25 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2 1 Quy trình công nghệ sản xuất viên nén và các yêu tố ảnh hưởng đến chất lượng Quy trình công nghệ sản xuất viên nén đa nguyên liệu từ sinh khối như gỗ, mùn cưa, rơm, cỏ hiện đang thịnh hành trên thế giới theo sơ đồ hình 2 1 Tùy theo phụ, phế liệu mà quy trình này có thể thay đổi theo hướng tăng và giảm các nguyên công và chế độ làm việc của các thiết bị 2 1 1 Công đoạn sấy Sau khi được định lượng nguyên liệu được đưa đến buồng sấy và được sấy đến độ ẩm thích h.
Trang 1CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Quy trình công nghệ sản xuất viên nén và các yêu tố ảnh hưởng đến chất lượng
Quy trình công nghệ sản xuất viên nén đa nguyên liệu từ sinh khối như gỗ, mùn cưa, rơm,
cỏ … hiện đang thịnh hành trên thế giới theo sơ đồ hình 2.1
Tùy theo phụ, phế liệu mà quy trình này có thể thay đổi theo hướng tăng và giảm các nguyên công và chế độ làm việc của các thiết bị
2.1.1 Công đoạn sấy
Sau khi được định lượng nguyên liệu được đưa đến buồng sấy và được sấy đến độ ẩm thích hợp khoảng 15% Đối với sấy nguyên liệu thường sử dụng máy sấy dạng băng tải trong nguyên công này
2.1.2 Công đoạn nghiền
Đối với một số nguyên liệu như rơm, rạ sau khi được băm cắt xuống kích thước 1÷3 cm
sẽ được đưa vào máy nghiền Kích thước sau nghiền từ (1,2 ÷ 1,8)mm dạng sợi nhỏ Ở đây ta lựa chọn nguyên lý máy nghiền búa
2.1.3 Công đoạn xử lý vật lý
Nguyên liệu sau khi được nghiền để tăng khả năng kết dính, tăng độ bền viên và giảm bụi khi ép cần bổ sung các chất phụ gia như dầu nhớt thải, rỉ mật,…để sau khi ép thành viên nén có chất lượng viên nén tốt hơn và tăng được tỷ lệ thu hồi viên nén cho năng suất viên nén cao hơn
Hình 2.1 Quy trình công nghệ sản xuất viên nhiên liệu
Trang 22.1.4 Công đoạn ép viên
Sau khi nguồn nguyên liệu có kích thước và độ ẩm thích hợp thì bắt đầu thực hiện công đoạn ép viên Nguyên liệu được đưa vào miệng nạp nguyên liệu của máy ép viên bằng các
hệ thống băng tải, vít tải, nhờ hệ thống này để cung cấp nguyên liệu một cách đều đặn vào miệng nạp nguyên liệu của máy nén viên Nguyên liệu sau khi đưa vào sẽ được nén lại thành dạng viên nén và được đưa ra ngoài
Công đoạn ép viên là công đoạn chính trong quá trình tạo ra viên nhiên liệu Việc lựa chọn kiểu thiết bị ép phù hợp với từng loại vật liệu, điều kiện và quy trình ép hợp lý sẽ cho ta tính được năng suất và sản phẩm có chất lượng cao Ngược lại, nếu các yếu tố trên không được đáp ứng thì chất lượng sản phẩm sẽ bị ảnh hưởng
2.1.5 Công đoạn làm nguội
Viên nén sau khi được tạo ra có nhiệt độ khá cao và được đưa vào hệ thống làm mát bằng các băng tải, Cyclone và máy làm mát sẽ làm giảm nhiệt độ của viên nén rồi mang đi đóng gói đem đi tiêu thụ
2.1.6 Công đoạn sàng
Tại công đoạn này phần vụn của viên sẽ được sàng lọc phân loại và hồi trở lại máy ép thông qua hệ thống băng tải
2.2 Nguyên lý làm việc của máy ép viên nhiên liệu
2.2.1 Cơ sở lựa chọn nguyên lý làm việc cho máy ép viên
Ép viên là công đoạn chính trong quá trình tạo ra viên nhiên liệu Việc lựa chọn kiểu thiết
bị ép phù hợp với từng loại vật liệu, điều kiện và quy trình ép hợp lý sẽ nâng cao năng suất
