Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp

1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU...7 1.1 Tầm quan trọng của việc Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông ngh

BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC VÀ MÁY NÔNG NGHIỆP

VIỆN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY NÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2012

Cơ quan chủ trì Chủ nhiệm đề tài

Viện NCTKCT máy Nông nghiệp

TS Nguyễn Đình Tùng KS Nguyễn Văn Thành

chuyên môn

1 Nguyễn Văn Thành Kỹ sư Viện NCTKCT máy nông nghiệp

2 Trần Quyết Thắng Kỹ sư Viện NCTKCT máy nông nghiệp

3 Đoàn Văn Cao Thạc sỹ Viện NCTKCT máy nông nghiệp

Mục lục

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 7

1.1 Tầm quan trọng của việc Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp 7

1.1.1 Tình hình sản xuất và sử dụng năng lượng sinh khối trên thế giới 7

1.1.2 Tình hình sản xuất và sử dụng năng lượng sinh khối ở Việt Nam 10

1.2 Quy trình công nghệ sản xuất thanh/củi nhiên liệu 13

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN THIẾT BỊ TẠO THANH NHIÊN LIỆU 16

2.1 Tính năng kỹ thuật của lực ép 16

2.2 Các loại buồng ép và quá trình ép thanh 17

2.3 Tính năng của máy ép và một số loại máy ép 18

2.3.1 Máy ép thanh nhiên liệu kiểu thủy lực 19

2.3.2 Máy tạo thanh nhiên liệu kiểu pít tông (lệch tâm) cơ cấu biên tay quay.24 2.3.3 Máy tạo thanh/củi nhiên liệu kiểu trục vít 27

2.4 Lựa chọn thiết bị gia nhiệt ở khuôn ép 29

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ KHẢO NGHIỆM THIẾT BỊ ÉP THANH NHIÊN LIỆU 30

3.1 Cơ sở lý hóa của quá trình ép vật liệu [7] 30

3.2 Nghiên cứu lý thuyết ép vít 30

3.2.1 Quá trình dịch chuyển của nguyên liệu ép trong buồng vít 31

3.2.2 Góc nâng cánh vít, vận tốc dịch chuyển nguyên liệu trong buồng ép [6]32 3.2.3 Năng suất vận chuyển của máy ép vít 34

3.2.4 Công suất trên trục vít [6] 35

3.3 Tính toán thiết bị ép củi [6] 38

3.4 Quy trình chế tạo các thiết bị 41

3.4.1 Trình tự gia công chế tạo máy ép thanh/củi nhiên liệu kiểu trục vít 41

3.4.1 Quy trình chế tạo lò gia nhiệt bằng Biomass 47

3.5 Khảo nghiệm thiết bị 48

3.5.1 Nội dung và phương pháp khảo nghiệm 48

3.5.2 Chọn thiết bị đo và phương pháp đo 48

3.5.3 Nội dung và kết quả khảo nghiệm 49

3.5.3.1 Khảo nghiệm riêng biệt lò đốt sử dụng Biomass 49

3.5.3.2 Khảo nghiệm thiết bị ép thanh nhiên liệu 54

Kết luận và kiến nghị 62

Tài liệu tham khảo 63

Nguồn năng lượng thiếu hụt trầm trọng trên thế giới cũng như Việt Nam, tình trạng thiếu hụt này đựơc thể hiện cùng với sự phát triển kinh tế, đặc biệt là các ngành công nghiệp

Do đó việc ứng dụng năng lượng từ các nguồn năng lượng tái tạo như: năng lượng gió, năng lượng thuỷ triều, năng lượng địa nhiệt, năng lượng mặt trời và đặc biệt là năng lượng sinh khối (Biomass) ngày càng được quan tâm nhiều hơn

Riêng đối với năng lượng sinh khối (Biomass) có ưu điểm hơn cả đối với các nước đang phát triển và có nền sản xuất nông nghiệp là chính như Việt Nam,

vì nguồn tiềm năng sinh khối từ các phụ phế phẩm nông lâm nghiệp là rất lớn, bởi Việt Nam là nước chiếm tới khoảng gần 75% dân số làm nông nghiệp, có 3/4 diện tích là đồi núi và có trên 38% diện tích rừng che phủ Hàng năm các phụ phế phẩm từ nông lâm nghiệp (rơm dạ, vỏ trấu, lõi ngô, gỗ vụn, dăm bào,mùn cưa,…) Tuy nhiên việc sử dụng các phế thải này vẫn theo cách truyền thống như đun nấu trong sinh hoạt gia đình, làm phân bón và phần nhiều là “vứt bỏ” ngoài môi trường, do vậy chưa mang lại hiệu quả kinh tế

Để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng từ sinh khối điều cần thiết là phải ứng dụng các công nghệ để chuyển đổi nguồn năng lượng đó sao cho làm tăng mật độ năng lượng (kJ/m3) lên Một trong những công nghệ đó đó là công nghệ ép/tạo thanh nhiên liệu

