Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế hệ thống sấy ngô hạt năng suất 3 0 tấn mẻ sử dụng năng lượng khí hóa gas từ lò đốt nhiên liệu than đá chất lượng thấp

Dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Trần Như Khuyên Trưởng Bộ môn Thiết bị Bảo quản và Chế biến Nông sản Khoa Cơ ðiện Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội, chúng tôi thực hiện ñề tài: “Nghiên cứ

TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ðỀ TÀI

ðẶC ðIỂM CẤU TẠO, THÀNH PHẦN HOÁ HỌC VÀ CÔNG DỤNG CỦA HẠT NGÔ

Hạt ngụ ủược có cấu tạo gồm năm thành phần chính là mày hạt, vỏ hạt, lớp aloron, nội nhũ và phụi hạt Sơ đồ cấu tạo của hạt ngụ ủược thể hiện trên hình 1.1 cho thấy từng thành phần đóng vai trò riêng trong bảo vệ và cung cấp dưỡng chất cho quá trình nảy mầm Mày hạt và vỏ hạt làm lớp bảo vệ bên ngoài, lớp aloron và nội nhũ tích lũy chất dinh dưỡng dự trữ cho hạt khi nảy mầm, còn phụi hạt tham gia bảo vệ và hỗ trợ quá trình thoát nước để nảy mầm diễn ra thuận lợi Việc hiểu rõ cấu tạo hạt ngụ ủược và chức năng của mỗi lớp sẽ hữu ích cho nghiên cứu sinh học và ứng dụng nông nghiệp.

Mày hạt: là phần lồi ra ngoài ở cuối hạt, mày hạt là bộ phận dính hạt vào lõi ngô

Hình 1.1 Cấu tạo của hạt ngô

1- vỏ hạt; 2- lớp aloron; 3- nội nhũ (miền nhiều sừng);

4- nội nhũ (miền tinh bột); 5,6 – phôi, mầm; 7- mày hạt

Vỏ hạt: là lớp màng mỏng bao bọc quanh hạt ủể bảo vệ hạt, nú ủược cấu tạo từ 3 lớp tế bào khác nhau và chứa các chất màu như vàng, tím, tím hồng Lớp aloron: nằm dưới lớp vỏ hạt, cấu tạo từ các tế bào hình tứ giác có thành dày thông thường lớp aloron không có màu nhưng cũng có thể có màu xanh do bị nhiễm sắc thể từ vỏ ngoài Khối lượng vỏ và lớp aloron chiếm 5 - 11% khối lượng toàn hạt

Nội nhũ: chiếm 75 – 83% khối lượng hạt và chứa ủầy tinh bột, ủược phõn biệt thành hai miền khác nhau về hình dáng, cấu trúc tế bào và thành phần hoá

Trong luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật tại Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội, nội dung nghiên cứu tập trung vào cấu trúc tinh bột với hai miền phân tầng rõ rệt: miền ngoài màu vàng nhạt, đặc và cứng như sừng (gọi là miền sừng); và miền trong màu trắng, xốp, giàu gluxit và ít protein (gọi là miền bột).

Phôi hạt ngô nằm ở phần mầm của hạt, dưới lớp aleuron, chứa tất cả các tế bào tham gia vào quá trình sống và phát triển của hạt Phôi hạt được cấu tạo từ các tế bào mềm, chứa các chất dinh dưỡng giàu protein, lipit, vitamin và phần lớn các enzym Phôi hạt có kích thước và khối lượng lớn hơn so với phôi của các loại hạt cốc khác, thường chiếm 10–14% khối lượng hạt b Thành phần hoá học của hạt ngô.

Thành phần hoá học của hạt ngô phụ thuộc vào cấu trúc lý học của hạt, yếu tố di truyền và môi trường, quá trình chế biến và những mối liên kết khác trong chuỗi thực phẩm Thành phần hoá học của những bộ phận chính của hạt ngụ ủược ghi trong bảng 1.1

Trong bảng 1.1, các bộ phận chính của hạt ngô có thành phần hoá học khác nhau Vỏ hạt chứa lượng chất xơ thô cao, khoảng 87%, được cấu thành chủ yếu từ hemicellulose (67%), cellulose (23%) và lignin (0,1%).

Nội nhũ chứa hàm lượng tinh bột cao 87,6%, hàm lượng protein khoảng 8,6% và hàm lượng chất béo tương đối thấp, chỉ 0,8% Phụ phẩm có lượng dầu thụ cao, trung bình khoảng 33% Phôi có chứa nhiều hàm lượng protein và chất được nêu trong tham khảo [5].

Bảng 1.1 Thành phần hoá học của những bộ phận chính của hạt ngô (%)

Thành phần hoá học Vỏ hạt Nội nhũ Phôi hạt

Sự phân bố thành phần hoá học và giá trị dinh dưỡng trong hạt ngô có liên

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 5 quan nhiều ủến việc bảo quản và chế biến ngụ c Công dụng của hạt ngô

Ngụ ủược sử dụng với ba mục ủớch chớnh: làm lương thực cho người, thức ăn gia súc và nguyên liệu cho nhiều sản phẩm công nghiệp

Ngũ cốc là thực phẩm thiết yếu cho con người và được xem là loại lương thực có giá trị dinh dưỡng cao, giàu đạm, tinh bột, lipid và nhiều vitamin Trong các loại lương thực chính như gạo, ngô, khoai, sắn, ngô nổi bật với hàm lượng protein, lipid và khoáng chất cao hơn hẳn so với các loại còn lại.

Phần lớn cỏc nước Trung Mỹ ủều dựng ngụ làm thức ăn chớnh trong bữa ăn hàng ngày ở nhiều nước chõu Âu và chõu Mỹ rất nhiều ủồ ăn làm bằng tinh bột ủược sản xuất từ hạt ngụ như bỏnh kẹo, ủồ hộp ,… ở nước ta, ngụ cũng là thực phẩm quen thuộc và ủược dựng thay một phần gạo ủối với vựng ủồng bằng và làm lương thực chớnh cho người dõn miền nỳi

Ngũ cốc là thức ăn chủ lực cho gia súc trong chu trình chăn nuôi Trong hạt ngũ cốc có hàm lượng tinh bột cao, cùng với chất đạm và chất béo, mang lại nguồn năng lượng thiết yếu cho động vật Vì vậy, ngũ cốc được xem là thức ăn lý tưởng cho nhiều loại gia súc và là nguồn dinh dưỡng chính để nuôi dưỡng đàn vật nuôi phát triển và tăng trưởng.

Tinh bột ngô đóng vai trò chủ đạo trong nhiều ngành công nghiệp như thực phẩm, dược phẩm, hóa học và luyện kim; nó được khai thác và sử dụng rộng rãi trong quá trình chế biến rượu, bia và đồ uống giải khát; từ tinh bột ngô còn có thể chế biến thành đường glucose và dextrin để phục vụ sản xuất bánh kẹo và keo dán; đường ngô được sản xuất trên quy mô lớn ngày càng cạnh tranh với đường mía và đường củ cải nhờ chi phí và nguồn nguyên liệu ổn định.

Trong những năm gần ủõy, xu hướng sử dụng ngụ làm lương thực giảm dần và việc sử dụng ngô làm thức ăn gia súc tăng nhanh Ở châu Á và cận đông, lượng ngô làm thức ăn gia súc tăng gấp ba lần sử dụng làm lương thực ở châu Phi giá trị ấy gấp hai lần Mỹ là nước sử dụng ngô làm thức ăn gia súc lớn nhất với tốc ủộ tăng hàng năm 1,7%

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 6

TẦM QUAN TRỌNG CỦA VIỆC SẤY NGÔ HẠT

Việt Nam nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa với độ ẩm cao, thuận lợi cho phát triển nông nghiệp Khoảng 80% dân số sống bằng nghề nông, vì vậy công tác bảo quản và chế biến nông sản có vai trò rất quan trọng để nâng cao giá trị và đảm bảo an toàn thực phẩm Trong chuỗi cung ứng nông sản, công đoạn sấy nông sản là yếu tố then chốt giúp kiểm soát độ ẩm, kéo dài thời gian bảo quản và nâng cao chất lượng sản phẩm.

Phơi và sấy là những phương pháp không thể thiếu trong bảo quản và chế biến nông sản Ở Việt Nam, phần lớn nông sản trồng tập trung vào mùa mưa, và khi thu hoạch vào mùa mưa độ ẩm của sản phẩm khá cao, ước từ 20–26%, có thể lên tới 30–40% nếu thu hoạch trong thời tiết mưa Nếu phơi sấy không kịp thời, độ ẩm cao khiến hạt chịu nhiệt từ quá trình hô hấp và không thoát được kịp sẽ sinh nhiệt và hư hại Nhiệt độ cao cũng kích thích các hoạt động sinh lý như tăng cường hô hấp và kích hoạt enzyme phân giải đường, tinh bột Vì vậy người ta thường dùng phơi hoặc sấy để xử lý nhanh các sự cố nhằm bảo đảm an toàn và kéo dài thời gian bảo quản cho sản phẩm.