và chất lượng sản phẩm, giảm chi phí năng lượng riêng, giảm giá thành chế tạo máy Vì vậy việc phân tích lựa chọn nguyên lý thiết kế máy ép viên là vấn đề rất cần thiết Để ép viên nhiên liệu, hiện nay ở trong và ngoài nước thường áp dụng các nguyên lý chính như sau [3,5,19,35,36]
a Máy ép viên kiểu piton hoặc máy ép viên kiểu vít xoắn
Có ưu điểm là kết cấu đơn giản chế tạo rất đơn giản nhưng lại có nhược điểm là sự mài mòn vỏ và ruột vít diễn ra rất nhanh do lực ma sát phát sinh rất lớn trong quá trình ép
Trang 3Tuổi thọ của các chi tiết này chỉ tồn tại (làm việc được) khoảng vài chục tiếng đồng hồ cho ruột và vài chục ngày cho vỏ vít Như vậy ruột và vỏ vít thường xuyên phải thay thế, đây là nhược điểm lớn nhất cho thiết bị ép kiểu trục vít
b Máy ép viên khuôn vành
Là loại máy ép viên kiểu khuôn quay được ứng dụng rộng rãi trong ngành chế biến thức
ăn chăn nuôi Máy ép viên khuôn vành được chia làm thành 3 loại như hình 2.2 [3]
Máy ép viên khuôn vành có lô ép nằm bên trong khuôn Cả khuôn và lô đều quay, trong quá trình làm việc lô đẩy nguyên liệu xuyên qua lỗ khuôn
Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý làm việc máy ép viên kiểu khuôn vành và khuôn phẳng
a Ép viên khuôn vành 3 quả lô; b Ép viên khuôn vành 2 quả lô côn; c Ép viên khuôn vành 2 quả lô (1 to + 1 nhỏ); d Ép viên khuôn phẳng lô trụ; e Ép viên khuôn phẳng lô côn
Hình 2.3 Khuôn và lô ép của máy ép viên kiểu khuôn vành [3]
Trang 4Ưu điểm: Năng suất cao Chi phí năng lượng riêng thấp
Nhược điểm: Khuôn ép khó chế tạo hơn so với khuôn phẳng nên giá thành cao hơn, tháo
lắp phức tạp hơn Chỉ áp dụng cho các nguyên liệu dạng bột có tính đồng đều cao do góc chèn ép nguyên liệu vào lỗ khuôn giữa quả lô và khuôn ép nhỏ Nguyên liệu đưa vào không được quá khô để tạo ra một lực ma sát để khi vùng lên nguyên liệu sẽ luôn được tạo thành một lớp mỏng bám trên thành khuôn đảm bảo cho các quả lô đểu được ăn nhiên liệu đồng đều, tránh hiện tượng có quả lô không làm việc làm giảm năng suất và gây hư hỏng nhanh Điều chỉnh khe hở giữa các quả lô với khuôn ép đòi hỏi độ chính xác đồng đều cao Viên
ép sau khi cắt rơi xuống theo quán tính quay tròn của khuôn ép sẽ bị văng vào thành của
vỏ máy nên dễ bị vỡ
c Máy ép khuôn phẳng
Máy ép khuôn phẳng gồm có hai loại: kiểu khuôn quay và kiểu lô ép quay Loại khuôn quay thường được dùng với những máy có công suất nhỏ và ít được sử dụng Loại lô ép quay được sử dụng phổ biến hơn so với loại khuôn quay do kết cấu của bộ phận truyền động đơn giản và năng suất cao hơn Loại lô ép quay này thường có kết cấu theo hai dạng:
Lô hình trụ và lô hình côn
Máy ép viên khuôn phẳng đã khắc phục được những hạn chế của máy ép viên khuôn vành như: Dễ chế tạo và thay thế khuôn khi bị hư hỏng Khe hở giữa khuôn và lô ép có thể điều chỉnh dễ dàng, thao tác đơn giản Góc ăn nguyên liệu giữa quả lô và khuôn phẳng lớn hơn
so với khuôn vành nên có thể ứng dụng cho cả những nguyên liệu dạng thô, sợi Khi bề
Hình 2.4 Bộ phận ép khuôn phẳng dạng lô trụ và lô côn [3]
Trang 5mặt làm việc của khuôn bị mòn có thể lật mặt trái để sử dụng, do đó nâng cao được tuổi thọ của khuôn Do nguyên liệu đi vào buồng ép từ trên xuống, đồng thời có tấm gạt trên
bề mặt khuôn cho nên nguyên liệu luôn được phân bố đồng đều trên bề mặt khuôn, vì thế
