Chúng tôi đã xây dựng thành công quy trình công nghệ đùn ép vỏ trấu và chất thải plastic sản xuất nhiên liệu rắn. Trong khuôn khổ đề tài, một hệ thống thiết bị đùn ép năng suất 5 – 20 kg nguyên liệu /h đã được xây dựng và vận hành ổn định. Quá trình đùn ép hỗn hợp vỏ trấu và chất thải plastic được thực hiện dễ dàng, với tỷ lệ vỏ trấu khảo sát trong khoảng từ 60 đến 80% kl trong hỗn hợp nguyên liệu. Sản phẩm nhiên liệu rắn tạo thành có hình dạng khối lục giác, cạnh 12mm, độ dài theo mong muốn. Chúng tôi đã tiến hành khảo sát tìm ra thông số phù hợp cho quá trình đùn ép chất thải plastic và vỏ trấu trên các hệ thống thiết bị, bao gồm nhiệt độ cài đặt, hàm lượng ẩm, và thành phần hỗn hợp nguyên liệu. Các thông số này có ảnh hưởng qua lại lẫn nhau, và ảnh hưởng đến các tính chất của sản phẩm thu được. Với hệ thống thiết bị của đề tài, hiệu suất thu sản phẩm nhiên liệu rắn đạt trong khoảng 85 ~ 90%; và đạt giá trị cực đại khi hỗn hợp nguyên liệu được đùn ép tại nhiệt độ thấp (140 – 160 – 180oC). Bên cạnh đó, hiệu suất năng lượng của quá trình lớn hơn 0,8 và điện năng tiêu thụ cho 1 kg sản phẩm không cao, dao động từ 0,17 ~ 0,26 kWh/kg sản phẩm. Với một hệ thống thiết bị có quy mô lớn hơn, các thông số nêu trên có thể được tối ưu và đạt được các giá trị có lợi hơn cho sản xuất.
Kết quả khảo sát sơ bộ hiệu quả kinh tế của quy trình công nghệ đùn ép năng suất 500 kg nguyên liệu/h cho thấy giá thành sản phẩm nhiên liệu rắn có thể ước tính là 1.972 đồng/kg. Với lợi nhuận biên là 10%, giá bán sản phẩm là 2169 đồng/kg có thể chấp nhận được trong điều kiện hiện tại. Ngoài ra, chúng tôi cũng tiến hành xác định mức độ ô nhiễm môi trường của quy trình công nghệ đùn ép, kết quả cho thấy quá trình đùn ép sản xuất nhiên liệu rắn không gây ảnh hưởng đến chất lượng không khí xung quanh. Chúng tôi cũng nhận định rằng quy trình này không gây ra những vấn đề bảo hộ, an toàn lao động hay môi trường đặc biệt nào.
Về sản phẩm nhiên liệu rắn thu được, các tính chất vật lý quan trọng của sản phẩm nhiên liệu rắn bao gồm độ bền nén, khối lượng riêng, khối lượng riêng đổ đống, nhiệt trị đã được phân tích và đánh giá. Khối lượng riêng đổ đống của sản phẩm nhiên liệu rắn tăng gấp khoảng 5 - 6 lần khối lượng riêng đổ đống của trấu. Kết quả này cho thấy quy trình công nghệ đề xuất đã giải quyết được một trong những nhược điểm của vỏ trấu, và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình vận chuyển. Nhiệt trị của sản phẩm nhiên liệu rắn nằm trong khoảng 5.400 – 6.200 kcal/kg, khá cạnh tranh với nhiệt trị của than. Ngoài ra sản phẩm có độ bền nén tốt, tồn trữ dễ dàng dưới mọi điều kiện thời tiết. Các mẫu nhiên liệu với tỷ lệ vỏ trấu là 80%kl có khối lượng riêng đổ đống cao, nhiệt trị khá cao, độ bền nén phù hợp được đánh giá là những mẫu có triển vọng ứng dụng trong thực tế.
57
Kết quả thực nghiệm đốt sản phẩm trong lò đốt thử nghiệm và tại một lò đốt công nghiệp với mức tiêu hao khoảng 100 kg than / h cho thấy sản phẩm nhiên liệu rắn rất dễ cháy, cháy hoàn toàn không sinh tro dính và khi cháy sinh ra ít khói. Bên cạnh đó, phát thải các khí gây ô nhiễm đều nằm trong giới hạn cho phép được quy định tại TCVN 5939:2005. So với sản phẩm củi trấu – là sản phẩm đã được thị trường chấp nhận – sản phẩm của đề tài có nhiệt trị cao gấp khoảng 1,5 lần, và khi sử dụng sẽ tiết kiệm được khoảng 30% nhiên liệu.
