Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành chế biến gỗ, sấy là công đoạn quan trọng nhằm giảm độ ẩm, tăng độ bền và ổn định kích thước sản phẩm. Việt Nam hiện có hơn 1.000 doanh nghiệp chế biến gỗ, với tốc độ tăng trưởng xuất khẩu bình quân 15,5%/năm, đạt kim ngạch khoảng 9,3 tỷ USD/năm giai đoạn 2016-2020. Tuy nhiên, phần lớn các lò sấy hiện nay sử dụng nhiên liệu hóa thạch như than, khí đốt, gây phát thải CO2 và ô nhiễm môi trường. Do đó, việc ứng dụng công nghệ sấy sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT) là hướng đi bền vững, thân thiện môi trường và tiết kiệm chi phí nhiên liệu.

Luận văn tập trung nghiên cứu lò sấy gỗ keo xẻ sử dụng NLMT tại Khu Nghiên cứu và Triển khai công nghệ Cổ Nhuế, Hà Nội. Mục tiêu chính là phân tích ảnh hưởng của bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường đến hiệu suất sấy, khả năng xả ẩm, giữ nhiệt của lò sấy, đồng thời đánh giá hiệu quả giảm phát thải CO2 so với lò sấy truyền thống. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các mùa nắng và ít nắng trong năm, với dung tích lò sấy 25 m³, tập trung vào gỗ keo xẻ kích thước 600 × 24 × 80 mm.

Nghiên cứu có ý nghĩa lớn trong việc phát triển công nghệ sấy thân thiện môi trường, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm gỗ, giảm chi phí vận hành và phát thải khí nhà kính trong ngành chế biến gỗ tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết sấy gỗ: Quá trình sấy là sự bay hơi nước từ gỗ thông qua dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Độ ẩm gỗ giảm dần từ trạng thái ban đầu (~30-40%) xuống mức độ ẩm cân bằng (EMC) và độ ẩm bão hòa thớ gỗ (~25% đối với gỗ keo). Quá trình sấy gồm ba giai đoạn: gia nhiệt và cân bằng độ ẩm, giảm ẩm đến độ bão hòa thớ gỗ, và sấy khô đến độ ẩm mong muốn (6-12%).

  • Mô hình hấp thụ năng lượng mặt trời: Lớp phủ hấp thụ NLMT có cấu trúc đa lớp gồm polymer trong suốt, lớp hấp thụ nhiệt chứa graphite biến tính và lớp bảo vệ. Graphite hấp thụ ánh sáng khả kiến, titan nano hấp thụ bước sóng hồng ngoại, giúp hiệu suất hấp thụ đạt ~95% trên dải bước sóng rộng.

  • Nguyên lý sấy gián tiếp: Năng lượng mặt trời được hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt năng làm nóng không khí trong buồng sấy. Hệ thống quạt tuần hoàn không khí nóng, quạt xả ẩm và lấy không khí tươi điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm trong lò, đảm bảo quá trình sấy hiệu quả và đồng đều.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu thu thập từ lò sấy NLMT dung tích 25 m³ tại Khu Nghiên cứu và Triển khai công nghệ Cổ Nhuế, Hà Nội. Dữ liệu gồm nhiệt độ, độ ẩm trong và ngoài lò, năng lượng bức xạ mặt trời, độ ẩm gỗ keo xẻ trong quá trình sấy.

  • Phương pháp đo đạc: Sử dụng hệ thống cảm biến nhiệt độ, độ ẩm trong buồng sấy và ngoài trời; solarimeter đo năng lượng bức xạ mặt trời; cảm biến solamoist đo độ ẩm gỗ trực tiếp trong ruột và bề mặt gỗ. Phân tích vật liệu lớp phủ bằng SEM, EDX, phổ hồng ngoại FTIR, giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) và phổ UV-Vis.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích cấu trúc và thành phần lớp phủ hấp thụ NLMT; đánh giá nhiệt độ buồng sấy theo điều kiện thời tiết mùa nắng và ít nắng; đo tốc độ giảm ẩm gỗ keo xẻ; tính toán hiệu quả giảm phát thải CO2 so với lò sấy dùng than và điện.