Trong điều kiện hiện nay của nước ta, việc sấy khô hầu như dựa vào ánh nắng mặt trời và phơi tự nhiên Tuy nhiên quá trình khô phụ thuộc rất nhiều vào thời tiết, không thể phơi được vào những ngày mưa hoặc khi độ ẩm cao Những ngày nắng gắt cũng có thể khiến việc phơi hạt gặp khó khăn và không đạt được hiệu quả như mong muốn Thêm vào đó, nhiệt độ trong quá trình phơi không kiểm soát được, làm thời gian phơi kéo dài, hạt bị hao hụt chất lượng và dễ nhiễm tạp chất.

Do ủú hạt khi phơi chất lượng khụng ủược ủảm bảo

Chính vì vậy, các hạt cần được ủ và sấy khô trên các thiết bị chuyên dụng phù hợp với đặc điểm và yêu cầu của công nghệ xử lý, nhằm bảo quản lâu dài trước khi đưa vào khu vực chế biến ở các công đoạn tiếp theo trong quá trình chế biến.

Cỏc sản phẩm ngụ sau khi mới thu hoạch cần ủược mang vào sấy ngay ủể ủảm bảo số lượng và chất lượng Nếu hạt ngụ khụng ủược sấy ngay thỡ

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 7 hàm lượng ẩm cú trong ngụ hạt bị biến chất, sẽ ảnh hưởng ủến chất lượng của sản phẩm

Hiện nay, ở nước ta cỏc thiết bị sấy sản phẩm ngụ hạt chưa ủược sử dụng phổ biến trong sản xuất chế biến, người ta thường lợi dụng ánh nắng mặt trời ủể phơi sấy, mà việc phơi sấy tự nhiờn này lại phụ thuộc rất nhiều vào ủiều kiện thời tiết, tỷ lệ thất thoỏt ngụ và vệ sinh khụng ủược ủảm bảo, diện tớch sõn phơi lớn mà ủộ khụ ngụ lại khụng ủồng ủều Như vậy, cú thể thấy việc phơi sấy dựa vào ủiều kiện tự nhiờn khụng cũn phự hợp với sản xuất hiện nay nữa, nờn việc thiết kế chế tạo cỏc loại mỏy sấy phự hợp với ủiều kiện sản xuất nụng hộ trong thực tế cần ủược quan tõm ủỳng mức.

ðẶC ðIỂM VÀ YÊU CẦU CÔNG NGHỆ SẤY NGÔ HẠT

1.3.1 Một số ủặc ủiểm của ngụ hạt

- Quá trình hô hấp của hạt

Ngụ hạt là một cơ thể sống nờn nú cú sự hụ hấp và ngủ nghỉ Cường ủộ hụ hấp ủặc trưng cho sự hụ hấp của hạt nú phụ thuộc vào ủộ ẩm, nhiệt ủộ Khi ủộ ẩm càng cao, nhiệt ủộ mụi trường càng lớn thỡ hạt hụ hấp càng mạnh Cường ủộ thở của hạt tăng ủến ủỉnh cựng với sự tăng ẩm ở trong thời ủiểm tới hạn (ω $ ÷ 26%) Khi xuất hiện nước tự do, quá trình sinh hoá tăng mạnh trong hạt

Khi nhiệt độ tăng lên, quá trình hô hấp của hạt được kích thích và tăng cường phát sinh nhiệt, nước và CO2 Tuy nhiên, quá trình hô hấp có ngưỡng tối ưu ở khoảng 45–50°C; vượt quá ngưỡng này, hoạt động hô hấp và sự sống của hạt sẽ giảm sút Quá trình hô hấp tiêu tốn chất hữu trong hạt, dẫn tới thoát nước và CO2 ra ngoài; nhờ đó các phản ứng sinh học diễn ra và làm giảm khối lượng chất khô của hạt theo thời gian.

C6H12O6 + 6O2 ⇔ 6 CO2+ 6 H2O + 677, 2 cal Như vậy quá trình hô hấp oxy hoá các chất hữu cơ trong hạt và sinh nhiệt làm hạt bị tăng nóng lên, phơi hạt bị phát triển thành mầm hạt, kết quả

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 8 của quá trình hô hấp mạnh làm giảm chất lượng, khối lượng hạt, thậm chí làm hạt hỏng hoàn toàn

- Tác dụng của hạt ẩm với môi trường

Khi áp suất hơi nước trên bề mặt hạt Ph lớn hơn áp suất riêng phần của hơi nước trong môi trường xung quanh Pk, hạt nhả ẩm vào môi trường Ngược lại, khi Ph < Pk, hạt hút ẩm từ môi trường Sự trao đổi ẩm giữa hạt và môi trường phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm của cả hai bên—môi trường và hạt Do đó quá trình hút hay nhả ẩm của hạt được quyết định bởi sự chênh lệch áp suất hơi nước và điều kiện nhiệt độ, độ ẩm.

Quá trình hút ẩm tự nhiên giữa hạt ẩm và môi trường xung quanh xảy ra rất chậm (chừng vài thỏng) ủể tiến tới trạng thỏi cõn bằng ỏp suất Ph = Pk ðộ ẩm của hạt ở trạng thỏi này ủược gọi là ủộ ẩm cõn bằng ω cb và quỏ trỡnh hụ hấp của hạt coi như bằng 0 Áp suất phụ thuộc nhiệt ủộ, ủộ ẩm của khụng khớ trong mụi trường Do ủú trạng thỏi cõn bằng ỏp suất hơi ẩm giữa hạt ẩm và mụi trường luụn bị phỏ vỡ và ủộ ẩm cõn bằng ω cb luụn phụ thuộc nhiệt ủộ ủộ ẩm của mụi trường Với ngụ ủộ ẩm cõn bằng khi làm khụ ủể bảo quản ủược quy ủịnh là 10% Áp suất hơi Ph trờn bề mặt hạt phụ thuộc vào cường ủộ bay hơi ẩm trong hạt nờn nú phụ thuộc nhiệt ủộ và ủộ ẩm của hạt ðể tăng cường ủộ nhả ẩm của hạt vào mụi trường xung quanh (giảm thời gian làm khụ hạt) cần phải tăng ỏp suất Pht và giảm Pk ủồng thời làm tăng lượng nhiệt truyền sang hạt, làm nóng hạt và bay hơi ẩm trong hạt, tăng Pht

Trong môi trường có độ ẩm cao, độ ẩm bão hòa của ngô đạt khoảng 26% Ngô tươi thu hoạch sau mưa có độ ẩm cao hơn, nằm ở khoảng 26–30% Phần ẩm vượt quá mức bão hòa của ngô là nước tự do dính trên bề mặt và trong các khe giữa vỏ và hạt ngô.

Ngụ hạt trước khi thu hoạch ủó cú những vết rạn nứt tự nhiờn do tỏc ủộng nhiệt của mụi trường Trờn ủồng ruộng, sự làm khụ và thờm ướt xen kẽ do nắng ban ngày và sương ủờm ủó khớch thớch tạo nờn cỏc kẽ nứt trong hạt khi chín

Tỷ lệ rạn nứt ngầm tự nhiên của ngô hạt sản xuất có ở nước ta hiện nay thông thường 2 ÷ 3% Trong quá trình thu hoạch, tẽ thủ công và tẽ cơ khí nên tỷ lệ rạn nứt tăng khá lớn từ 3 ÷ 10% Trong quá trình phơi sấy do tiếp xúc giữa hạt và tỏc nhõn sấy nờn cú sự chờnh lệch ủộ ẩm giữa lớp bờn trong và lớp bên ngoài của hạt gây ra ứng suất thể tích giữa các vùng trong hạt làm hạt bị rạn nứt Nếu nhiệt ủộ của khớ sấy cao, tốc ủộ thoỏt ẩm ở vựng bề mặt sẽ lớn, trong khi tốc ủộ khuếch tỏn ẩm ở vựng tõm hạt ra bề mặt nhỏ, ủiều này dẫn ủến bề mặt hạt bị khụ nhanh hơn nhiều so với phần phớa trong hạt tạo nờn ứng suất căng bề mặt dẫn ủến rạn nứt ngầm ðể khắc phục hiện tượng trờn, trong quỏ trỡnh làm khụ cần thiết phải cú giai ủoạn ủ nhiệt hoặc làm khụ hạt với ủộ ẩm thấp bằng thông gió tích cực