Một vài năm trở lại đây đã xuất hiện một vài đơn vị sản xuất thanh, củi nhiên liệu để phục vụ trong nước và xuất khẩu Trong các thiết bị sản xuất củi

nhiên liệu ở trong nước hiện nay thì công đoạn ra nhiệt cho khuôn ép hoàn toàn dùng áo nhiệt bằng điện trở, công suất điện năng thường chiếm khoảng 25% lượng điện tiêu thụ trong hệ thống ép Tuy nhiên thiết bị gia nhiệt bằng điện trở thường có tuổi thọ không cao, mặt khác trong thời gian gần đây do giá điện ngày càng tăng cao nên việc cần thiết phải giảm chi phí điện năng trong hệ thống ép

là rất cần thiết Để giảm chi phí điện năng và đảm bảo tính ổn định trong hệ thống ép thì việc thay thế năng lượng điện bằng năng lượng sinh khối trong thiết

bị là rất khả thi

Từ đó Bộ Công Thương và Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông

nghiệp ký hợp đồng nhằm thực hiện đề tài “Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp.”

Nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn của việc sử dụng năng lượng tái tạo trên thế giới và dần đưa các sản phẩm sinh khối vào sử dụng trong các hộ gia đình, sản xuất công nghiệp ở Việt Nam thì việc nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp là yêu cầu không chỉ mang tính thời sự cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, góp phần vào chủ trương công nghiệp hoá, hiện đại hoá nông nghiệp, tăng cường khả năng sản xuất của công nghiệp sản xuất nhiên liệu sinh khối trong nước

khối để thay thế điện năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp,

• Quy trình công nghệ sản xuất thanh/củi nhiên liệu

1.1 Tầm quan trọng của việc Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp

1.1.1 Tình hình sản xuất và sử dụng năng lượng sinh khối trên thế giới

Sản xuất tiêu thụ ở Châu Âu [2]

Người ta ước tính trong năm 2008 có khoảng 8 triệu tấn thanh/củi gỗ được sản xuất tại Châu Âu của 630 nhà máy Ngoài ra, Châu Âu nhập khẩu khoảng 1 triệu tấn thanh/củi trong tổng mức tiêu thụ khoảng 9 triệu tấn

Việc sử dụng thanh/củi gỗ ở Châu Âu khác nhau tùy thuộc vào mỗi Quốc gia Ở Đức, Áo và Ý, các thanh gỗ được sử dụng chủ yếu để sưởi ấm trong các khu dân

cư Ở Vương quốc Anh, Hà Lan và Bỉ nó được sử dụng vào ngành công nghiệp phát điện Còn ở Thụy Điển và Đan mạch thì được sử dụng rất rộng rãi [2]

Một số thị trường như Đức, Úc, Nga bản thân tự sản xuất đủ cho nhu cầu trong nước, và còn xuất khẩu cho các nước khác Còn ở các nước khác như Đan Mạch, Bỉ, Hà lan thì sự cung ứng của các nhà máy trong nước không đủ cho nhu cầu của thị trường Trong hình 1.1 Thể hiện sự cân đối sản xuất, xuất khẩu, nhập

khẩu và nhu cầu sử dụng thanh gỗ cho thị trường các nước ở Châu Âu năm 2008 [1]

Hình 1.1 Cân đối sản xuất, xuất khẩu, nhập khẩu và nhu cầu sử dụng thanh gỗ

cho thị trường các nước ở Châu Âu năm 2008 [1]

Qua hình 1.1 trên cũng cho thấy Đức và Thụy Điển là hai Quốc gia sản xuất thanh nhiên liệu lớn nhất Châu Âu, các Quốc gia Đông Âu là các nước xuất khẩu chính do nhu cầu tiêu thụ trong nước ít Hầu hết các thanh nhiên liệu được sản xuất ở Châu Âu đều được tiêu thụ trong nội bộ [2]

Tuy sản xuất thanh nhiên liệu ở Châu Âu có một sản lương rất lớn, nhưng nhu cầu sử dụng nó ở khu vực này cũng rất cao Khoảng cách giữa cung và cầu ngày một lớn lên Hình 1.2 thể hiện lượng tiêu thụ, sản xuất và xuất khẩu thanh nhiên liệu ở Châu Âu từ năm 2000 đến năm 2010 [2]

Hình 1.2 Lượng tiêu thụ thanh/củi gỗ ở Châu Âu [2]