dù ở vị trí nào của khuôn đều ép ra viên bằng nhau Viên ép cứng hơn, ít bụi bột Viên ép sau khi cắt rơi thẳng xuống theo trọng lượng bản thân và được đưa ra ngoài dễ dàng nhờ đĩa dao gạt, viên không bị va chạm với vỏ máy nên tỉ lệ viên vỡ ít
Máy ép viên kiểu khuôn vành sử dụng phương pháp ép nửa khô, khi ép nhiệt lượng sinh
ra tương đối lớn, có thể đạt tới 700C và lớn hơn nữa, dễ làm hư hỏng bộ phận nguyên liệu
có tính nhạy cảm với nhiệt Thông thường người ta dùng phương pháp giảm chiều dài lỗ của khuôn để giảm thấp sự tăng nhiệt Nhưng về phương diện khác do giảm ngắn chiều dài hữu hiệu của khuôn thì dẫn tới làm tăng lượng bụi bột sinh ra khi ép, tỉ lệ thành phẩm giảm thấp xuống kéo theo sự giảm độ cứng của viên Khắc phục tình trạng này người ta dùng khuôn phẳng, không cần giảm độ dài hữu hiệu của khuôn mà vẫn có thể giảm thấp nhiệt độ của viên bằng cách thiết kế ống nước làm nguội trực tiếp vừa giữ được độ cứng của viên vừa giảm được nhiệt độ của viên
Truyền động sử dụng dây đai hình thang, bánh vít - trục vít hoặc cặp bánh răng côn, truyền động sẽ ổn định và tiếng ồn thấp
2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ép viên
Để đạt được năng suất sản xuất viên nén và chất lượng của viên nén tốt đáp ứng yêu cầu của người sử dụng, cần phải quan tâm nhiều và có cách xử lý tối ưu nhất tới các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình làm việc của máy ép viên như:
2.3.1 Độ ẩm nguyên liệu đưa vào ép
Đây là thông số hết sức quan trọng trong quá trình ép viên, độ ẩm quá khô sẽ làm ma sát giữa thành lỗ với nguyên liệu tăng cao dẫn đến làm tăng lượng bụi bột, tăng phản lực ép
có thể dẫn đến vỡ khuôn Độ ẩm quá cao làm cho liên kết viên yếu làm viên dễ vỡ Qua tham khảo một số tài liệu thấy độ ẩm nguyên liệu phù hợp cho ép viên là (12 ÷ 22)% [5]
Trang 62.3.2 Vận tốc tương đối của quả lô ép với khuôn ép
Vận tốc tương đối của quả lô với khuôn ép có ảnh hưởng tới năng suất và chất lượng tạo viên Tuy nhiên khi vận tốc tăng trong một phạm vi nhất định thì năng suất cũng sẽ tăng theo, nhưng khi vận tốc tăng quá (vận tốc cao) thì khả năng ép lại kém Ngoài ra khi vận tốc lên cao sẽ ảnh hưởng tới quá trình chạy ổn định của máy, vận tốc tương đối của quả lô với khuôn nên lấy trong khoảng (2÷5)m/s [6]
2.3.3 Khe hở giữa quả lô và khuôn ép
Khe hở giữa quả lô với khuôn có ảnh hưởng rất lớn tới áp lực ép vì vậy dẫn đến ảnh hưởng tới chất lượng viên ép Thông thường khe hở ép thường nằm trong khoảng (0,3÷1,2)mm đối với từng loại nguyên liệu khác nhau Khoảng cách càng nhỏ viên càng chặt
2.3.4 Kết cấu và chất lượng chế tạo khuôn ép và quả lô ép
Kết cấu hợp lý, chất lượng khuôn ép và quả lô ép tốt sẽ góp phần tăng năng suất, tăng tuổi thọ máy, giảm chi phí sản xuất
Trong quá trình làm việc, khuôn và lô ép là hai bộ phận chịu ảnh hưởng lớn nhất của quá trình ép, ngoài chịu ảnh hưởng của phản lực nén ép có hướng vuông góc với mặt khuôn, lực ma sát song song với mặt khuôn thì lô ép còn đồng thời chịu ảnh hưởng của lực li tâm
Vì vậy trong quá trình tính toán, thiết kế cần hết sức lưu ý tới các yếu tố trên để lựa chọn vật liệu và kết cấu cho phù hợp
2.3.5 Áp lực ép
Để ép ra viên có hình dạng và độ chắc bền nhất định thì khuôn ép và quả lô ép buộc phải chịu một áp lực rất lớn để tạo sức ép làm cho vật liệu thoát ra khỏi lỗ khuôn Áp lực này
