MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong xã hội hiện đại, mặc dù các phƣơng tiện tin học trong thông tin, lƣu trữ phát triển mạnh nhƣng giấy vẫn là sản phẩm không thể thiếu trong hoạt động xã hội của bất kỳ quốc gia nào, đặc biệt trong hoạt động giáo dục, in ấn, báo chí, văn học, hội hoạ. Ở Việt Nam, ngành công nghiệp giấy là một ngành chiến lƣợc quan trọng phục vụ trực tiếp sự nghiệp văn hoá, xã hội và phát triển đất nƣớc. Theo số liệu thống kê cho thấy, năm 2013, Việt Nam tiêu thụ 655.000 tấn giấy in, giấy viết [1].
Tuy nhiên, ngành công nghiệp giấy mới chỉ đáp ứng khoảng 50% nhu cầu tiêu dùng. Một trong những khó khăn lớn nhất của việc sản xuất giấy in, giấy viết là đảm bảo chất lƣợng bột giấy dùng cho sản xuất giấy. Trong thuật ngữ của ngành sản xuất giấy, có hai loại bột nguyên liệu: bột thô và bột giấy. Bột thô là dạng bột đƣợc tạo thành bởi giai đoạn nghiền sơ bộ, thuật ngữ ngành giấy gọi là nghiền nồng độ cao, có nhiệm vụ nghiền phôi gỗ dạng dăm, mảnh thành dạng bột thô.
Bột giấy là dạng bột đƣợc tạo thành bởi giai đoạn nghiền tinh, thuật ngữ ngành giấy gọi là nghiền nồng độ thấp. Trong giai đoạn nghiền sơ bộ (nghiền nồng độ cao - high consistency), nguyên liệu đầu vào là dăm, mảnh gỗ có kích thƣớc 25x25x2mm. Dăm, mảnh gỗ đƣợc chế biến tại các nhà máy, phân xƣởng chuyên dụng, độc lập với nhà máy, phân xƣởng sản xuất giấy. Sản phẩm của quá trình nghiền sơ bộ là bột thô, bao gồm các sợi gỗ có kích thƣớc chiều dài từ 1-3mm, đƣờng kính khoảng 10-30μm.
Bột thô tiếp tục đƣợc xử lý để thu hồi dịch đen, tẩy trắng và trở thành nguyên liệu cho giai đoạn nghiền tinh tiếp theo. Giai đoạn nghiền tinh (nghiền nồng độ thấp - low consistency) có nhiệm vụ nghiền bột thô đã đƣợc tẩy trắng, nhằm thay đổi hình thái của sợi gỗ, làm cho bột có các tính chất cơ, lý đáp ứng yêu cầu của sản phẩm giấy. Giai đoạn này có các nhiệm vụ chính là tách bề mặt phía trong của sợi thành nhiều sợi nhỏ (chổi hoá nội vi), Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn/ 2 chải các lớp ngoài của sợi thành các sợi nhỏ hơn (chổi hoá ngoại vi), tạo thêm nhiều sợi mịn và ngắn hơn. Thêm nữa, vách ngăn giữa các sợi đƣợc làm yếu đi, mềm ra và giảm độ dày nhờ sự thâm nhập của các phân tử nƣớc trong quá trình nghiền.
Kết quả là làm tăng khả năng liên kết sợi và độ bền của giấy thành phẩm. Vì vậy, đây là giai đoạn chế biến có ý nghĩa quyết định đến chất lƣợng sản phẩm giấy đƣợc tạo thành. Chính vì vậy, các chuyên gia ngành giấy thƣờng nói: “Giấy đƣợc hình thành từ trong máy nghiền”. Giai đoạn nghiền tinh có thể đƣợc thực hiện trên thiết bị nghiền Hà Lan, thiết bị nghiền côn hoặc nghiền đĩa [17], [9], [16], [46].
Công nghệ sản xuất giấy hiện đại ngày nay chủ yếu sử dụng thiết bị nghiền dạng đĩa [5], [46], [49]. Thiết bị nghiền dạng đĩa có khả năng nghiền ở nhiều nồng độ, nghiền nhiều loại nguyên liệu khác nhau, năng suất nghiền cao, chất lƣợng bột đồng đều và tiêu hao năng lƣợng thấp hơn các thiết bị nghiền Hà Lan, nghiền côn có cùng công suất. Ở Việt Nam, thiết bị nghiền dạng đĩa có mặt tại tất cả các nhà máy sản xuất giấy. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, chất lượng bột giấy (sản phẩm của giai đoạn nghiền tinh) phụ thuộc vào các yếu tố chính nhƣ điều kiện nghiền, hệ thống nghiền, đĩa nghiền [40], [42], [46], [54] và dạng nguyên liệu xơ sợi [3], [16], [19].