1.3.2 Yêu cầu công nghệ của việc sấy ngô hạt

Sấy ngụ hạt khụng chỉ là cụng việc ủơn thuần làm khụ hạt mà là một quỏ trỡnh cụng nghệ liờn quan ủến chất lượng hạt sau khi sấy ðối với hạt giống, sấy khụng chỉ làm giảm ủộ ẩm tới mức theo yờu cầu ủể bảo quản lõu dài mà cũn cần phải ủảm bảo cỏc thành phần hoỏ học của nú như protein, chất bộo, vitamin enzim… và ủặc biệt là tỷ lệ nảy mầm và sức sống của hạt sau khi nảy mầm ðộ ẩm của hạt sau khi sấy phải nhỏ hơn hoặc bằng ủộ ẩm bảo quản cho phép của hạt ðộ ẩm bảo quản cho phép thuộc vào loại hạt, tiểu khí hậu bảo quản, mục ủớch sử dụng ðộ ẩm bảo quản và nhiệt ủộ ủốt núng cho phộp của ngụ và một số loại hạt nụng sản ủược ghi trong bảng 1.2

Bảng 1.2 ðộ ẩm bảo quản của ngô và một số loại hạt nông sản

Loại hạt ðộ ẩm bảo quản (%)

THIẾT BỊ SẤY NGÔ HẠT TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC

và là khâu then chốt trong chuỗi công nghệ chế biến sau thu hoạch, có tính chất quyết ủịnh tới chất lượng sản phẩm

Hiện nay trờn thế giới ủó nghiờn cứu và ỏp dụng nhiều phương phỏp sấy khỏc nhau với cỏc thiết bị sấy khỏ ủa dạng, trong ủú phương phỏp sấy ủối lưu bằng dòng khí nóng thổi cưỡng bức qua vật liệu sấy là phương pháp phổ biến nhất ðối với nguyên liệu dạng hạt nói chung và ngô hạt nói riêng người ta thường phương phỏp sấy ủối lưu với hai dạng thiết bị sấy chủ yếu là: thiết bị sấy tĩnh và thiết bị sấy ủộng [1], [ 4], [11], [ 12], [13], [14]

Sấy tĩnh cú ủặc ủiểm là hạt nằm yờn, quỏ trỡnh sấy cú thể ủược phõn chia làm hai loại là: sấy nhiệt ủộ thấp và sấy nhiệt ủộ cao Sấy nhiệt ủộ thấp là dựng tỏc nhõn sấy là khớ trời khụng gia nhiệt hoặc gia nhiệt ớt, tức ủộ gia nhiệt

∆T nhỏ hơn 6 o C Sấy nhiệt ủộ cao, tỏc nhõn sấy ủược gia nhiệt, nhiệt ủộ khụng khớ sấy từ 40 o C trở lờn Cả hai loại phương phỏp sấy này ủều cú dạng hạt nằm trong buồng sấy hoặc ở kho tồn trữ

Sấy tĩnh thực hiện theo nguyờn tắc hạt nằm bất ủộng trong buồng sấy, khớ sấy chuyển ủộng cưỡng bức qua khối hạt, cỏc loại mỏy sấy tĩnh sấy hạt theo từng mẻ, hạt lưu vào buồng sấy ủế khi ủạt ủộ khụ cần thiết thỡ ủược dỡ ra khỏi mỏy sấy Mỏy sấy tĩnh cú những ưu ủiểm: ủơn giản, dễ làm, chi phớ khi sấy và tổn thất năng lượng thấp do với những loại thiết bị sấy khác Nhưng nhược ủiểm: chất lượng hạt khụng ủồng ủều, hạt dễ bị chỏy, việc dỡ tải khú khăn, khú cơ khớ hoỏ Dưới ủõy là một số thiết bị sấy tĩnh thụng dụng: a Thiết bị sấy tĩnh vỉ ngang

Thiết bị sấy tĩnh vỉ ngang gồm 3 bộ phận chớnh: quạt, lũ ủốt và buồng sấy (hình 1.2)

Hình 1.2 Máy sấy tĩnh vỉ ngang

Quỏ trỡnh sấy ủược thực hiện như sau: Ngụ hoặc cỏc loại hạt khỏc ủược ủổ trờn mặt sàn lưới lỗ với lớp dày khoảng 25-40 cm Khụng khớ núng tạo nờn bởi lũ ủốt, ủược quạt sấy hỳt và thổi vào ống giú hụng, sau khi ủó hoà trộn với khụng khớ mụi trường ủạt ủến nhiệt ủộ khớ sấy cần thiết Sau ủú từ ống giú hông, khí sấy chuyển hướng qua sàng có lỗ sàng , xuyên qua lớp hạt mang ẩm thoỏt ra ngoài Quỏ trỡnh sấy tiếp diễn cho ủến khi cả lớp hạt dưới và trờn ủạt ủược ủộ ẩm cần thiết

Loại thiết bị này cú thể sử dụng ủể sấy ngụ bắp Quỏ trỡnh sấy ủược tiến hành như sau: Ngụ bắp sau khi thu hoạch cú ủộ ẩm 30-35%, ủược ủưa vào

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 12 buồng sấy ủể hạ xuống ẩm ủộ 18-24% ủảm bảo thuận lợi cho quỏ trỡnh tỏch hạt với ủộ tổn thương thấp nhất Nhiệt ủộ sấy trong giai ủoạn này khoảng

Quy trình sấy hạt thường bắt đầu ở nhiệt độ khoảng 43°C và kéo dài khoảng 50–60 giờ, tùy thuộc vào độ ẩm đầu vào và nhiệt độ môi trường Hạt sau khi qua máy sấy được sấy ở nhiệt độ khoảng 38–42°C để hạ độ ẩm còn lại xuống khoảng 13–14% Bên cạnh đó, thiết bị sấy kiểu tuynel là một trong các phương án được xem xét cho quy trình sấy này.

Thiết bị sấy kiểu tuynel có cấu tạo khác buồng sấy là chiều dài có kích thước gấp nhiều lần chiều rộng và chiều cao hình 1.3

Thiết bị sấy kiểu tuynel là hệ thống sấy liên tục cho phép xử lý nhiều loại vật liệu chịu nhiệt như hạt, rau quả, với các khay sấy được xếp trên băng tải và đưa vào hầm sấy, vật liệu được vận chuyển vào hầm và đẩy ra ở cuối hầm; tốc độ sấy có thể chuyển ngược hoặc thuận chiều với luồng vật liệu Bộ phận gia nhiệt có thể lắp ở phía ngoài hoặc ngay trên đỉnh hầm sấy, caloriphe cũng có thể lắp trong hầm sấy Loại máy này có ưu điểm là sấy được nhiều loại vật liệu có hình dạng phức tạp và mức độ cơ giới hóa cao; nhược điểm là cấu tạo phức tạp và giá thành cao.

Hình 1.3 Thiết bị sấy kiểu tuynel

1- xe gòong; 2 3- cửa hút; 4- xích kéo xe gòong

1.4.2 Thiết bị sấy ủộng ðặc trưng cơ bản của thiết bị sấy hạt di ủộng là vật liệu chuyển ủộng trong quỏ trỡnh sấy Thiết bị sấy này ủược dựng phổ biến ở cỏc nước cụng nghiệp phát triển, gồm có các kiểu cơ bản như: thiết bị sấy tháp, thiết bị sấy thùng quay, thiết bị sấy tầng sôi,…

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 13 a Thiết bị sấy tháp

Thiết bị sấy thỏp là loại thiết bị làm việc liờn tục dựng ủể sấy sản phẩm dạng hạt (hình 1.4)

Hình 1.4 Thiết bị sấy tháp

Nguyờn lý làm việc của thiết bị này là hạt ủược gầu tải hoặc vớt tải ủưa lờn ủỉnh thỏp sấy, nhờ trọng lượng bản thõn hạt sẽ chảy thành dũng cú thể là dũng thẳng (khụng ủảo trộn) hoặc dũng zizắc (cú ủảo trộn) Sấy liờn tục hay sấy tuần hoàn theo mẻ Trong mỗi lần sấy, hạt ủi qua buồng sấy sẽ tiếp xỳc với tỏc nhõn sấy trong một thời gian ngắn, thụng thường từ 15 ủến 30 phỳt Sau ủú hạt ủược ủưa qua vựng làm mỏt ủể ủ Tuỳ theo sản phẩm sấy, người ta sẽ ủiều chỉnh thời gian ủ này ủể ẩm từ bờn trong hạt cú thời gian khuếch tỏn ra ngoài với tốc ủộ vừa phải ủể giảm tỷ lệ nứt hạt, sau khi ủ xong, hạt sẽ ủược ủưa qua buồng sấy ủể ủược tiếp tục sấy, cứ như vậy hạt ủược luõn chuyển hoàn toàn cho ủến khi hạt ủạt ủộ ẩm yờu cầu Hỗn hợp khớ núng ủược ủưa vào buồng sấy theo hệ thống ống dẫn b Thiết bị sấy kiểu thùng quay

Thiết bị sấy kiểu thựng quay là loại thiết bị làm việc liờn tục dựng ủể sấy hạt và những phế phẩm thực phẩm dùng làm thức ăn chăn nuôi (hình 1.5)

Hình 1.5 Thiết bị sấy kiểu thùng quay

Thiết bị sấy thựng quay gồm cú thựng quay 1 ủặt nghiờng một gúc 6 o so với ủường nằm ngang Bờn trong cú cỏc cỏnh gắn chặt với thựng ủể phõn phối vật liệu ủều ủặn theo tiết diện của thựng và làm cho sản phẩm chuyển rời ủược liờn tục Nhờ ủú mà vật liệu và tỏc nhõn sấy tiếp xỳc với nhau ủược tốt hơn Tỏc nhõn sấy là khúi lũ ủược tạo ra ở lũ ủốt 2, trước khi vào thựng quay

Để kiểm soát quá trình sấy hiệu quả, vật liệu phải qua buồng trung gian số 3 Tại đây, lưu lượng khí được điều chỉnh để ngăn sự trộn lẫn với khí thải và hạ thấp nhiệt độ của luồng khí, giúp quá trình sấy ổn định và an toàn Vật liệu được đưa vào thùng sấy với điều kiện nhiệt độ và thời gian sấy được kiểm soát chặt chẽ, đảm bảo chất lượng sản phẩm và độ ẩm đạt mức yêu cầu trong khoảng thời gian nhất định.