Qua hình 1.2 cho thấy nhu cầu sử dụng thanh/viên gỗ ở Châu Âu đã tăng một cách đáng kể Năm 2000 sử dụng khoảng 700 nghìn tấn, tăng hơn 5 lần vào năm 2005 (khoảng 3,7 triệu tấn) và hơn 18 lần vào năm 2010 (khoảng 18,3 triệu tấn) Nhu cầu sử dụng ngày một lớn, nên ngành sản xuất thanh gỗ cũng phát triển rất nhanh, từ 65 nghìn tấn (vào năm 2000) lên 3,1 triệu tấn (năm 2005), và gần 9 triệu tấn (vào năm 2010) Tuy vậy các nhà sản xuất ở Châu Âu vẫn chưa khi nào cung cấp đủ cho chính thị trường của khu vực mình Sự chênh lệnh giữa cầu – cung (cầu>cung) ngày một lớn Năm 2000 chênh lệch đó chỉ khoảng 100 nghìn tấn thì đến năm 2005 là gần 600 tấn và tăng một cách nhanh chóng trong

những năm tiếp theo, tới năm 2010 độ chênh lệch giữa cầu và cung là gần 5 triệu tấn [2]

Qua phân tích hai trị trường Châu Âu và Bắc Mỹ ở trên cho thấy, sản xuất thanh nhiên liệu trên đã trở thành một lĩnh vực quan trọng góp phần đáng kể trong việc đảm bảo an ninh năng lượng trên thế giới [2]

1.1.2 Tình hình sản xuất và sử dụng năng lượng sinh khối ở Việt Nam

Việt Nam có tiềm năng lớn để sản xuất thanh/củi nhiên liệu, với trên 75% dân số làm Nông nghiệp, diện tích trồng rừng lớn cộng thêm ngành chế biến gỗ tương đối phát triển Tiềm năng năng lượng sinh khối của Việt Nam được thể hiện trên bảng 1.1

Trong khi đó việc sử dụng những phụ phế phẩm trong sản xuất nông - lâm

nghiệp hiện nay tại Việt Nam chưa mang lại hiệu quả kinh tế Do vậy việc sử

dụng nguồn này để sản xuất thanh/củi nhiên liệu sẽ mang lại cơ hội mới cho

Nông nghiệp, cải thiện an ninh năng lượng và mang lại nhiều lợi ích cho môi

trường xã hội Ngoài ra còn là một trong những nền tảng phát triển kinh tế đất

nước nói chung và củng cố an ninh năng lượng năng lượng nói riêng

Hiện tại trong nước đã xuất hiện một số cơ sở sản xuất củi nhiên liệu tuy nhiên bộ phận gia nhiệt cho khuôn ép hoàn toàn dùng điện trở, do vậy chi phí cho sản xuất cao, mặt khác do chế tạo thiết bị một cách đơn lẻ mà chưa đi sâu vào tìm hiểu công nghệ, do vậy trong quá trình sản xuất sản phẩm tạo ra có chất lượng chưa tốt (không đồng đều), làm việc không ổn định và tuổi thọ của thiết bị thấp

1.1.3 Đánh giá sơ bộ hiệu quả kinh tế giữa thiết bị trong nước và thiết bị trên thế giới

Cùng một thiết bị tạo thanh củi nhiên liệu, với nguyên lý làm việc giống nhau Tuy nhiên ngoài công nghệ chế tạo thì lựa chọn nguồn năng lượng cung cấp để phục vụ sản xuất cũng đóng vai trò không nhỏ trong việc nâng cao hiệu quả và giảm chi phí riêng cho sản phẩm Hiện tại, trong nước việc tạo thanh củi nhiên liệu thì khâu gia nhiệt ở khuôn ép hoàn toàn dùng điện trở gia nhiệt, còn ở một số nước trên thế giới thì nguồn nhiệt cung cấp cho khuôn ép hoàn toàn sử dụng nguồn nhiệt từ Biomass (dùng chính một phần sản phẩm tạo ra để quay lại phục vụ sản xuất) Xét về mặt lý thuyết thì đương nhiên việc sử dụng nguồn cung cấp nhiệt từ Biomass sẽ giảm được chi phí năng lượng cho toàn hệ thống, giảm giá thành của sản phẩm, bởi vì: Việc chuyển đổi năng lượng từ năng lượng điện sang năng lượng nhiệt thì hiệu suất chuyển đổi sẽ nhỏ hơn khi chuyển đổi

từ sinh khối sang năng lượng nhiệt Ngoài ra, khi sử dụng năng lượng sinh khối thì giá thành sẽ nhỏ hơn nhiều, đồng thời sẽ chủ động hơn trong sản xuất nhất là khi thiết bị làm việc cơ động (ở một số vùng không có nguồn điện)

Ví dụ: Với một thiết bị ép củi nhiên liệu có năng suất từ 180 – 200 kg sp thì tổng công suất điện cần sử dụng khoảng 30 kW, khi đó bộ phận gia nhiệt chiếm khoảng 7,5 kW (chiếm 25% tổng công suất điện), Nếu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế năng lượng điện ở bộ phận gia nhiệt ở khuôn ép thì cần khoảng 2,5kg củi (đối với thanh củi trấu)