4.2
Với ưu điểm của quy trình đùn ép liên tục, cùng với những kết quả khá khả quan thu được nêu trên, và những phản hồi tích cực từ các đơn vị có nhu cầu, chúng tôi tin tưởng rằng quy trình công nghệ đề xuất có tiềm năng lớn trong triển khai ứng dụng thực tế, tạo ra sản phẩm cạnh tranh. Vì điều kiện khách quan, các kết quả nghiên cứu vẫn còn một số hạn chế, như chưa khẳng định được ảnh hưởng của các yếu tố “phần cứng” đến quy trình công nghệ và tính chất sản phẩm, như kích thước xi-lanh, vít đùn và cấu trúc vít đùn tối ưu. Các yếu tố phần cứng này sẽ quyết định khả năng triển khai trong thực tế.
Chúng tôi đã thử đùn ép chất thải plastic với vỏ hạt cà phê, cũng là một nguồn nguyên liệu biomass dồi dào tại Việt Nam và nhận thấy quá trình đùn ép diễn ra dễ dàng hơn nhiều so với vỏ trấu, năng suất của thiết bị được cải thiện đáng kể.
Chúng tôi đề xuất một số hướng nghiên cứu tiếp tục đề tài này như sau :
- Khảo sát ảnh hưởng của cấu trúc trục vít đến quá trình đùn ép, qua đó đưa ra được một cấu trúc trục vít tối ưu theo các vùng trục vít nhằm tăng khả năng đổng nhất hoá, tăng lực nén (tăng khối lượng riêng) và tăng hiệu suất thu hồi sản phẩm và hiệu suất năng lượng của quá trình.
- Khảo sát và đánh giá chi tiết sự biến đổi về mặt hoá học của các nguyên liệu chất thải plastic và vỏ trấu trong quá trình đùn ép; khảo sát chi tiết thành phần hoá học của sản phẩm nhiên liệu rắn nhằm có những kết luận chính xác và đáng tin cậy hơn về khả năng đốt cháy cũng như thành phần khí thải của sản phẩm.
- Nghiên cứu chế độ đốt và quy trình đốt sản phẩm nhiên liệu rắn để quá trình cháy được hoàn toàn. Nghiên cứu cấu tạo phù hợp nhất cho lò đốt sản phẩm nhiên liệu rắn và củi trấu.
- Nghiên cứu các phương pháp tận dụng, chế biến tro sinh ra sau khi đốt. (Thực tế hiện nay các lò đốt sử dụng sản phẩm củi trấu đang gặp những khó khăn về vấn đề này)
- Khảo sát quá trình đùn ép chất thải plastic với các nguồn phụ phẩm nông nghiệp / biomass khác có nhiều ở Việt Nam như vỏ cà phê, vỏ điều, xơ dừa, …
58
- Khảo sát các “phụ gia” kết dính và bôi trơn khác ngoài chất thải plastic có thể sử dụng phù hợp với công nghệ đùn ép trục vít.
Cuối cùng, chúng tôi hy vọng các kết quả đạt được trong đề tài là cơ sở và mở ra một hướng giải quyết bài toán xử lý chất thải plastic và phụ phẩm nông nghiệp hiện đang rất bức xúc tại Việt Nam. Với mong muốn tìm hiểu và nắm bắt hoàn toàn công nghệ đùn ép chất thải plastic và vỏ trấu hoặc các nguyên liệu biomass, hiện tại chỉ đang được xem là phế phẩm nông nghiệp, bên cạnh đó đưa ra một sản phẩm nhiên liệu rắn có khả năng ứng dụng khá cao trong công nghiệp mang đến những lợi ích thiết thực trong kinh tế, xã hội và môi trường, chúng tôi mạnh dạn đề nghị triển khai một dự án sản xuất thử nghiệm, quy mô khoảng 500 kg nguyên liệu / h trong khuôn khổ các đề tài / dự án do Sở Khoa học và Công nghệ Tp. HCM trực tiếp quản lý.
59
Các tài liệu tham khảo chính
[1] Hisao Ida, Current Status of Plastics Recycling in Japan, trong Báo cáo tại
Plastic Waste Management Institute, Japan, tháng 12, 2006.
[2] Estela Assureira, Rice husk – an alternative fuel in Perú, Boiling Point, 48, 2002, 35-36.