Máy sấy hoạt động với tải trọng khoảng 20–25% dung tích và tốc độ quay của thùng được thiết kế ở mức phù hợp để đảm bảo chu trình sấy ổn định và tiết kiệm năng lượng Sản phẩm sau khi sấy xong được xả ra ngoài qua cửa 5, trong khi luồng khí sấy thoát khỏi thiết bị qua cửa 4 và đi vào hệ thống xiclon để lọc bụi trước khi thoát ra ngoài môi trường Hệ thống lọc bụi bằng xiclon giúp hạn chế bụi và đảm bảo an toàn vận hành cho máy sấy và môi trường làm việc.

CÔNG NGHỆ KHÍ HOÁ THAN VÀ ỨNG DỤNG ðỂ SẤY NÔNG SẢN

1.5.1 Công nghệ khí hoá than

Khí hoá than cũng nằm trong công nghệ khí hoá nhiên liệu rắn nhưng sử dụng nguyờn liệu là than ủỏ nờn ủược gọi là khớ hoỏ than

Khí hoá than thực chất là quá trình dùng chất khí hoá (hơi nước và không khớ) phản ứng với than ở nhiệt ủộ cao, chuyển nhiờn liệu từ dạng rắn sang dạng khớ Sản phẩm thu ủược gọi là khớ than với thành phần chỏy chủ yếu là:

CO, H2, CH4… dựng làm nhiờn liệu ủể cung cấp năng lượng cho nhiều ngành công nông nghiệp và dân dụng [2], [ 3], [ 6], [10], [9], [18]

Lò sinh khắ than là nơi biến nhiên liệu than thành nhiên liệu khắ đó là một lò trụ ủứng, phớa trờn cú bộ phận nạp than vào lũ, phớa dưới cú bể loại tro xỉ (hỡnh 1.9)

Hình 1.9 Lò sinh khí than

Quá trình hình thành khí gas diễn ra như sau: than được đưa từ trên xuống dưới; tác nhân hóa là hơi nước và không khí được đưa từ dưới lên trên, tạo thành chuyển động luồng ngược chiều (hình 1.10) [18].

Hình 1.10 Quá trình hình thành khí gas trong lò sinh khí

Trong quá trình gasification, các phản ứng hóa học diễn ra đồng thời với trao đổi nhiệt Theo chiều di chuyển của luồng khí, lò hình thành các tầng khí sinh: tầng tro xỉ, tầng oxi hóa (còn gọi là tầng lửa), tầng hoàn nguyên chính và phụ, tầng chưng cất khô và tầng không (tầng trống rỗng) Khí than được thu được sau khi đi qua các tầng sinh khí và được dẫn bằng ống tới nguồn cấp nhiệt cho lò nung Hiệu suất cháy cao và việc điều chỉnh nhiệt dễ dàng với dung sai ±5 °C Khi quá trình cháy tỏa nhiệt, khí sạch được sản sinh và than trở thành một nguồn nhiên liệu quan trọng, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp hiện nay.

Trong bảng 1.3 giới thiệu cỏc thụng số kỹ thuật của khớ than, gas và dầu ủốt và bảng 1.4 là số liệu so sỏnh hiệu quả kinh tế giữa ủốt khớ than với ủốt gas, dầu FO và dầu DO

Bảng 1.3 Cỏc thụng số kỹ thuật của khớ than, gas, dầu ủốt

Khớ than Gas Dầu ủốt FO Dầu ủốt DO

(3.750kcal/kg) 12.500kcal/kg 9.500kcal/kg 10.000kcal/kg ðiều chỉnh nhiệt ± 5 o C ± 5 o C ± 10 o C ± 10 o C ðộ sạch 98% 98% 75% 82%

Chỳ ý, Hiệu suất sinh khớ: 1 kg than sinh ủược 3 m 3 khớ

Trong bảng 1.3 cho thấy, khi sử dụng khớ than và khớ gas thỡ ủộ sạch của khớ thải cao hơn dễ ủiều chỉnh nhiệt ủộ hơn so với dựng dầu ủốt FO và DO

Bảng 1.4 So sỏnh hiệu quả kinh tế giữa ủốt khớ than với ủốt gas, dầu FO và dầu DO Thông số Khớ than Gas Dầu ủốt FO Dầu ủốt DO

Khối lượng nhiên liệu cấp

Giá thành 1.350VNð/kg 12.500VNð/kg 6.000VNð/kg 8.200VNð/kg Chi phí

(VNð/h) 2.052.000 5.700.000 3.600.000 4.674.000 Khả năng tiết kiệm

Như vậy, sử dụng nhiên liệu đốt giúp giảm chi phí đáng kể so với đốt gas từ 60%–70%, so với dầu FO từ 35%–40%, và so với dầu DO từ 50%–60%.

1.5.2 Ứng dụng cụng nghệ khớ hoỏ ủể sấy hạt nụng sản Ở nước ta hiện nay, ủể sấy hạt nụng sản núi chung và ngụ hạt núi riờng người ta sử dụng năng lượng hoỏ thạch (than ủỏ, dầu, khớ gas ), năng lượng tỏi tạo (năng lượng mặt trời, năng lượng sinh khối, năng lượng khí sinh học, ) [10] a Năng lượng hoá thạch ðõy là nguồn năng lượng truyền thống ủược dựng trong cỏc thiết bị sấy ngụ hạt, trong ủú năng lượng than ủỏ là chủ yếu vỡ giỏ thành rẻ hơn rất nhiều so

Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật cho thấy nguồn năng lượng hóa thạch như dầu, khí và than ngày càng cạn kiệt, đồng thời việc sử dụng than trong các hệ thống sấy thủ công thải ra lượng phát thải lớn nhưng chưa được xử lý, gây ảnh hưởng xấu đến môi trường và sức khỏe của người dân ở khu vực sản xuất và vùng lân cận Trong bối cảnh đó, năng lượng tái tạo được đề xuất như một giải pháp thay thế bền vững, giúp giảm phát thải, cải thiện chất lượng không khí và bảo vệ sức khỏe cộng đồng, đồng thời đảm bảo hiệu quả sử dụng năng lượng trong nông nghiệp.

Năng lượng tái tạo là nguồn năng lượng được khuyến khích ứng dụng nhằm dần thay thế năng lượng hóa thạch Các nguồn chính bao gồm năng lượng mặt trời, năng lượng sinh khối (biomass) và năng lượng khí sinh học (biogas), mang lại lợi ích môi trường và tiềm năng phát triển bền vững.

Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng sạch, góp phần tiết kiệm năng lượng hóa thạch và bảo vệ môi trường Việt Nam có nguồn NLMT phong phú với số giờ nắng trung bình gần 2200 giờ mỗi năm và cường độ bức xạ lên tới 980 W/m^2 Đã có nhiều công trình nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị sấy sử dụng NLMT, nhưng chủ yếu ở mức nghiên cứu lý thuyết và thử nghiệm, chưa được triển khai rộng rãi trong sản xuất thương mại Nguyên nhân chính là giá thành thiết bị cao và quá trình sấy dễ bị gián đoạn hoặc kéo dài do phụ thuộc thời tiết Vì vậy, lĩnh vực sấy nông sản bằng NLMT ở Việt Nam vẫn có tiềm năng lớn, đòi hỏi các giải pháp công nghệ để giảm chi phí, nâng cao hiệu suất và đảm bảo ổn định quá trình sấy dưới mọi điều kiện thời tiết.