  • Timeline nghiên cứu: Thu thập và phân tích dữ liệu thực nghiệm trong các mùa nắng (hè, thu) và ít nắng (đông, xuân) năm 2020-2021, với các đợt sấy thử nghiệm liên tục để đánh giá hiệu suất lò sấy.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cấu trúc và thành phần lớp phủ hấp thụ NLMT: Lớp phủ có cấu trúc ba lớp gồm hai lớp nylon polymer (polyethylene) bảo vệ và lớp hấp thụ nhiệt giữa chứa graphite đa lớp và titan nano. Hiệu suất hấp thụ năng lượng mặt trời đạt khoảng 95% trên dải bước sóng từ tử ngoại đến hồng ngoại gần.

  2. Nhiệt độ buồng sấy theo mùa và điều kiện thời tiết:

    • Mùa nhiều nắng (ngày 26/05/2021), năng lượng bức xạ mặt trời đạt cực đại ~820 W/m², nhiệt độ buồng sấy duy trì ~50°C, cao hơn nhiệt độ ngoài trời 17-18°C.
    • Ban đêm mùa nắng, nhiệt độ buồng sấy giữ được ~37°C lúc nửa đêm, cao hơn môi trường ngoài 7°C, thể hiện khả năng giữ nhiệt tốt.
    • Mùa ít nắng (ngày 19/12/2020), nhiệt độ buồng sấy đạt tối đa ~27°C, cao hơn ngoài trời 10°C, dù năng lượng bức xạ mặt trời thấp.

  3. Khả năng xả ẩm và tốc độ giảm ẩm gỗ keo xẻ: Quá trình sấy được điều khiển qua ba giai đoạn, đảm bảo độ ẩm gỗ giảm đều từ ~30% xuống 6-12% mà không gây cong vênh hay nứt nẻ. Độ chênh lệch độ ẩm giữa lõi và bề mặt gỗ luôn ≤5%, đảm bảo chất lượng gỗ sau sấy.

  4. Hiệu quả giảm phát thải CO2: Lò sấy sử dụng NLMT giảm được khoảng 50% chi phí năng lượng và phát thải CO2 so với lò sấy dùng than hoặc điện, góp phần giảm ô nhiễm môi trường và chi phí vận hành.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy lò sấy NLMT thế hệ mới vận hành hiệu quả trong điều kiện khí hậu Việt Nam, đặc biệt là tại Hà Nội với sự biến đổi rõ rệt giữa mùa nắng và ít nắng. Lớp phủ hấp thụ nhiệt có cấu trúc đa lớp và thành phần graphite biến tính giúp tối ưu hóa hấp thụ năng lượng mặt trời, đồng thời titan nano hấp thụ bước sóng hồng ngoại, tăng hiệu suất nhiệt.

Nhiệt độ buồng sấy cao hơn môi trường ngoài từ 10-18°C tùy điều kiện thời tiết, cho thấy khả năng giữ nhiệt và cung cấp nhiệt ổn định cho quá trình sấy. Việc kiểm soát độ ẩm và nhiệt độ trong lò giúp giảm thiểu khuyết tật gỗ như cong vênh, nứt nẻ, nâng cao chất lượng sản phẩm.

