xác định chi phí sản xuất đơn vị là: 1773 đồng / kg ● Với giá than cám (11/2012) 2600 ~ 3200 đồng/kg địa bàn Đồng nai, giá thành viên nhiên liệu sản xuất từ vỏ hạt cà phê cạnh tranh 45 CHƯƠNG IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận 4.1.1 Những kết đạt từ đề tài nghiên cứu - Tìm thơng số phù hợp cho trình đùn ép bao gồm nhiệt độ cài đặt (200oC), độ ẩm nguyên liệu (10%) thành phần hỗn hợp nguyên liệu (70% khối lượng vỏ hạt cà phê) - Xác định đặc tính quan trọng sản phẩm: khối lượng riêng, nhiệt trị, độ bền nén Sản phẩm viên nhiên liệu có dạng khối hình trụ lục giác đều, cạnh 12 mm có chiều dài tùy ý Tính chất Kết đo Khối lượng riêng (kg/m3) 965 Độ bền nén (MPa) 2.44 Nhiệt trị (Mj/kg) 25.26 Hàm lượng tro (%) 16.78 Bảng 3.11 Tính chất sản phẩm - Thực quy trình đốt thử viên nhiên liệu, đồng thời đo kiểm hàm lượng khí phát thải Kết cho thấy, viên nhiên liệu dễ cháy, hàm lượng khí phát thải gây nhiễm NOx , SO2 nằm giới hạn cho phép theo Quy chuẩn khí thải cơng nghiệp QCVN 19: 2009/BTNMT, riêng hàm lượng CO vượt mức cho phép Quy chuẩn 4.1.2 Những vấn đề cần có thời gian khảo sát thêm - Các yếu tố tối ưu thiết bị: xy lanh, vít đùn, tốc độ vít đùn, máng nhập liệu liên tục - Ảnh hưởng thời gian đùn ép thời gian lưu lên tính chất sản phẩm - Ảnh hưởng kích thước hạt loại nguyên liệu lên tính chất sản phẩm, đặc biệt độ bền nén khối lượng riêng - Lò đốt tự tạo chưa phản ánh xác q trình cháy sản phẩm, ảnh hưởng đến hàm lượng khí thải 4.2 Kiến nghị Với kết đạt điều chưa làm rõ, vấn đề sau đề xuất: - Làm rõ quy trình xử lý nhựa thải để đảm bảo đồng thành phần kích thước vật liệu - Xem xét ảnh hưởng nghiên cứu điều kiện tối ưu kích thước vỏ hạt cà phê cho trình đùn ép - Xem xét thử nghiệm đốt cháy sản phẩm điều kiện thực tế để có kết xác thành phần hàm lượng khí thải từ viên nhiên liệu - Đánh giá chi tiết tính kinh tế đề tài theo thời điểm năm - Đề xuất xem xét dự án sản xuất thử nghiệm 500 kg/h địa phận huyện Thống nhất, tỉnh Đồng nai 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS.Lê Minh Đức, Bài giảng thiết bị công nghệ Polymer, Đại học Bách khoa Đà nẳng [2] Bộ Nông nghiệp Phát triển Nông thôn, Phê duyệt Quy hoạch phát triển ngành cà phê Việt nam đến năm 2020 tầm nhìn đến năm 2030, ngày 21 tháng năm 2012 [3] Cục trồng trọt, Bộ Nông nghiệp Phát triển Nông thôn, Báo cáo “Hiện trạng sản xuất, giải pháp phát triển trồng tái canh cà phê thời gian tới”, tháng 10 năm 2012 [4] Trung tâm tin học thống kê – Bộ NN & PTNT , Tổng quan dự báo thị trường số nông sản Quý 1/2012 [5] Nguyễn Thọ, Kỹ thuật sản xuất cà phê, 2007 [6] TS Nguyễn Vĩnh Khanh, Báo cáo “Nghiên cứu sản xuất công nghệ sản xuất nhiên liệu rắn từ chất thải plastic vỏ trấu”, Sở KHCN TP.HCM, tháng năm 2009 [7] Thạc Sỹ Đoàn Triệu Nhạn, Cây cà phê Việt nam, Nhà xuất Nông nghiệp Hà nội, 1999 [8] QCVN 19: 2009/BTNMT, “Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia khí thải bụi chất vô cơ” Hà nội, 2009 [9] Bùi Nguyễn Quang, Hoàng Minh Nam, Nguyễn Vĩnh Khanh, Calorific value and energy yield of refuse derived fuel (RDF) from rice husk and plastic wates, Journal of Science and Technology, Volume 47, Number 5A, 2009 [10] Hoàng Minh Nam, Nguyễn Vĩnh Khanh, Extruction of municipal plastic waste and rice husk to produce solid fuel, ICENR 2008 [11] M.Ahiduzaman, Rice husk energy technologies in Bangladesh, Bangladesh Rice Research Institute [12] Göran Finnveden, Jessica Johansson, Per Lind, Åsa Moberg, Life Cycle Assessments of Energy from Solid Waste, August 2000 [13] Renewable and alternative energy fact sheet – Manufacturing Fuel Pellets from Biomass (Pennsylvania State University 2009) [14] Joseph A Roos and Allen M Brackley, The Asian Wood Pellet Markets, May 2012 [15] Chrystelle Verhoest, Yves Ryckmans, Industrial Wood Pellets Report, 22 March 2012 [16] R K Kasongo, A Verdoodt, P Kanyankagote, G Baert, E Van Ranst, Coffee waste as an alternative fertilizer with soil improving properties for sandy soils in humid tropical environments, March 2011 47 ... XUẤT VIÊN NHIÊN LIỆU DÂN DỤNG TỪ VỎ HẠT CÀ PHÊ” NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: • Nghiên cứu ứng dụng phát triển công nghệ sản xuất tạo viên nhiên liệu dân dụng từ vỏ hạt cà phê nhựa thải Nghiên cứu xác định... sức ép sử dụng nhiên liệu Trên giới nghiên cứu ứng dụng phát triển công nghệ sản xuất viên nén nhiên liệu sử dụng công nghiệp dân dụng tìm thị trường thương mại rộng lớn • Hạt cà phê sản phẩm... 2.1 Sơ đồ quy trình đùn ép viên nhiên liệuu 23 Trên sở đặc tính nhựa thải vỏ hạt cà phê, điều kiện cơng nghệ có sẳn, thấy việc sản xuất viên nhiên liệu dân từ vỏ hạt cà phê nhựa thải trình đùn ép