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
34
Hình 3. 1 Sản phẩm nhiên liệu rắn
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
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
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 vỏtrấu 3.470 [kcal/kg] + %kl plastic 9.780 [kcal/kg]
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).
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.
44
Hiệu suất thu sản phẩm của quá trình đùn ép có mối liên hệ mật thiết với mức độ nhiệt