TT Nguồn gia nhiệt lượng Khối Đơn vị Đơn giá

(đồng)

Chi phí cho 1h làm việc (200kg sp) (đồng)

Chi phí cho 1000

kg sp (đồng)

chênh lệch cho 1000kg

sp (đồng)

Vì vậy việc “Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp” là rất

có ý nghĩa thực tiễn

1.2 Quy trình công nghệ sản xuất thanh/củi nhiên liệu

Hình 1.3 mô tả sơ đồ khối về quy trình sản xuất củi nhiên liệu từ phụ phẩm nông nghiệp

Kích thước lớn

Làm nhỏ

Sấy

mát

Đóng bao

Phân loại Phụ

phẩm NN

Hình 1.3 Sơ đồ khối quy trình sản xuất thanh nhiên liệu từ phụ phẩm nông nghiệp

Từ sơ đồ cho thấy các công đoạn trong dây chuyền công nghệ sản xuất thanh nhiên liệu từ phụ phẩm nông nghiệp được phân ra như sau:

Công đoạn phân loại

Đây là công đoạn chuẩn bị phụ phẩm, dựa vào kích thước của nguyên liệu ta tiến hành như sau:

- Nếu là loại phế phẩm có kích thước nhỏ, đồng đều và ít tạp chất (như vỏ trấu, mùn cưa, vỏ cà phê, ) thì chỉ cần thiết bị phân loại đơn giản dể bỏ tạp chất

- Nếu là các phế phẩm có kích thước lớn, nhỏ chênh lệch nhau lớn (ví dụ như: phế phẩm chế biến gỗ) thì cần thiết phải phân loại để làm nhỏ các phế phẩm có kích thước lớn trước khi chuyển đi khâu tiếp theo

Công đoạn sấy

Nhiệm vụ của công đoạn này là làm khô vật liệu với độ ẩm nhỏ hơn 14% Thiết

bị cho công đoạn này là các máy sấy như: sấy trống quay, sấy khí động hay sấy băng tải

Công đoạn ép củi

Công đoạn ép củi là công đoạn chính trong quá trình tạo ra thanh 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 định được năng suất và sản phẩm chất lượng cao cũng như chi phí thấp Ngược lại, nếu các yếu tố trên không được đáp ứng thì chất lượng sản phẩm sẽ bị ảnh hưởng cũng như chi phí cao Ngoài ra trong công đoạn

ép củi, thì khâu gia nhiệt ở khuôn ép cũng đóng một vai trò không kém Nguyên

Kích thước nhỏ

trình làm nguội sản phẩm cũng được giảm ẩm Như vậy sẽ tốt hơn cho quá trình

sử dụng

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN THIẾT BỊ TẠO THANH NHIÊN LIỆU

Trong chương này nhóm tác giả trình bày một số nội dung tóm lược như sau:

• Tính năng kỹ thuật của lực ép,

• Các loại buồng ép và quá trình ép thanh,

• Tính năng của máy ép và một số loại máy ép đang dùng,

• Lựa chọn kiểu gia nhiệt khuôn ép

2.1 Tính năng kỹ thuật của lực ép

Trong lĩnh vực sản xuất thanh/củi nhiên liệu, việc áp dụng đúng kiểu loại thiết bị cho công đoạn tạo thanh là rất quan trọng Trên cơ sở kết cấu, nguyên lý và áp suất trong quá trình ép được thực hiện của từng loại máy,

ta cần thiết phải nhận quá trình ép tạo thanh trong từng loại trước lúc sử dụng nó

Sau đây tác giả tìm hiểu về các quy trình ép thanh/củi nhiên liệu dưới tác dụng của lực ép:

a) Lực ép quay vòng theo bước vít – thiết bị loại này vận chuyển, nén vật liệu bằng phương pháp quay Trong quá trình quay, vật liệu được điền đầy khe hở giữa các bước vít và được đẩy đi Quá trình vận chuyển vật liệu

áp suất và lực cản xuất hiện tác dụng lên bề mặt của buồng ép.Tổng lực ép điều hướng về phía cửa hở của buồng ép và tạo ra quá trình tạo thanh

b)Lực ép tịnh tiến thẳng theo đầu ép – Thiết bị tạo ra chuyển động trượt với một lực rất lớn lên vật liệu trong buồng ép Trong đó xuất hiện quá trình ép và tạo thanh/củi