Trong đó, các yếu tố kết cấu đĩa, hình dáng hình học của răng đĩa có ảnh hƣởng trực tiếp đến chất lƣợng bột giấy cũng nhƣ năng lƣợng tiêu hao trong quá trình nghiền [21], [22], [35]. Bài toán tối ƣu đa mục tiêu giải quyết hài hoà cả hai lợi ích: Chất lượng bột giấy và năng lượng nghiền đã và đang nhận đƣợc nhiều quan tâm [11], [13], [18], [31], [47], [48], [49]. Trong hầu hết các nghiên cứu, các tác giả thƣờng hoặc khảo sát các dạng sợi gỗ nguyên liệu có những đặc tính cơ lý trung bình, hoặc khảo sát trên một dạng sợi gỗ cụ thể. Thực tế, gỗ từ các vùng miền có khí hậu, điều kiện thổ nhƣỡng khác nhau sẽ có những tính chất cơ, lý khác nhau.
Lựa chọn kết cấu đĩa nghiền, thông số hình học răng đĩa phù hợp với đặc thù sợi gỗ của từng vùng miền sẽ có ảnh hƣởng quyết định đến chất lƣợng quá trình nghiền cụ thể [8], [13], [17]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn/ 3 Bên cạnh chất lƣợng nghiền, năng lượng tiêu tốn cho quá trình nghiền là một trong hai yếu tố chính quyết định tính cạnh tranh của sản phẩm giấy. Điều này có ý nghĩa sống còn đến việc ngành công nghiệp giấy của một quốc gia có thể phát triển hay phải nhập khẩu thay vì sản xuất phục vụ tiêu dùng và xuất khẩu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, cấu tạo đĩa nghiền và các thông số vận hành có ảnh hƣởng trực tiếp không những đến chất lƣợng nghiền mà còn đến năng lƣợng tiêu tốn cho quá trình nghiền [40], [42], [46], [54].
Nói cách khác, cấu tạo đĩa và thông số vận hành có ảnh hƣởng quyết định đến khả năng cạnh tranh của sản phẩm giấy. Nói chung, mục tiêu nâng cao chất lƣợng nghiền và giảm năng lƣợng tiêu thụ thƣờng có mâu thuẫn lợi ích với nhau. Nhiều nghiên cứu đã và vẫn đang đƣợc tiếp tục tiến hành để giải quyết bài toán đa mục tiêu này [25], [36], [37], [48]. Trong các cơ sở sản xuất giấy của Việt Nam, nguyên liệu dùng cho quá trình nghiền tinh thƣờng đƣợc trộn giữa bột sợi ngắn (bột gỗ đƣợc sản xuất trong nƣớc) và bột sợi dài (bột nguyên liệu nhập ngoại).
Không những khác nhau về kích thƣớc, hai dạng bột này còn khác nhau cả về các đặc tính cơ, lý. Đĩa nghiền đang dùng trong các cơ sở sản xuất giấy hầu nhƣ đƣợc nhập ngoại hoàn toàn. Các đĩa nghiền này đƣợc sản xuất hàng loạt, với các thông số kết cấu đƣợc tính toán dựa trên những tham số có thể dùng chung cho nhiều dạng bột khác nhau trên thế giới. Việc sử dụng đĩa nghiền nhƣ vậy cho dạng bột có cả hai thành phần sợi khác nhau nhƣ trên có thể làm giảm chất lƣợng bột giấy, đồng thời làm tăng thời gian và chi phí năng lƣợng, giá thành sản xuất giấy.
Cho đến nay, chƣa có một nghiên cứu nào thực hiện việc xác định các thông số kết cấu, thông số hình học của răng cho các đĩa nghiền phù hợp với bột giấy đƣợc làm từ cây nguyên liệu của Việt Nam. Nghiên cứu này đƣợc thực hiện nhằm đóng góp, bổ sung lời giải cho bài toán tối ƣu đa mục tiêu, cân bằng lợi ích giữa nâng cao chất lƣợng bột giấy và giảm tiêu thụ năng lƣợng cho giai đoạn nghiền tinh trong công nghiệp sản xuất giấy. Nghiên cứu đƣợc thực hiện trên bột nguyên liệu thực tế đang đƣợc dùng trong công nghiệp sản xuất giấy tại Việt Nam; sử dụng các máy móc, thiết bị thực nghiệm của Việt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. Kết quả của nghiên cứu, do vậy, có thể đƣợc ứng dụng trực tiếp vào sản xuất giấy ở Việt Nam.
Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu cơ sở khoa học, xác định các yếu tố ảnh hƣởng của máy nghiền bột giấy dạng đĩa đến chất lƣợng bột giấy và tiêu thụ năng lƣợng riêng. Các mục tiêu cụ thể là: - Khảo sát các loại nguyên liệu nghiền, so sánh và đánh giá chất lƣợng theo tiêu chuẩn. - Lựa chọn các thông số cơ bản của kết cấu đĩa nghiền, thông số vận hành máy có ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng và năng lƣợng nghiền. - Xây dựng bộ thông số chế tạo mô hình thực nghiệm, mô tả đƣợc điều kiện làm việc của các máy nghiền thực tế.
- Xác định quan hệ giữa góc nghiêng răng nghiền, khe hở đĩa nghiền, tốc độ nghiền, lƣu lƣợng bột giấy và chất lƣợng bột giấy (chiều dài sợi, độ nghiền, độ bền), năng lƣợng nghiền (số kWh/ tấn sản phẩm). - Xác định bộ thông số tối ƣu để chiều dài sợi đạt 0.0 mm, độ nghiền đạt 35 - 380SR và năng lƣợng nghiền riêng đạt dƣới 50 kWh/t. - Triển khai ứng dụng thực tế. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3.
Đối tƣợng nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu chính của đề tài là quá trình nghiền tinh bột giấy sử dụng máy nghiền đĩa ở Việt Nam. Bột nguyên liệu đầu vào của quá trình nghiền tinh là bột trộn hỗn hợp giữa bột sản phẩm nội địa và bột nhập ngoại, hiện đang đƣợc sử dụng phổ biến trong các nhà máy sản xuất giấy tại Việt Nam. Các thông số vận hành cũng nhƣ thông số kết cấu của đĩa dùng cho quá trình nghiền là các đối Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn/ 5 tƣợng nghiên cứu cụ thể của đề tài. Chất lƣợng bột giấy (đo theo tiêu chuẩn hiện hành) và công suất tiêu thụ điện năng là các thông số chính đƣợc sử dụng để đánh giá kết quả của đề tài.
Các thông số đánh giá mục tiêu Mục tiêu nghiên cứu chính là nâng cao chất lƣợng bột giấy đƣợc nghiền và giảm tiêu thụ năng lƣợng riêng khi nghiền. Chất lƣợng bột giấy có thể đƣợc đánh giá qua một loạt thông số. Trong thực tế sản xuất cũng nhƣ trong các nghiên cứu khoa học về bột giấy và nghiền bột giấy, ngƣời ta thƣờng đánh giá chất lƣợng bột giấy thông qua độ nghiền (0SR), chiều dài sợi, độ bền kéo, và độ bền xé. Thiết bị cũng nhƣ nguyên tắc đánh giá chất lƣợng thông qua thông số này sẽ đƣợc trình bày trong chƣơng 4.
Năng lƣợng tiêu thụ khi nghiền đƣợc đánh giá tổng hợp, bao gồm năng lƣợng tiêu tốn trực tiếp trong quá trình nghiền và các thành phần tiêu tốn khác, chẳng hạn: năng lƣợng cơ tiêu tốn để thắng ma sát trong các hệ thống truyền động, động cơ. Năng lƣợng tiêu thụ có thể đo một cách đơn giản bằng công tơ điện hoặc đo mô men trục nghiền. Chƣơng 4 sẽ phân tích chi tiết hơn về thông số này. Phạm vi nghiên cứu Trong điều kiện thực hiện đề tài, phạm vi nghiên cứu đƣợc giới hạn nhƣ sau: - Đề tài chỉ khảo sát quá trình nghiền tinh bột giấy, sử dụng bột hỗn hợp đang đƣợc dùng trong sản xuất giấy thực tế tại Việt Nam.
- Thiết bị thực nghiệm quá trình nghiền là mô hình đƣợc xây dựng dựa trên thiết bị nghiền công nghiệp và thiết bị nghiền thí nghiệm thông dụng.