có thể dẫn tới vỡ tức thời của khuôn, thời gian làm việc vượt quá cũng sẽ tạo ra tổn thương
và mỏi của khuôn làm ảnh hưởng tới chất lượng viên ép thành phẩm Bởi vậy, việc chọn vật liệu và phương pháp chế tạo khuôn là nhân tố rất quan trọng quyết định tính bền của khuôn
Trang 72.3.6 Nhiệt độ
Trong quá trình tạo viên, khuôn chịu sức ép co dãn của vật liệu ép và quả lô nén ép vật liệu vào lỗ khuôn gây ma sát giữa vật liệu với vật liệu và ma sát giữa vật liệu với khuôn
và quả lô ép làm phát sinh nhiệt trong buồng ép viên Nhiệt phát sinh quá lớn có thể làm cháy nguyên liệu, làm biến đổi thành phần trong nguyên liệu và ảnh hưởng đến tỷ lệ viên thành phẩm và năng xuất của máy ép
2.4 Cơ sở lý thuyết về đánh giá viên nén
2.4.1 Các yếu tố kỹ thuật ảnh hưởng đến công nghệ sản xuất viên nén
Trong quá trình sản xuất viên nén thì các yếu tố trong quá trình sản xuất ảnh hưởng đến chất lượng viên nén đó là: Quá trình nghiền vật liệu, quá trình sấy vật liệu, quá trình nén tạo viên và quá trình làm mát viên nén
2.4.1.1 Ảnh hưởng của quá trình nghiền vật liệu đến chất lượng viên nén
Vật liệu ban đầu bao gồm các vật liệu gỗ như mùn cưa, vỏ trấu hay dăm gỗ có kích thước, hình dạng và độ ẩm khác nhau Để đảm bảo cho quá trình sấy vật liệu cũng như quá trình nén tạo viên thì vật liệu phải được làm nhỏ đến kích thước thích hợp và đồng đều Các dạng nguyên kiệu trên thường có kích thước lớn và không đồng đều (> 25mm) Kích thước thích hợp cho quá trình sản xuất viên nén của vật liệu là (< 1mm), với kích thước này đảm bảo quá trình sấy độ ẩm trong vật liệu được đồng đều và quá trình nén vật liệu tạo viên nén có độ bền cơ học cao hơn Quá trình nghiền này đặc trưng bởi tỉ số nghiền:
𝑖 =𝐷0 𝐷 Trong đó: i là tỉ số nghiền (m/m)
D0 là kích thước của vật liệu trước khi nghiền (m)
D là kích thước của vật liệu sau nghiền (m)
Tỉ số nghiền và kích thước hạt liên quan đến quá trình lựa chọn thiết bị nghiền
(2.1)
Trang 82.4.1.2 Ảnh hưởng của quá trình sấy đến chất lượng viên nén
Sấy là một quá trình quan trọng nhất của quá trình sản xuất viên nén gỗ năng lượng Quá trình sấy đảm bảo rằng độ ẩm trong vật liệu đạt thích hợp nhất cho quá trình nén tạo viên Độ ẩm thích hợp nhất cho quá trình nén là (12÷15)%, với độ ẩm này quá trình nén sẽ tạo được sự kết dính của vật liệu tạo nên độ bền cơ học của sản phẩm Hiện nay các phương pháp sản xuất trong công nghiệp lựa chọn phương thức sấy bằng thùng quay vì tính tiện lợi của nó Sấy bằng thùng quay phù hợp với vật liệu hạt tơi vừa đảm bảo năng suất ổn định và quá trình thao tác vận hành dễ dàng Ngoài sấy thùng quay còn có thể sử dụng các phương thức khác như quá trình sấy bằng thổi khí
Hàm ẩm của vật liệu ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình hình thành viên nén trong quá trình nén tạo viên và nó gián tiếp ảnh hưởng đến độ bền cơ học của viên nén trong quá trình vận chuyển
Trong quá trình sấy thì do vật liệu là gỗ mùn cưa là vật liệu dễ cháy vì thế việc lựa chọn tác nhân sấy cho hệ thống sấy là hết sức quan trọng, nhiệt độ sấy cũng ảnh hưởng đến quá trình sấy Tác nhân sấy phù hợp cho quá trình sấy mùn cưa là tác nhân sấy khói lò với nhiệt độ sấy khoảng 350ºC
2.4.1.3 Ảnh hưởng của quá trình nén đến chất lượng viên nén