[3] Phạm Hoàng Ngân, Tổng quan Cung - Cầu ngành hàng gạo Việt Nam 2007, bài viết tại địa chỉ http://www.agro.gov.vn/news/newsdetail.asp?targetID=5182. [4] Số liệu lấy từ địa chỉ : http://vaas.org.vn/download/caylua/12/38_trau.htm
[5] Thông tin lấy từ địa chỉ : http://vietbao.vn/Khoa-hoc/San-xuat-dien-tu-vo-trau- mun-cua/40127578/188/
[6] S.C. Bhattacharya*, M. Augustus Leon and Md. Mizanur Rahman, A Study on Improved Biomass Briquetting, Energy for Sustainable Development, 6(2), 2002,
67-71.
[7] T. H. T. Vinh, Công nghệ khí hóa trấu trong sản xuất năng lượng, trong ET
News, Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển về Tiết kiệm Năng lượng - Số 3 - Tháng 5 & 6, 2004
[8] Số liệu thống kê do Sở Tài nguyên và Môi trường cung cấp [9] Nguyễn Văn Phước, Bài giảng Quản lý và xử lý chất thải rắn [10] Số liệu và thông tin lấy từ địa chỉ :
http://irv.moit.gov.vn/News/PrintView.aspx?ID=19656
[11] J. Brandrup, Recycling and recovery of plastics, Carl Hanser Verlag, 1996.
[12] A. Tukker, Ing. H. de Groot, Ir. L. Simons, Ir. S. Wiegersma, Chemical recycling
of plastic waste (PVC and other Resins), TNO Institute of strategy Technology
and Policy, December 1999.
[13] An Introduction to Plastic Recycling, Report of Plastic Waste Management
Institute, Japan, 2004, tại địa chỉ :
http://www.pwmi.or.jp/ei/plastic_recycling_2004.pdf
[14] Yadong Li , Henry Liu, Ou Zhang, High-pressure compaction of municipal solid
waste to form densified fuel, Fuel Processing Technology 2001,74:81–91.
[15] R. Marsh et. al., Physical and thermal properties of extruded refuse derived fuel, Fuel Processing Technology, 2007, 88:701–706.
[16] Emmanuel Kakaras et. al., Solid recovered fuel as coal substitute in the electricity
generation sector, Thermal Science, 2005, 9:17-30.
[17] Dominick V. Rosato, P.E., Plastics Processing Data Handbook, Second edition, Chapman & Hall, 1997.
60
PHỤ LỤC A : MÔ TẢ CHI TIẾT THIẾT BỊ ĐÙN ÉP MỘT TRỤC VÍT
Cấu tạo máy đùn một trục vít
Chú thích: A: trục vít, B: thân máy đùn (xylanh), C: thiết bị gia nhiệt, D: đầu đo nhiệt E: họng cấp liệu, F: Phễu cấp liệu, G: giảm áp lực đẩy, H: giảm tốc bằng bánh răng, I: motor, J: vùng cấp liệu, K: vùng nén, L: vùng đẩy
:
. Nó có khả
không ổn định, nó là nguyên nhân làm thay đổi kích thước máy đùn. Chính vì vậy, việc ổn định tốc độ là điều rất cần thiết đối với hệ thống dẫn động.
Hệ . Một điều
cần thiết đối với hệ thống dẫn động là khả năng thay đổi tốc độ trong một phạm vi rộng. Các hệ thống dẫn động chính bao gồm: động cơ điện xoay chiều, động cơ điện 1 chiều …
:
–
. cấu tạo hộp giảm tốc gồm các bánh răng ăn khớp với nhau và hệ thống buli truyền động từ động cơ tới hộp giảm tốc.
Thông số quan trọng nhất của hộp giảm tốc là tỉ số truyền, thường tỷ lệ này là 15:1 đến 20:1; có thể thấp nhất 5:1 và cao nhất là 40:1. Ngoài cách thay đổi tốc độ trục vít bằng
61
cách thay đổi tốc độ động cơ người ta còn thay đổi vị trí các bánh răng ăn khớp để thay đổi tỉ số truyền.
Khi gắn trực tiếp động cơ và hộp số - truyền động trực tiếp (direct drive). Nếu truyền động qua dây đai (cu-roa) giữa động cơ và hộp giảm tốc - truyền động gián tiếp (indirect drive).
:
, cọ xát vào xi lanh gây hư hỏng bề mặt xi lanh và trục vít.
-
Xi lanh:
Là bộ phận bao quanh trục vít có gắn những bộ gia nhiệt ở vòng ngoài. .
Tùy theo cách đốt nóng , lớp ngoài có thể có một hay hai vỏ. Đối với máy đùn cao su thường có hai
. Gia công nhựa nhiệt dẻo vỏ thường một lớp, đốt nóng bằng điện trở.
