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.
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 170
30.
- 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.
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 ~ 160oC 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.
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
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,