Năng lượng sinh khối (biomass) là năng lượng ủược sản sinh từ phụ phẩm trong sản xuất nông, lâm nghiệp như lõi ngô, trấu, rơm rạ, cành cây, mùn cưa, Nguồn năng lượng này chiếm một khối lượng rất lớn nhưng hiện nay việc nghiờn cứu ứng dụng ủể sấy nụng sản cũn gặp rất nhiều khú khăn do thiết bị chuyển ủổi năng lượng thành nhiệt năng cú cấu tạo rất phức tạp và việc vận hành thiết bị không thuận lợi nên việc ứng dụng trong sản xuất còn có nhiều hạn chế

-Năng lượng khí sinh học

Năng lượng khí sinh học (biogas) là một trong những dạng năng lượng tái tạo ủược sản sinh ra từ sự phõn huỷ cỏc chất hữu cơ (chủ yếu từ cỏc chất thải trong chăn nuụi) dưới tỏc ủộng của vi khuẩn trong mụi trường yếm khớ Hiện nay nguồn năng lượng này ủang ủược quan tõm nghiờn cứu và sử dụng trong nụng nghiệp ủể sơ chế và chế biến cỏc loại nụng sản thực phẩm

Thực tế ở nước ta hiện nay, ủể sấy hạt nụng sản núi chung và ngụ hạt nói riêng, người ta vẫn thường sử dụng nguồn năng lượng hoá thạch chủ yếu là than ủỏ ủược ủốt chỏy trong cỏc lũ ủốt truyền thống Vỡ vậy lượng than tiờu thụ nhiều và khớ thải lẫn nhiều bụi than và chất ủộc hai gõy ụ nhiễm mụi trường ðể khắc phục nhược ủiểm trờn, chỳng tụi ủề xuất phương ỏn thiết kế lũ khớ hoỏ than thay thế cho lũ ủốt than truyền thống Loại lũ than khớ hoỏ cú ưu ủiểm nổi trội như sau:

- Tận dụng ủược nguồn nhiờn liệu than ủỏ chất lượng thấp như than cỏm hoặc than qua lửa,

- Tiết kiệm chi phớ ủến gần 50% - 70% so với phương phỏp dựng gas và ủến gần 40% - 50% so với dựng dầu

- Tiết kiệm, không gây bụi và ô nhiễm

MỤC ðÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA ðỀ TÀI

Thiết kế hệ thống thiết bị sấy ngô hạt năng suất 3,0 tấn/mẻ sử dụng khí húa gas từ nhiờn liệu than ủỏ thay cho năng lượng dầu, gas, ủiện, nhằm nõng cao hiệu suất sử dụng nhiệt, tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường

- Nghiên cứu tổng quan tình hình áp dụng công nghệ và hệ thống thiết bị sấy trong và ngoài nước

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình sấy và quá trình hình thành khớ gas trong lũ ủốt

- Nghiờn cứu thực nghiệm trong phũng thớ nghiệm ủể xỏc ủịnh một số thông số công nghệ làm cơ sở cho việc tính toán thiết kế

- Tính toán thiết kế hệ thống thiết bị sấy ngô hạt năng suất 3.0 tấn/mẻ và lò khí hoá than

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ðỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ ðẾN QUÁ TRÌNH SẤY

Vật liệu và thiết bị thí nghiệm

Vật liệu ủưa vào mỏy sấy là ngụ hạt cú cỏc tớnh chất - cơ lý như sau:

- Kích thước trung bình của hạt: DxRxD = (10 x 8 x 5)mm

- Khối lượng thể tớch ở ủộ ẩm 22% là: 724,53kg/m 3

Hình 2.1 Ngô hạt nguyên liệu

2.1.2 Thiết bị thí nghiệm ðể thực hiện quá trình sấy chúng tôi sử dụng tủ sấy vạn năng ED-240 do hãng Binder Hoa Kỳ sản xuất hình 2.2 ðây là loại máy sấy tĩnh, vỉ ngang, nguồn nhiệt cung cấp cho quỏ trỡnh sấy là ủiện năng, tự ủộng ủiều khiển nhiệt ủộ với ủộ chớnh xỏc 0,5 o C Lưu thụng khụng khớ trong buồng sấy nhờ quạt hỳt

Hình 2.2 Tủ sấy vạn năng ED-240

2.1.3 Dụng cụ thí nghiệm ðể theo dõi quá trình giảm ẩm trong vật liệu trong quá trình sấy chúng tôi sử dụng dụng cụ thí nghiệm như sau:

- Voltage kế ủể kiểm tra ủiện ỏp

- Dụng cụ ủo ủộ ẩm Kett (ðộ chớnh xỏc 0,5 0 C)

- ðồng hồ ủo thời gian

- Dụng cụ ủo tốc ủộ giú

Hỡnh 2.3 Thiết bị ủo tốc ủộ giú

Hỡnh 2.4 Mỏy ủo ủộ ẩm Kett

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Áp dụng phương phỏp thực nghiệm ủơn yếu tố ủể xỏc ủịnh mức ủộ ảnh hưởng riờng của từng yếu tố ủến ủộ khụ khụng ủồng ủều của sản phẩm sấy

Trong quá trình sấy ngô hạt có rất nhiều yếu tố làm ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm Cỏc yếu tố bao gồm: nhiệt ủộ sấy, thời gian sấy, tốc ủộ tỏc nhõn sấy, ủộ ẩm ban ủầu của vật liệu sấy,…

Cỏc yếu tố vào và ra của thiết bị sấy ủược mụ tả theo sơ ủồ hỡnh 2.5:

Hỡnh 2.5 Sơ ủồ cỏc yếu tố vào và ra của thiết bị sấy ðối tượng nghiên cứu

Cỏc yếu tố vào ủược ký hiệu như sau:

- Nhiệt ủộ tỏc nhõn sấy T ( o C)

- Tốc ủộ tỏc nhõn sấy v (m/s);

Cỏc thụng số ra ủược ký hiệu như sau:

- ðộ khụ khụng ủồng ủều của sản phẩm sấy δ (%)

Phương phỏp xỏc ủịnh một số thụng số của quỏ trỡnh sấy

a Phương phỏp xỏc ủịnh ủộ khụ khụng ủồng ủều ðộ khụ khụng ủều là một ủại lượng ngẫu nhiờn ủược xỏc ủịnh bằng tỷ số giữa ủộ sai lệch bỡnh phương trung bỡnh ủộ ẩm của mẫu ủo với ủộ ẩm qui ủịnh ủối với sản phẩm sấy Vị trớ lấy mẫu ủể xỏc ủịnh ủộ khụ khụng ủồng ủều ủược thể hiện trờn hỡnh 2.6 Ơ

Hỡnh 2.6 Sơ ủồ vị trớ lấy mẫu trờn khay sấy

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội công bố luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật trình bày phương pháp xác định độ ẩm của sản phẩm sấy, với hệ số K (ký hiệu bằng %), được tính theo công thức sau và áp dụng để đánh giá chất lượng sản phẩm sấy trong nghiên cứu Bài viết nhấn mạnh mối liên hệ giữa thời gian sấy, nhiệt độ và độ ẩm cuối cùng, nhằm tối ưu quy trình sấy, nâng cao hiệu suất và thời hạn bảo quản Kết quả cho thấy việc kiểm soát độ ẩm theo công thức K giúp cải thiện đặc tính cảm quan và an toàn thực phẩm, đồng thời cung cấp dữ liệu tham khảo cho các ứng dụng thực tế trong nông nghiệp và công nghiệp chế biến.

Trong ủú: σ- ðộ sai lệch bình phương trung bình:

= n w w n i o σ i (2.2) n - số lần ủo wi - ủộ ẩm của mẫu phõn tớch, % wo - ủộ ẩm qui ủịnh ủối với sản phẩm sấy, % b Phương phỏp xỏc ủịnh thời gian sấy

Thời gian sấy ủược ủo bằng ủồng hồ từ khi cho vật liệu sấy ở ủộ ẩm ban ủầu 22 % cho ủến khi ủạt ủộ ẩm 10%.

Kết quả thí nghiệm

Tiến hành nghiờn cứu thực nghiệm ủể xỏc ủịnh ảnh hưởng của nhiệt ủộ tỏc nhõn sấy X1 ( 0 C), tốc ủộ tỏc nhõn sấy X2 (m/s) ủến ủộ khụ khụng ủều của sản phẩm sấy Y1 δ (%), thời gian sấy Y2 τ (h) Trong quá trình tiến hành thí nghiệm nghiờn cứu thực nghiệm ủơn yếu tố chỳng tụi ủều lấy số mức biến thiờn k = 5 với khoảng biến thiờn là như nhau giữa cỏc yếu tố Kết quả thớ nghiệm ủó xỏc ủịnh ủược ảnh hưởng của cỏc yếu tố vào ủến thụng số ra như sau:

2.4.1 Ảnh hưởng của nhiệt ủộ tỏc nhõn sấy T( o C) ðiều kiện thớ nghiờm: Cố ủịnh giỏ trị yếu tố x2 = 1,6 m/s, cho x1 biến thiên từ 45 ÷ 65 0 C

Kết quả thực nghiệm xỏc ủịnh ảnh hưởng của nhiệt ủộ tỏc nhõn sấy T ủược ghi trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Kết quả thớ nghiệm xỏc ủịnh ảnh hưởng của nhiệt ủộ tỏc nhõn sấy x 1

Nhiệt ủộ tỏc nhõn sấy

T( o C) ðộ khụ khụng ủều của sản phẩm sấy δ (%)