Cửa nạp liệu:
Là phần tiếp xúc với xi lanh ở dưới và phễu nạp liệu ở bên trên. Cửa nạp liệu có thể có tiết diện tròn, vuông, chữ nhật, thành đứng hay nghiên, tiếp xúc hay võng xuống, hệ thống nước làm mát thường được thiết kế để tránh hiện tượng nóng chảy vật liệu, dính vào thành thiết bị. Chiều dài của họng khoảng 1,5 lần, rộng khoảng ¾ đường kính của thân máy đùn, và thường không được bé hơn một bước vít.
:
Là nơi chứa nguyên liệu dự trữ, để cung cấp nguyên liệu cho máy đùn. Phễu nạp liệu được thiết kế sao cho đảm bảo dòng vật liệu chảy ổn định vào xy lanh, thường có dạng hình nón cụt.
62
– :
Hệ thống gia nhiệt: dùng để gia nhiệt làm nhựa nóng chảy trong quá trình đùn. Có hai nguồn năng lượng chính cung cấp cho máy đùn. Thứ nhất và cũng là nguồn năng lượng quan trọng nhất đó là năng lượng sinh ra do ma sát (cung cấp 80% năng lượng) và thứ hai là nguồn năng lượng từ bên ngoài (bằng cách gia nhiệt xi lanh hoặc trục vít).
Các thiết bị gia nhiệt bằng điện được đặt dọc theo thân máy đùn. Các máy đùn thường có ít nhất 3 vùng nhiệt độ dọc theo chiều dài của thân máy đùn. Các máy đùn dài hơn, có trên 8 vùng nhiệt độ. Mỗi vùng có hệ thống gia nhiệt và làm lạnh riêng, có sensor đo nhiệt độ. Nhiệt độ thường đo bên trong thân máy. Khuôn có thể có một hay nhiều vùng nhiệt độ phụ thuộc vào độ phức tạp của nó. Khuôn thường được gia nhiệt, ít khi phải làm lạnh.
Hệ thống làm nguội: nhựa nhào trộn do sự chuyển động của trục vít và quá trình gia nhiệt thường phát sinh nhiều nhiệt, do đó cần phải giải nhiệt để ổn định nhiệt, tránh làm cho nhiệt độ thân máy đùn tăng quá giới hạn cho phép. Điều này cũng xảy ra tương tự khi đùn nhựa có độ nhớt cao, tốc độ đùn lớn . Có thể giải nhiệt bằng nước hoăc không khí.
Khi cần lấy đi một lượng nhiệt lớn, có thể dùng nước. Máy đùn hoạt động tốt nhất khi trục vít cấp đủ năng lượng cho quá trình, gia nhiệt hoặc làm lạnh cũng sẽ ít đi. Do vậy, với máy đùn trục vít đơn, làm lạnh bằng không khí là đủ. Nước làm lạnh quá nhanh sẽ gây khó khăn cho việc khống chế đúng nhiệt độ.
:
Chức năng: tiếp nhận nhựa tại cửa nhập liệu, tải vật liệu từ vùng nạp liệu đến đầu định hình. Thực hiện nhào trộn, gia nhiệt, hóa dẻo, và tách khí trong quá trình tải. Độ ổn định của quá trình làm việc, chất lượng sản phẩm phụ thuộc nhiều vào trục vít. Trục
:
- Lõi trục: thanh hình trụ hoặc hình trụ côn
- Land: mặt ngoài của gân nằm xa nhất đối với trục vít. - Flight: cánh vít.
Các thông số quan trọng: - 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.
- .
- 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.
63
Cấu tạo của trục vít
Các vùng trục vít: -
, mang tính chất chuyển động khối. Để hạt vật liệu có thể chuyển động tới thì ma sát giữa hạt vật liệu với bề mặt trục vít phải nhỏ hơn ma sát giữa
. -
, bề dày khối rắn tăng dần khi khối vật liệu tiến về phía trước.
- Vùng định lượng: vật liệu ở trạng thái chảy nhớt, chuyển động của vật liệu là dạng chuyển động ma sát nhớt.
:
Đầu tạo hình đặt ở đầu ra của máy đùn. Tạo ra sản phẩm với hình dạng mong muốn. Đầu tạo hình dạng vành khuyên (annular die) dùng tạo ống, bọc dây điện. Đầu tạo hình có khe (slit die) dùng tạo màng mỏng, tấm. Đầu đùn circular die dùng để tạo sản phẩm dạng sợi, que. Đầu tạo hình profile để tạo các sản phẩm có các hình dạng khác. Đầu tạo hình được định danh theo loại sản phẩm nên ta có thể gọi: đầu tạo hình tấm, màng mỏng . . .
64