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý và phương pháp ép thanh [5]

a) Kiểu vít; b) kiểu pít tông

1 – Thiết bị ép; 2 – Vật liệu ép; 3 - Vỏ buồng ép

2.2 Các loại buồng ép và quá trình ép thanh

a) Buồng kín – cửa ở trên, khi ép vật liệu xuống sẽ tạo ra ma sát giữa vật liệu và buồng Độ mịn của thanh có thể điều chỉnh hành trình đầu ép với thể tích vật liệu trong buồng, qua đó áp suất ép cũng thay đổi theo

b) Buồng hở - Quá trình ép được thực hiện nhờ ma sát giữa vật liệu và thành buồng ép Vì vậy độ chặt của quá trình ép phụ thuộc vào ma sát của phần buồng nơi thanh ép được tạo ra, nó phụ thuộc vào hình dáng, chiều dài

và độ nhẵn bề mặt của buồng ép

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý quá trình tạo thanh nhiên liệu [5]

a) Kiểu kín và b) Kiểu hở

2.3 Tính năng của máy ép và một số loại máy ép

Dựa trên tính năng kỹ thuật, ta phân ra các kiểu ép như sau:

a) Ép liên tục – vật liệu đưa vào và sản phẩm ra liên tục Loại này được thể hiện nhờ máy ép kiểu vít Thiết bị này hoạt động theo kiểu chuyển động tròn, vật liệu được dịch chuyển nhờ cánh vít và dọc theo buồng

ép kiểu hở

b) Ép xung – vật liệu được ép từg phần nhỏ nhờ đầu ép của thiết bị ép Quá trình ép vật liệu xảy ra theo chu trình, vì vậy trong thanh nhiên liệu vật liệu được xếp theo từng lớp Phương pháp nà được sử dụng trong máy

ép liểu pít tông và máy ép khuôn

c) Ép một pha – vật liệu được ép chỉ trong một lần Loại này áp dụng trong máy ép kiểu thủy lực

d) Ép hai pha – vật liệu được ép hai lần Loại này áp dụng trong máy ép kiểu thủy lực

Hình 2.3 Sơ đồ quá trình ép vật liệu theo tính năng của máy[5]

a) kiểu ép vít; b),c),d) kiểu pít tông

1 Thiết bị ép 3 Vỏ buồng ép 5 Đầu ép trên

2 Vật liệu ép 4 Sản phẩm sau ép 6 Đầu ép dưới

g Chiều dài thanh nhiên liệu( sau 01 chu kỳ ép )

l Chiều rộng thanh nhiên liệu; S, S1, S2 – Hành trình ép

Thiết bị dùng để tạo thanh nhiên liệu là thiết bị làm thay đổi thể tích vật liệu môt cách rất nhanh Dưới tác dụng của ngoại lực, áp suất và nhiệt độ tăng lên làm giải phóng chất lignin trong vật liệu, liên kết các thành phần tế bào tạo thành thanh theo khuôn mẫu

Chúng ta có thể phân loại các kiểu máy tạo thanh như sau:

• Máy tạo thanh nhiên liệu kỉểu thủy lực

• Máy tạo thanh nhiên liệu kỉểu pít tông

• Máy tạo thanh nhiêu liệu kiểu trục vít

• Máy tạo thanh nhiêu liệu kiểu trục

2.3.1 Máy ép thanh nhiên liệu kiểu thủy lực

Thiết bị tạo thanh nhiên liệu kiểu thủy lực được chia làm 02 nhóm:

- Loại buồng ép hở

- Loại buồng ép kín

Loại này phụ thuộc vào kích thước buồng và đầu ép Thiết bị tạo thanh nhiên liệu thủy lực cho ta dải năng suất làm việc có thể đạt được là rất lớn từ hàng chục đến hàng trăm kg/h

Năng suất thiết bị còn phụ thuộc mật thiết vào đặc tính của vật liệu cần ép như: độ ẩm, độ mịn và tỷ trọng

• Máy ép thanh nhiên liệu kiểu thủy lực buồng hở hình 2.4

Hình 2.4 Kết cấu máy tạo thanh nhiên liệu kiểu thủy lực buồng hở [5]

1 Buồng nạp liệu 6 Đầu ép thứ cấp

2 Đầu ép sơ cấp 7 Buồng ép

3 Van điều chỉnh áp lực 8 Cơ cấu thủy lực

4 Tủ điện điều khiển 9 Đầu kẹp thanh nhiên liệu

5 Bơm thủy lực

Loại máy tạo thanh nhiên liệu kiểu thuỷ lực b kính buồng hở (hình2.4), đường kính buồng ép khoảng 50 ÷ 100mm, chiều dài thanh nhiên liệu dài không quá 02 lần đường kính

Tuy nhiên loại máy này có hạn chế về thủy lực học nên năng suất máy ép không được lớn, không vượt quá 300kg/h

Hình 2.5 và hình 2.6 dưới đây giới thiệu về nguyên lý và quy trình làm việc

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý kết cấu máy tạo thanh nhiên liệu thủy lực buồng hở[5]

1 Thiết bị cấp liệu( vít tải) 6 Buồng cấp liệu

2 Đầu ép sơ cấp 7 Buồng ép

3,4,8 Sylanh thủy lực 9 Đầu kẹp thanh nhiên liệu

5 Đầu ép thứ cấp

Hình 2.6 Quy trình làm việc của máy tạo thanh nhiên liệu thủy lực buồng hở[5]