65 2.63 4.34 Ảnh hưởng của thụng số x1 ủến cỏc thụng số ra ủược thể hiện như trờn ủồ thị hỡnh 2.7

Hỡnh 2.7 ðồ thị ảnh hưởng của nhiệt ủộ tỏc nhõn sấy x 1 ủến cỏc hàm Y j

Trờn ủồ thị hỡnh 2.7 ta thấy khi tăng nhiệt ủộ tỏc nhõn sấy sẽ làm tăng quỏ trỡnh trao ủổi nhiệt ẩm giữa vật liệu sấy và tỏc nhõn sấy nờn thời gian sấy giảm xuống Tuy nhiờn khi nhiệt ủộ tỏc nhõn sấy tăng quỏ cao do tốc ủộ giảm ẩm của vật liệu sấy quá nhanh nên lượng ẩm trong tâm vật liệu chưa kịp khuếch tỏn ra ngoài bề mặt ủể bốc hơi, thậm trớ lớp vỏ ngoài của ngụ hạt bị biến cứng ngăn cản khụng cho nước ở bờn trong thoỏt ra ngoài, do ủú thời gian sấy giảm chậm cũn ủộ khụ khụng ủều của vật liệu sấy tăng lờn Ứng với nhiệt ủộ sấy là 60 o C thỡ ủộ khụ khụng ủều của vật liệu sấy ủạt giỏ trị cực tiểu δ = 1.87%

2.4.2 Ảnh hưởng của tốc ủộ tỏc nhõn sấy v (m/s) ðiều kiện thớ nghiờm: Cố ủịnh giỏ trị x1 = 60 0 C, cho x2 biến thiờn từ 1,2 ữ 2,0 m/s

Kết quả thực nghiệm xỏc ủịnh ảnh hưởng của tốc ủộ tỏc nhõn sấy v ủược ghi trong bảng 2.2

Bảng 2.2 Ảnh hưởng của tốc ủộ tỏc nhõn sấy x 2 tới hàm Y j

Tốc ủộ tỏc nhõn sấy v(m/s) ðộ khụ khụng ủều sản phẩm sấy δ (%)

Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật trình bày kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của x bình phương đến các thông số của hệ thống, được thể hiện trên đồ thị hình 2.8 Các tham số τ, δ và vận tốc v (m/s) biến đổi theo x bình phương, cho thấy mối quan hệ rõ ràng giữa tham số điều khiển và hiệu suất vận hành Nghiên cứu này cung cấp dữ liệu quan trọng cho ứng dụng trong nông nghiệp và kỹ thuật, đồng thời giúp người đọc hiểu cách diễn giải các đồ thị và tham số kỹ thuật liên quan.

Hỡnh 2.8 ðồ thị ảnh hưởng của tốc ủộ tỏc nhõn sấy x 2 ủến cỏc hàm Y j

Qua ủồ thị hỡnh 2.8 cho thấy, khi tăng tốc ủộ tỏc nhõn sấy thỡ quỏ trỡnh thoát ẩm từ vật liệu sấy vào trong buồng sấy và từ trong buồng sấy ra ngoài nhanh hơn, ủộ khụ khụng ủồng ủều của vật liệu sấy và thời gian sấy ủều giảm xuống

Dựa vào kết quả nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm trên ủồ thị hỡnh 2.7-2.8 và kết quả, chỳng tụi cú thể lựa chọn sơ bộ chế ủộ sấy ngụ hạt ủể phục vụ cho việc tớnh toỏn thiết kế: nhiệt ủộ tỏc nhõn sấy T = 60 o C, tốc ủộ tỏc nhõn sấy v = 1,8 m/s và thời gian sấy τ = 5h

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ SẤY

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH SẤY

Quá trình sấy là quá trình vật liệu nhận năng lượng mà chủ yếu là nhiệt năng từ một nguồn nhiệt nào ủú ủể ẩm từ trong lũng vật dịch chuyển ra bề mặt ủi vào tỏc nhõn sấy Như vậy quỏ trỡnh sấy là quỏ trỡnh truyền nhiệt và truyền chất xảy ra ủồng thời Trong lũng vật quỏ trỡnh ủú là quỏ trỡnh dẫn nhiệt và khuếch tỏn ẩm hỗn hợp Trao ủổi nhiệt ẩm giữa bề mặt vật với tỏc nhõn sấy là quỏ trỡnh trao ủổi nhiệt và trao ủổi ẩm ủối lưu liờn hợp Như vậy khi nghiờn cứu cơ sở lý thuyết cho quỏ trỡnh sấy ta nghiờn cứu cỏc vấn ủề sau:[6], [7], [ 4]; [11]

3.1.1 ðộ ẩm cân bằng ðộ ẩm của một vật rắn ướt ở trạng thỏi cõn bằng với khụng khớ cú ủộ ẩm và nhiệt ủộ nhất ủịnh ủược gọi là ủộ ẩm cõn bằng ðộ ẩm cõn bằng của vật sấy là một thụng số quan trọng, nú quyết ủịnh thời gian sấy, chế ủộ bảo quản sản phẩm sau khi sấy cũng như nhiệt ủộ cuối của quỏ trỡnh sấy Khi ủộ ẩm của mụi trường lớn hơn ủộ ẩm cõn bằng thỡ cú hiện tượng hỳt ẩm và ngược lại thỡ có hiện tượng nhả ẩm

Dạng ủường cong ủộ ẩm cõn bằng của cỏc vật liệu tương ứng ủược thể hiện qua hình 3.1

Hỡnh 3.1 ðường cong ủộ ẩm cõn bằng của cỏc vật liệu

Quá trình sấy—hay quá trình làm khô vật liệu—xảy ra khi ph < pvl, tức là áp suất hơi riêng phần của không khí ẩm thấp hơn áp suất hơi riêng phần của nước ở bề mặt vật liệu Ở đây ph là áp suất hơi riêng phần của không khí ẩm, còn pvl là áp suất hơi riêng phần của nước vapor ngay sát trên bề mặt vật liệu Khi điều kiện này được thỏa mãn, nước trong vật liệu sẽ di chuyển ra ngoài và thoát vào không khí xung quanh, làm cho vật liệu dần khô.

Quá trình hút ẩm từ không khí ẩm vào vật liệu nếu ph > pvl Ở một nhiệt ủộ ủó biết, ủồ thị biểu diễn ủộ ẩm cõn bằng theo ủộ ẩm tuyệt ủối của khụng khớ ủược gọi là ủường trao ủổi ẩm ủẳng nhiệt Gọi là ủường hỳt ẩm ủẳng nhiệt nếu thiết lập bằng cỏch cho vật rắn tiếp xỳc với khụng khớ cú ủộ ẩm giảm dần Phần lớn cỏc vật liệu sấy ủều cú hai ủường ủẳng nhiệt trờn không trùng nhau

Hỡnh 3.2 Cỏc ủường ủẳng nhiệt tiờu biểu

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 34 ðồ thị này có ba vùng A, B, C, chỉ thị các cơ chế khác nhau nối kết nước với mạng lưới chất rắn

Vựng A cho thấy nước liên kết chặt chẽ với chất rắn và không tham gia phản ứng, chỉ có hiện tượng nhả ẩm trên bề mặt lớp và không thể phân biệt giữa hai lớp.

Vùng B, nước liên kết lỏng lẻo hơn, giảm áp suất hơi dưới mức áp suất hơi nước cõn bằng ở vựng nhiệt ủộ là do nước bị giữ trong cỏc mao quản nhỏ hơn

Vùng C, nước liên kết càng lỏng lẻo hơn trong các mao quản lớn và sẵn sàng cho các phản ứng hoặc làm dung môi

Trong quá trình sấy thì áp suất hơi trên bề mặt vật liệu giảm dần cho ủến khi ph = pvl Khi ủú hệ ủạt trạng thỏi cõn bằng ủộng, ủộ ẩm của vật liệu ủạt ủộ ẩm cõn bằng ωcb ðộ ẩm cõn bằng phụ thuộc vào ỏp suất hơi riờng phần của khụng khớ xung quanh tức là phụ thuộc vào ủộ ẩm tương ủối của không khí

3.1.2 Các dạng liên kết ẩm với vật liệu

Quá trình tách ẩm khỏi vật liệu sấy phụ thuộc sâu sắc vào các dạng liên kết giữa ẩm và vật liệu sấy Liên kết càng bền vững thì việc tách ẩm càng khó khăn, ngược lại liên kết yếu hơn sẽ cho phép tách ẩm diễn ra nhanh và hiệu quả hơn Hiểu rõ đặc điểm của liên kết ẩm-vật liệu và điều chỉnh điều kiện sấy (nhiệt độ, độ ẩm, thời gian tiếp xúc) là chìa khóa để tối ưu hóa quá trình sấy và chất lượng sản phẩm.