Quá trình nén là công đoạn cuối của quá trình sản xuất viên nén Hiện nay có một số phương pháp nén tạo viên được sử dụng là nén bằng piton cơ khí, nén bằng piton thủy lực, nén bằng trục vít và nén bằng hệ thống Rolling Lực nén trong quá trình nén là vô cùng quan trọng, với lực nén lớn hơn sẽ tạo cho sản phẩm có độ bền cơ học cao hơn cũng như khối lượng riêng lớn hơn Hiện nay quá trình nén sử dụng phương thức nén Rolling được
sử dụng chủ yếu do khả năng tạo áp suất nén của thiết bị này lớn hơn cấu tạo của nó cũng đơn giản hơn
Quá trình nén tạo viên ảnh hưởng trực tiếp đến tiêu chuẩn chất lượng của viên nén là: khối lượng riêng của viên nén và độ Fine của viên nén trong quá trình bảo quản, tồn chứa và vận chuyển
Trang 9Trong quá trình nén thì có 6 yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gồm: (i) Tính chất kết dính của vật liệu; (ii) khả năng nén của máy; (iii) Tính chất ma sát của lỗ thoát viên nén; (iv) Chiều dài và đường kính của lỗ khuôn; (v) Khoảng cách từ Rolling nén đến lỗ thoát viên; (vi) Tần số nén, tốc độ của Rolling và quá trình thoát viên sau khi ra khỏi lỗ
Với khoảng cách từ lỗ nén đến bi nén khoảng cách từ 0÷1 giúp giảm năng lượng nén xuống
và lượng nén giảm xuống 30%
2.4.1.4 Ảnh hưởng của quá trình làm mát tới chất lượng viên nén gỗ [37]
Sau quá trình nén tạo viên nhiệt độ của viên nén tăng rất cao có thể lên đến 100ºC, lúc này cần làm mát viên nén nhanh để thành phần Lignin trong vật liệu co lại tạo nên độ kết dính của viên Để đảm bảo việc làm mát nhanh viên nén, hiện nay có phương pháp làm mát trực tiếp bằng không khí trong thiết bị làm mát Quá trình làm mát trực tiếp bằng không khí có thể đảm bảo làm mát viên nén xuống nhiệt độ gần với nhiệt độ phòng
2.5 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng viên nén [20]
2.5.1 Độ ẩm
Nguyên lý của phương pháp: Mẫu than được sấy ở (105 ÷ 110)oC trong dòng khí nitơ khô
và hơi ẩm được hấp thụ trong ống hấp thụ chứa chất làm khô Sự tăng khối lượng ống hấp thụ là hàm lượng ẩm trong than Phần ẩm trong than bao gồm những phần ẩm sau đây:
- Phần ẩm được hấp thụ trên bề mặt hạt than
- Phần ẩm được ngưng tụ trong các mao quản của hạt than
- Phần ẩm do trộn lẫn cơ học với than
- Phần ẩm do nước kết tinh của một số muối vô cơ trong phần khoáng
- Phần ẩm liên kết
2.5.2 Hàm lượng tro
Nguyên lý của phương pháp : Tro là phần còn lại của than sau khi đã đốt cháy hoàn toàn phần hữu cơ trong than Tro của than chủ yếu bao gồm các oxit như SiO2, Al2O3, Fe2O3,
CaO, MgO, TiO2,…
Trang 10Mẫu được đốt trong lò nung không khí ở nhiệt độ (815± 15)oC và duy trì ở nhiệt độ này tới khi khối lượng không đổi Phần trăm của tro được tính từ khối lượng phần trăm còn lại sau khi đốt mẫu
2.5.3 Hàm lượng chất bốc
Chất bốc là thành phần hữu cơ dễ bay hơi trong nguyên liệu Khi nung nóng nguyên liệu trong điều kiện không có không khí ở nhiệt độ cao các thành phần không bền vững này sẽ
bị phân hủy thoát ra ngoài dưới dạng khí hoặc hơi
2.5.4 Xác định nhiệt trị
Nhiệt trị là thông số quan trọng nhất của nguyên liệu, dựa vào nhiệt trị phân tích ta sẽ tính toán được HHV và LHV của nguyên liệu, phối hợp với hàm ẩm của nhiên liệu ta sẽ xác định được lượng nhiệt cần thiết thực tế để chuyển nguyên liệu từ dạng khô sang dạng ướt
và lượng nhiệt thực sự hữu ích của nhiên liệu (điều kiện làm việc của vật liệu đốt)