I Thiết bị nạp liệu, nạp liệu đầy vào buồng cấp liệu và bắt đầu quá trình ép vật liệu

II Sy lanh thủy lực đứng dịch chuyển đầu ép sơ cấp đi xuống và bịt kín mặt trên của buổng ép

III Sylanh thủy lực ngang dịch chuyển đầu ép thứ cấp đi vào buồng ép

IV Lực ép khoảng 100Mpa làm cho vật liệu thay đổi thể tích và biến dạng, đồng thời vật liệu bị ép đi qua đầu kẹp được định hình và tạo thành thanh nhiên liệu

Loại máy này có ưu điểm là: kết cấu không quá phức tạp, tuy nhiên có hạn chế là năng suất không cao mà giá thành thiết bị tương đối lớn từ đó dẫn tới thành sản phẩm không có tính cạnh trang

* Máy tạo thanh nhiên liệu thủy lực kiểu buồng kín

Đặc tính kỹ thuật: Loại thiết bị tạo thanh nhiên liệu bằng thủy lực buồng kín có cơ cấu lớn hơn loại buồng hở

Thể tích buồng ép khoảng 500 ÷ 4.000dm3 Năng suất có thể đạt tới 200 ÷

400 kg/h Loại này thường dùng cho ép phế liệu gỗ và giấy

3,4,8,9 Sylanh thủy lực 8 Cơ cấu đóng mở cửa ra liệu

I Thiết bị cấp liệu vào đầy buồng cấp liệu

II Sylanh thủy lực đứng đẩy đầu ép sơ cấp xuống vật liệu và bịt kín phần trên buồng ép

III Sylanh ngang đẩy đầu ép thứ cấp chuyển động và ép vật liệu vào phần trên khuôn ép, đồng thời cơ cấu gạt sản phẩm lần trước ra khỏi phần dưới khuôn ép

IV Sau khi ép xong, đầu ép thứ cấp được sylanh thủy lực ngang kéo trở lại

vị trí ban đầu, đồng thời khuôn ép cũng được trở lại vị trí ban đầu Chuẩn bị cho hành trình ép tiếp theo

Đây là loại thiết bị làm việc theo chu kỳ và 02 công đoạn, công đoạn ép sơ

bộ từ trên xuống và công đoạn ép ngang Sản phẩm của thiết bị là thanh ép có kích thước lớn, nhất là loại buồng kín Loại máy này có ưu và nhược điểm:

- Do áp lực của thiết bị thủy lực có hạn, nên thanh nén có độ tỷ trọng thấp nên thường dùng ép kiện phục vụ cho vận chuyển và bảo quản

- Tiêu thụ năng lượng ít hơn so với các loại máy ép hiện đại

- Hao mòn thiết bị nhỏ nhưng chi phí đầu tư cao

2.3.2 Máy tạo thanh nhiên liệu kiểu pít tông (lệch tâm) cơ cấu biên tay quay

Máy tạo thanh nhiên liệu kiểu pít tông( cơ cấu biên tay quay) làm việc theo nguyên lý cấp liệu và tạo ra sản phẩm liên tục Chiều dài sản phẩm có thể điều chỉnh Máy tạo thanh nhiên liệu kiểu pít tông làm việc theo nguyên lý ép tạo xung lên vật liệu Tần số vòng quay của bánh đà khoảng 150 ÷ 200lần/phút Vì vậy nó tạo ra một lực xung động lên toàn bộ thiết bị Vì vậy gá lắp, bắt chặt thiết

bị là rất cần thiết

Năng suất của loại thiết bị này có thể đạt tới vài trăm đến vài ngàn kg/h

Thiết bị loại này tạo ra thanh nhiên liệu hình trụ có đường kính từ 40 đến

120 mm,chiều dài đến 300 mm Năng suất thiết bị từ 150 đến 2.500 kg/h, áp suất

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý máy tạo thanh nhiên liệu kiểu pít tông[5]

1 Cơ cấu trục khủyu hoặc lệch tâm 4 Thiết bị cấp liệu

2 Rãnh định hướng 5 Buồng cấp liệu

Hình 2.10 Sơ đồ cấu tạo máy tạo thanh nhiên liệu kiểu pít tông[5]

1 Tủ điểu khiển 6 Đầu ra nhiên liệu

2 Động cơ điện 7 Buồng ép

3 Dây đai truyền động 8 Cơ cấu ép

4 Bánh đai( bánh đà) 9 Bệ máy

5 Phễu cấp liệu

Hình 2.11 Quy trình hoạt động của máy tạo thanh nhiên liệu kiểu pít tông [5]

Quy trình hoạt động của máy ép tạo thanh nhiên liệu kiểu pít tông được thể hiện như sau:

I Vít cấp liệu vào buồng ép

II Cơ cấu truyền động đẩy đầu ép vào buông cấp liệu

III Vật liệu được dồn ép chặt vào buồng ép( khuôn ép)

VI Cơ cấu truyền động kéo đầu ép về vị trí ban đầu để tiếp tục hành trình tiếp theo

Mỗi lần ép như vậy, lực ép lên tới 200MPa Với tác dụng của áp suất ép và lực ma sát lớn nhiệt độ lên tới 1500C

Sau mỗi lần ép vật liệu dịch chuyển vào khuôn ép, ở đây vật liệu được kết dính, ổn định về cơ lý tính, áp suất, nhiệt độ và hình dạng Sau đó sản phẩm được đẩy ra giàn đỡ có cơ cấu kẹp với chiều dài đến hàng chục mét nhằm mục đích giữ nguyên hình dạng thanh nhiên liệu sau khi được ép Trong quá trình dịch chuyển trên giàn đỡ sản phẩm – thanh nhiên liệu được thoát ẩm ra môi

lên tới 100Mpa và nhiệt độ gia nhiệt ở khuôn ép có thể đến 5000C [6]

Trong loại máy ép này, thanh nhiên liệu được tạo ra có nhiều hình dạng khác nhau Nhiều nhất là dạng hình tròn và hình lục lăng có lỗ đồng tâm phía trong Đường kính khoảng 60 đến 90mm với chiều dài cắt theo ý muốn Củi nhiên liệu này thường dùng cho các loại lò công nghiệp Sơ đồ nguyên lý và quá trình làm việc của loại máy này được thể hiện dưới hình 2.12 và 2.13

Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý máy tạo thanh nhiên liệu Kiểu trục vít[5]

1 Hộp gỉam tốc 4 Buồng ép

2 Buồng cấp liệu 5 Vít ép

3 Vít cấp liệu 6 Vòng điện trở gia nhiệt

Hình 2.13 Quá trình hoạt động của máy tạo thanh nhiên liệu kiểu trục vít[5] 4a Khu cấp liệu và chuyển tiếp 4c Khu ép

4b Khu dòn nén 4d Thanh nhiên liệu

Trục vít làm việc theo nguyên lý chuyển động quay, vật liệu được cánh vít đẩy dọc theo vỏ vít vào buồng ép Do tác dụng của lực ma sát giữa ruột vít – Nguyên liệu – thành xi lanh nên áp suất và nhiệt độ tăng lên( thông thường được cấp thêm nhiệt từ cuộn điện trở) quá trình tạo thanh được thực hiện

Tính năng kỹ thuật của máy tạo thanh nhiên liệu trục vít, bên cạnh áp suất lớn còn phát sinh ra lực ma sát rất lớn bên trong vật liệu cũng như bề mặt của thiết bị Ma sát tạo ra lượng nhiệt cao, nhiệt độ cao làm giải phóng lượng chất kết dính tự nhiên Ligin trong vật liệu( chiếm khoảng 15% khối lượng vật liệu) liên kết các thành phần tế bào để tạo ra thanh nhiên liệu [5] Tuy nhiên phía ngoài khuôn ép thường có hệ thống gia nhiệt để hỗ trợ làm tăng sự kết dính của sản phẩm đồng thời nâng cao tuổi thọ của ruột vít

Loại thiết bị này chế tạo rất đơn giản, giá thành thấp, và đang được sử dụng nhiều nhất ở Việt Nam, có thể sử dụng cho nhiều loại vật liệu với sản phẩm là thanh nhiên liệu dạng thanh briquett

nghiên cứu (phần lớn máy ép thanh củi hiện tại ở trong nước đang dùng là kiểu trục vít) Để từ đó, tiến hành tính toán, thiết kế và chế tạo ra loại máy phù hợp với điều kiện và hoàn cảnh của Việt Nam

2.4 Lựa chọn thiết bị gia nhiệt ở khuôn ép

Trong thiết bị ép thanh nhiên liệu hiện tại ở Việt Nam thì bộ phận gia nhiệt khuôn ép hoàn toàn dùng điện trở, thông thường điện năng tiêu thụ của điện trở chiếm khoảng 25% tổng điện năng tiêu thụ của thiết bị (đối với nhiệt độ gia nhiệt ở khuôn ép là 200 - 2200C), do nhiệt độ gia nhiệt tại khuôn ép thấp dẫn tới tuổi thọ của thiết bị thấp và năng suất chưa cao Còn nếu muốn đẩy nhiệt độ gia nhiệt tại khuôn ép cao lên thì chi phí cho điện trở tốn kém, đồng thời chi phí điện năng cao ⇒ giá thành sản phẩm cao