Nguyờn liệu khi ủem sấy thỡ trong bản thõn nú cú thể tồn tại cỏc liờn kết ẩm như sau:

* Liên kết hoá học thì năng lượng liên kết rất lớn Bởi vậy với năng lượng nhiệt của quỏ trỡnh sấy khụng ủủ ủể tỏch loại ẩm này Muốn tỏch ủược loại ẩm này người ta phải nung ở nhiệt ủộ cao hoặc bằng cỏc phản ứng hoỏ học

* Liờn kết hoỏ lý ủược phõn ra ẩm liờn kết hấp phụ và ẩm liờn kết thẩm thấu

* Ẩm liờn kết hấp phụ : là loại ẩm ủược giữ lại trờn bề mặt và trong cỏc mao quản của vật liệu bằng các lực hấp phụ VanderWaals, lực mao quản

Liờn kết hấp phụ ủược xem là liờn kết của một lớp cỡ phõn tử trờn cỏc bề mặt các hang xốp của vật liệu Người ta xem nước hoặc hơi nước liên kết với vật liệu như một hệ liờn kết cơ – lý ủẳng nhiệt Giả sử pb là phõn ỏp suất bóo hoà của hơi nước tự do ứng với nhiệt ủộ T và pu là phõn ỏp suất cõn bằng của hơi nước trờn bề mặt vật liệu cú ủộ chứa ẩm u thỡ năng lượng liờn kết hấp phụ ( hay năng lượng cần thiết ủể phỏ vỡ liờn kết ủú của nước) cú thể xem bằng cụng tham gia trong quỏ trỡnh ủẳng nhiệt ủể ủưa hơi nước từ ỏp suất pu ủến ỏp suất pb

Ẩm liên kết thẩm thấu là phần nước bị giữ lại trong mạng lưới tinh thể hoặc trong các lưới sàng thẩm thấu bởi các lực liên kết thẩm thấu Khi tách ẩm liên kết hấp phụ (nước liên kết trên bề mặt hoặc trong các lỗ pori), năng lượng tiêu hao thường lớn hơn so với tách ẩm liên kết thẩm thấu (nước bị gắn trong dung dịch hoặc trong cấu trúc mạng tinh thể) Do đó, trong quá trình sấy, mức năng lượng nhiệt tiêu thụ có thể phản ánh mức độ liên kết của ẩm với vật liệu Liên kết thẩm thấu điển hình là liên kết của nước trong các dung dịch.

*Ẩm liờn kết cơ lý: Là loại ẩm ủược giữ lại trờn bề mặt vật liệu trong các mao quản bằng các lực kết dính với năng lượng liên kết rất bé Bởi vậy với năng lượng của quá trình tách bằng cơ học như: ly tâm, ép, vắt có thể tách ủược một phần ẩm này Cũn với năng lượng nhiệt của cỏc quỏ trỡnh sấy cú thể tỏch ủược hoàn toàn

3.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình sấy

Quá trình sấy là một quá trình phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố

* Nhiệt ủộ ðây là một trong những thông số ảnh hưởng rất lớn tới quá trình sấy Khi nhiệt ủộ càng lớn thỡ thời gian sấy càng ủược rỳt ngắn Trong quỏ trỡnh sấy nếu ta tăng nhiệt ủộ ủột ngột thỡ quỏ trỡnh sấy cũng diễn ra nhanh nhưng khi ủú ảnh hưởng tới vật liệu sấy Ngược lại, nếu nhiệt ủộ thấp thỡ dẫn tới thời gian sấy kéo dài cũng ảnh hưởng tới vật cần sấy Nếu kéo dài thời gian sấy có thể dẫn tới hỏng sản phẩm, làm chất lượng sản phẩm sấy giảm

* Sự lưu chuyển tác nhân sấy

CƠ SỞ TÍNH TOÁN LÒ ðỐT KHÍ HOÁ GAS

3.2.1 Cơ sở tính toán công nghệ

Trong nhiên liệu rắn thường bao gồm các nguyên tố C, H, và O, ngoài ra cú thể cú N và S Trong thiết bị khớ hoỏ gas xuụi chiều ủược nghiờn cứu thiết kế, nhiờn liệu rắn ủược ủốt chỏy một phần Gas ủược tạo ra, sau ủú ủược biến ủổi bằng cỏch cho ủi qua tầng nhiờn liệu ở nhiệt ủộ cao Trong quỏ trỡnh chỏy khớ CO2 cú ủược từ C và nước cú ủược từ H2 và O2 từ nhiờn liệu sẽ ủược kết hợp với cỏc sản phẩm của quỏ trỡnh chỏy, do ủú làm giảm ủi lượng khụng khí cần cho quá trình cháy [8], [10], [16]

Quỏ trỡnh oxy hoỏ (hoặc quỏ trỡnh chỏy) ủược mụ tả bằng cỏc cụng thức phản ứng hoá học sau:

Cỏc cụng thức này cú nghĩa là khi ủốt chỏy 1 nguyờn tử gram, tức là 12g C thành CO2, giải phóng ra lượng nhiệt là 401,9 kJ Khi oxy hoá 1 phân tử gram tức là 2,016g H thành hơi nước thỡ ủược lượng nhiệt là 241,1kJ

Trong tất cả cỏc dạng khớ húa, CO2 và hơi nước sẽ biến ủổi thành CO,

H và mê tan (CH4 ) càng nhiều càng tốt ðây là thành phần chính có thể cháy ủược của gas sản sinh ra Dưới ủõy là cỏc phản ứng quan trọng xảy ra trong vùng của thiết bị tạo gas giữa các chất ở thể rắn và thể khí khác nhau Dấu (-) biểu thị nhiệt trong phản ứng sinh ra, dấu (+) cho biết nhiệt cần cho phản ứng

Các phản ứng quan trọng xảy ra trong thiết bị tạo gas: a) C + O2 2CO + 164,9 kJ/mol b) C + H2O CO + H2 + 122,6kJ/mol c) CO + H2 CO + H2O + 42,3kJ/mol (3.4) d) C + 2H2 CH4 0 e) CO + 3H2 CH4 + H2O - 205,9kJ/mol

Phương trình a, b là các phản ứng chính trong quá trình khô, cho biết quỏ trỡnh khụ cần nhiệt Do ủú nhiệt ủộ của gas sẽ giảm trong quỏ trỡnh khụ

Phản ứng nước–gas giữa CO và hơi nước (H2O) tạo ra CO2 và H2 theo phương trình CO + H2O ⇌ CO2 + H2 Ở mỗi nhiệt độ xác định, tỉ lệ giữa các sản phẩm CO2 và H2 với CO và H2O được mô tả bằng hằng số cân bằng K_eq, với K_eq = (P_CO2 × P_H2) / (P_CO × P_H2O) Hằng số này cho biết trạng thái cân bằng của hệ và cho phép ước lượng thành phần khí trong hỗn hợp tại nhiệt độ đã cho Tuy vậy, trong thực tế thành phần của hỗn hợp khí thường phụ thuộc vào tốc độ phản ứng và thời gian phản ứng; chỉ khi thời gian đủ dài và điều kiện nhiệt độ, áp suất thuận lợi, hệ thống mới tiến tới cân bằng và các tỉ lệ CO2 và H2 được thiết lập tương ứng.

Trong hóa học, tốc độ phản ứng giảm theo sự giảm nhiệt độ Trong trường hợp phản ứng nước–gas, tốc độ phản ứng trở nên rất thấp khi nhiệt độ giảm xuống dưới khoảng 700 °C, tới mức quá trình hình thành sản phẩm có thể được coi là bị 'đóng băng' Thành phần khí tham gia phản ứng khi duy trì ở các điều kiện khác nhau sẽ có sự biến đổi và các giá trị Kw ở các nhiệt độ khác nhau được tính theo công thức để đưa ra các quyết định vận hành, cần cân bằng giữa nhiệt độ, áp suất và tỉ lệ các thành phần nhằm tối ưu hiệu suất và ổn định sản phẩm.

Khái niệm về tạo khí từ nước dựa trên nguyên lý phân tích và tái tổ hợp thành phần khí từ nguồn nước thông qua các thiết bị công nghệ cao Trọng tâm của bài viết là làm sáng tỏ cơ chế lý thuyết và thành phần chính của khí khi được khai thác từ nước, cũng như vai trò của thiết bị sản xuất khí trong việc kiểm soát nhiệt độ, áp suất và lưu lượng Quá trình điện phân nước thường được dùng để hình thành các thành phần cơ bản như hiđro và ôxi, với ảnh hưởng của vật liệu điện cực, chất xúc tác và điều kiện vận hành Thiết kế thiết bị cần tối ưu để duy trì an toàn, hiệu quả và ổn định, đồng thời giảm thiểu rủi ro và biến động nếu nhiệt độ hay áp suất thay đổi Việc nắm vững đặc tính lý hóa của khí thành phần giúp nâng cao hiệu suất hệ thống và đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn và quy định liên quan đến sản xuất khí từ nước.