Từ các phân tích nên trên, nhóm đề tài lựa chọn phương pháp gia nhiệt khuôn ép bằng lò đốt viên/củi nhiên liệu, dùng chính sản phẩm của thiết bị tạo ra làm nhiên liệu đốt Khi sử dụng phương pháp gia nhiệt bằng lò đốt thì sẽ giải quyết được các khó khăn của phương pháp gia nhiệt bằng điện trở như đã nêu ở trên Mặt khác ở Việt Nam, muốn tận dụng tốt nguồn phụ phẩm dư thừa thì máy móc cần phải cơ động, tuy nhiên một số nơi điện lưới chưa về hoặc không thuận lợi thì việc sử dụng phương pháp gia nhiệt bằng lò đốt là hoàn toàn hợp lý

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ KHẢO

NGHIỆM THIẾT BỊ ÉP THANH NHIÊN LIỆU

Trong chương này nhóm tác giả trình bày một số nội dung tóm lược như sau:

• Cơ sở lý hóa của quá trình ép vật liệu,

• Nghiên cứu lý thuyết ép vít,

• Tính toán thiết bị ép củi kiểu trục vít,

• Quy trình chế tạo thiết bị,

• Khảo nghiệm thiết bị

3.1 Cơ sở lý hóa của quá trình ép vật liệu [7]

Tính đóng bánh của quá trình nén ép được đặc trưng bởi chỉ số λ là tỷ số giữa thể tích V của nguyên liệu trước khi ép với thể tích Vk của sản phẩm thu được khi ép nguyên liệu trong buồng với diện tích tiết diện ngang không đổi Ta

Qua khảo sát quá trình dịch chuyển của nguyên liệu ép, ta có thể chia máy

ép vít thành các vùng như sau: (hình 3.1)

Hình 3.1 Các vùng làm việc của máy ép vít

Vùng 1: Nguyên liệu ép được đưa vào vít ép dưới dạng tơi rời Quá trình dịch chuyển trong vùng này diễn ra giống như trong vít vận chuyển, nguyên liệu

ép được tự do chuyển động, các lớp hạt tiến lại gần nhau nhưng chưa tạo ra áp suất Cuối vùng tiếp nhận mới bắt đầu quá trình ép chặt nguyên liệu ép và tăng

áp suất trong buồng vít

Vùng 2: Khác với vùng thứ nhất ở đây hạt nguyên liệu được nhào trộn Nguyên liệu ép được ép dần vào nhau, độ liên kết giữa các lớp hạt tăng lên, buồng vít được điền đầy, khoảng cách giữa các phần tử ép giảm đi, không khí được nén lại, bề mặt tiếp xúc giữa các phần tử nguyên liệu ép tăng lên Cùng với

sự ép chặt vì quá trình nhào trộn các lớp hạt liên kết với nhau tăng lên từ ρ1ở cửa vào đến ρ2khi bị ép chặt (ρ2tỷ lệ bậc hai với áp suất nén ρc)

Trong quá trình làm việc, dưới tác dụng của cánh vít nguyên liệu ép nhận hai chuyển động đồng thời: Tịnh tiến dọc trục và xoay tròn

Trong vùng 2, nguyên liệu ép bị ép chặt làm cho áp suất tăng lên trong buồng vít Hệ số ma sát giữa nguyên liệu ép và cánh vít cũng như giữa nguyên liệu ép và xilanh có ý nghĩa rất lớn đến quá trình dịch chuyển của nguyên liệu

ép Để tạo điều kiện cho nguyên liệu ép dịch chuyển dọc trục được tốt thì hệ số

ma sát giữa nguyên liệu ép và xilanh theo hướng vòng tròn phải lớn, nếu điều kiện này không được đảm bảo, dẫn đến nguyên liệu ép quay cùng với trục vít mà không có chuyển động dọc trục Chính vì vậy bề mặt trong xilanh không nên gia công với độ bóng quá cao

Vùng 3: Nguyên liệu ép được ép từ vùng 2 dịch chuyển vào vùng 3 ở trạng thái nén chặt và chảy một phần các phần tử, dưới tác dụng của áp suất cản trong

lỗ khuôn, lực ma sát và quá trình nhào trộn, nhiệt độ trong buồng ép tiếp tục tăng thúc đẩy sự liên kết, thể tích riêng của nguyên liệu ép tăng lên cùng với sự tăng của áp suất ép

Vùng 4: Do lực ma sát bên trong bề mặt bầu ép, nguyên liệu dịch chuyển từ vùng 3 vào vùng 4 dưới dạng chảy rối Dưới tác động của nhiệt độ sinh ra ở vùng 3 tại vùng 4 tiếp tục sinh ra quá trình kết dính làm tăng sự đồng nhất của sản phẩm trước khi tạo hình Áp suất nguyên liệu ép trong vùng 4 là áp suất của khuôn ép, vận tốc dịch chuyển và tính chất cơ lý của nguyên liệu ép trước khi