Xuất phỏt từ cõn bằng khối lượng của 4 nguyờn tố ủi vào chớnh (C, H,

Cân bằng năng lượng cho toàn bộ hệ thống được xác định qua mối quan hệ phát sinh từ cân bằng nước–gas; theo giả thuyết, lượng CH4 sinh ra trong mỗi gram nhiên liệu là không đổi, bất kể biến đổi nhỏ giữa các trường hợp vận hành bình thường Mối quan hệ này cho phép ước lượng thành phần của khí gas trong phạm vi rộng dựa trên các tham số đầu vào như hàm lượng ẩm của nhiên liệu và các đặc tính kỹ thuật của hệ thống, bao gồm tổn thất nhiệt trong quá trình đối lưu, bức xạ và dẫn nhiệt trong gas.

Yếu tố quan trọng ủể ủỏnh giỏ hiệu quả kinh tế của việc sử dụng hệ thống thiết bị khí hoá là hiệu suất khí hoá

Nếu dựng gas ủể ủốt chỏy trực tiếp, hiệu suất khớ hoỏ ủược tớnh như sau:

Trong ủú: ηth - Hiệu suất khí hoá về nhiệt, (%) Ρg - Tỷ trọng của gas; (kg/m 3 )

Cp - Nhiệt dung riêng của gas; (kJ/kg o K)

∆T - Chờnh lệch nhiệt ủộ giữa nhiệt ủộ giữa gas ở cửa buồng ủốt và nhiên liệu vào thiết bị khí hoá; ( 0 K)

Hg - Nhiệt trị của gas; (kJ/m 3 )

Qg - Lưu lượng của gas; (m 3 /s)

Hs - Nhiệt trị thấp của nhiên liệu khí hoá; (kJ/kg)

Ms- Lượng tiờu thụ nhiờn liệu của lũ ủốt khớ hoỏ (kg/kJ)

Tuỳ thuộc vào kết cấu của thiết bị khớ hoỏ cũng như tuỳ thuộc vào cỏc ủặc tớnh kỹ thuật của nhiờn liệu mà hiệu suất khớ húa gas cú thể thay ủổi trong khoảng từ 65% ủến 85% Trong cỏc ứng dụng nhiệt, giỏ trị ηth cú thể cao tới 93%

3.2.4 Nhiên liệu khí gas a Nhiệt trị của nhiên liệu

Việc lựa chọn nhiờn liệu khớ hoỏ ủược dựa trờn cơ sở xỏc ủịnh nhiệt trị của nó Có 2 khái niệm: nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp:

Nhiệt trị cao của nhiờn liệu khi ủạt ủược trong trường hợp ủoạn nhiệt, nghĩa là ủược thực hiện khi ngưng tụ nước sinh ra trong quỏ trỡnh ủốt chỏy

Do việc thu hồi nhiệt của quá trình ngưng tụ trong các lò khí hoá gas rất khó, ủặc biệt là trong trường hợp ủốt chỏy một số phụ phẩm nụng nghiệp (như: trấu, lõi ngô củi khô, ) nên thường không dùng khái niệm nhiệt trị cao Vì vậy, trong thực tiễn khi ủốt cỏc nhiờn liệu trờn người ta thường dựng khỏi niệm nhiệt trị thấp

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 45 b Hàm lượng ẩm của nhiên liệu

Nhiệt trị của gas sản phẩm của dạng lũ ủốt khớ hoỏ bất kỳ phụ thuộc một phần hàm lượng ẩm của nguyờn liệu ủầu vào Hàm lượng ẩm cao làm giảm hiệu suất nhiệt khi nhiệt ủược dựng ủể bay hơi nước và do ủú năng lượng này khụng cú sẵn trong việc giảm cỏc phản ứng và cho việc biến ủổi nhiệt năng thành năng lượng liờn kết hoỏ học trong gas Do ủú hàm lượng ẩm cao dẫn ủến nhiệt trị của gas thấp Khi gas ủược sử dụng cho cỏc mục ủớch ủốt chỏy trực tiếp, nhiệt trị thấp cú thể chấp nhận ủược và việc sử dụng cỏc nguyờn liệu ủầu vào cú hàm lượng ẩm (gốc khụ) lờn tới 40 – 50% là khả thi, ủặc biệt là khi sử dụng lũ ủốt khớ hoỏ dạng xuụi chiều Do cả nhiệt trị của gas (ủộng cơ cần gas ớt nhất 4200kJ/m 3 ủể duy trỡ hiệu suất hợp lý) và vấn ủề muội than, lũ ủốt khớ hoỏ xuụi chiều cần nhiờn liệu khụ hợp lý (ẩm nhỏ hơn 35% dựa trên gốc khô) c Hàm lượng chất dễ bay hơi của nhiên liệu

Lượng dễ bay hơi trong nguồn liệu đầu vào quyết định sự cần thiết của các biện pháp xử lý đặc biệt cho quá trình đốt hoặc trong thiết kế của lò đốt và hệ thống làm sạch gas, nhằm đảm bảo chất lượng và hiệu suất của quá trình Việc tách bỏ muội than khỏi gas sản phẩm là bước quan trọng trong các ứng dụng dùng gas cho động cơ, giúp cải thiện hiệu suất và giảm ăn mòn cũng như tích tụ xỉ trong thiết bị Hàm lượng tro và thành phần hoá học của tro là các thông số cơ bản ảnh hưởng đến hiệu suất đốt, tính ăn mòn và tuổi thọ của thiết bị, đồng thời quyết định lựa chọn vật liệu và biện pháp xử lý phù hợp Việc đánh giá kỹ lưỡng các yếu tố trên cho phép tối ưu hóa thiết kế, vận hành và chi phí liên quan đến hệ thống xử lý khí.

Tro cú thể gõy ra nhiều vấn ủề ủặc biệt là trong cỏc lũ ủốt khớ húa dạng xuôi chiều hoặc ngược chiều Việc tạo xỉ hoặc hình thành xỉ tảng trong lò phản ứng gây ra do việc nóng chảy và kết tụ của tro, trong trường hợp tốt nhất sẽ thờm cụng nhõn vận hành lũ ủốt Nếu khụng thực hiện cỏc cỏch xử lý ủặc biệt, xỉ cú thể dẫn ủến hỡnh thành quỏ mức của muội hoặc làm tắc hoàn toàn lò phản ứng Trường hợp xấu nhất là khả năng tạo kênh không khí mà có thể gõy ra nguy cơ nổ, ủặc biệt là trong cỏc lũ ủốt ngược chiều Sự tạo xỉ xuất hiện hay khụng xuất hiện là phụ thuộc hàm lượng tro của nhiờn liệu, cỏc ủặc tớnh núng chảy của tro và dạng nhiệt ủộ trong lũ ủốt Nhiệt ủộ cao cục bộ

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 46 không có trong lớp nhiên liệu ở vùng oxy hoá, gây ra bởi sự tạo cầu nối trong lớp này, có thể gây ra sự tạo xỉ thậm chí cả khi dùng các nhiên liệu có nhiệt ủộ núng chảy của tro cao Nhỡn chung khụng cú hiện tượng tạo xỉ nếu nhiờn liệu có hàm lượng tro thấp dưới 5 – 6 % Với nhiên liệu có hàm lượng tro 12% hoặc cao hơn thì xuất hiện sự tạo xỉ nghiêm trọng với nhiên liệu có hàm lượng tro giữa 6 và 12, sự tạo xỉ phụ thuộc nhiều vào nhiệt ủộ nống chảy của tro, mà bị ảnh hưởng do sự có mặt của các nguyên tố vết làm tăng sự hình thành cỏc hỗn hợp cú ủiểm núng chảy thấp…ðối với mục ủớch khớ hoỏ khả năng núng chảy của tro nhiờn liệu nờn ủược xỏc ủịnh trong cả hai mụi trường oxy hoỏ khử Như hàm lượng tro ủược ủề cập, gỗ tươi và than củi hiếm khớ cú vấn ủề, hàm lượng tro thụng thường từ 0,75 ủến 2,5% Tuy nhiờn nhiều gỗ vựng nhiệt ủới hàm lượng tro than củi cú thể cao hơn nhiều và cỏc loại than củi này khụng thớch hợp với mục ủớch khớ hoỏ Thiết bị khớ hoỏ xuụi chiều và ngược chiều cú khẳ năng hoạt ủộng tốt với cỏc nhiờn liệu tạo xỉ nếu ủược thay ủổi về kết cấu (cỏc l ghi lũ chuyển ủộng liờn tục hoặc quỏ trỡnh chỏy của gas ủược thực hiện ở bờn ngoài lũ ủốt tạo khớ gas) Cỏc thiết bị khớ hoỏ dạng khớ ủi ngang, làm việc ở nhiệt ủộ rất cao khoảng 1200 0 C hoặc cao hơn, cần bộ phận an toàn ủăc biệt ủối với hàm lượng tro của nhiờn liệu e Khả năng phản ứng của nhiên liệu

Khả năng phản ứng là một yếu tố quan trọng quyết ủịnh tốc ủộ khử

LỰA CHỌN SƠ ðỒ NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ SẤY

Định dạng
Số trang	88
Dung lượng	2,32 MB