So với các nghiên cứu trước đây về lò sấy NLMT trên thế giới, thời gian sấy giảm đáng kể so với phương pháp hong phơi tự nhiên, đồng thời chất lượng gỗ được cải thiện. Hiệu quả giảm phát thải CO2 và tiết kiệm năng lượng cũng phù hợp với xu hướng phát triển bền vững trong ngành chế biến gỗ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ nhiệt độ buồng sấy và môi trường theo thời gian, biểu đồ tốc độ giảm ẩm gỗ, bảng so sánh phát thải CO2 giữa các loại lò sấy, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của công nghệ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai rộng rãi lò sấy NLMT trong ngành chế biến gỗ: Khuyến khích các doanh nghiệp chế biến gỗ tại các vùng có điều kiện khí hậu phù hợp áp dụng công nghệ lò sấy NLMT để giảm chi phí năng lượng và phát thải khí nhà kính. Thời gian thực hiện: 1-3 năm.

  2. Nâng cấp hệ thống điều khiển tự động và cảm biến: Cải tiến hệ thống điều khiển để tối ưu hóa quá trình sấy, tự động điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm theo điều kiện thời tiết và trạng thái gỗ, nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm. Chủ thể thực hiện: Trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

  3. Phát triển vật liệu hấp thụ nhiệt mới: Nghiên cứu và ứng dụng các vật liệu hấp thụ nhiệt có hiệu suất cao hơn, bền vững và chi phí thấp để thay thế hoặc bổ sung lớp phủ hiện tại, tăng hiệu quả chuyển đổi năng lượng mặt trời. Thời gian nghiên cứu: 2-4 năm.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho người vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật vận hành lò sấy NLMT, hướng dẫn kiểm soát quy trình sấy, bảo trì thiết bị nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả và bền vững. Chủ thể: Các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp chế biến gỗ và nông sản: Nắm bắt công nghệ sấy NLMT để áp dụng vào sản xuất, giảm chi phí năng lượng và nâng cao chất lượng sản phẩm.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ năng lượng và chế biến gỗ: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, phân tích vật liệu hấp thụ nhiệt và đánh giá hiệu suất lò sấy NLMT.

  3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Đánh giá tiềm năng ứng dụng công nghệ sạch trong ngành công nghiệp chế biến, xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển bền vững.

  4. Nhà sản xuất thiết bị công nghệ năng lượng mặt trời: Phát triển và cải tiến sản phẩm dựa trên kết quả nghiên cứu về cấu trúc lớp phủ và hiệu suất hấp thụ năng lượng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Lò sấy NLMT có thể hoạt động hiệu quả trong mùa ít nắng không?
    Lò sấy vẫn duy trì nhiệt độ buồng sấy cao hơn môi trường ngoài khoảng 10°C trong mùa ít nắng nhờ cấu trúc lớp phủ và khả năng giữ nhiệt, tuy nhiên hiệu suất giảm so với mùa nắng. Việc bổ sung hệ thống hỗ trợ nhiệt có thể cải thiện hiệu quả.

  2. Quá trình sấy có gây cong vênh hoặc nứt nẻ gỗ không?
    Nhờ kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm trong lò, đặc biệt duy trì độ chênh lệch độ ẩm giữa lõi và bề mặt gỗ ≤5%, quá trình sấy giảm thiểu cong vênh và nứt nẻ, đảm bảo chất lượng gỗ sau sấy.

  3. Lò sấy NLMT có tiết kiệm chi phí so với lò sấy truyền thống?
    Lò sấy NLMT giảm khoảng 50% chi phí năng lượng và phát thải CO2 so với lò sấy dùng than hoặc điện, mang lại lợi ích kinh tế và môi trường rõ rệt.

  4. Làm thế nào để đo độ ẩm gỗ trong quá trình sấy?
    Sử dụng cảm biến solamoist đo trực tiếp độ ẩm trong ruột và bề mặt gỗ dựa trên nguyên lý đo trở kháng điện, cho kết quả nhanh và chính xác, dữ liệu được lưu trữ tự động.

  5. Có thể áp dụng công nghệ này cho các loại gỗ khác không?
    Công nghệ phù hợp với nhiều loại gỗ, tuy nhiên cần điều chỉnh quy trình sấy theo đặc tính từng loại gỗ về độ ẩm ban đầu, kích thước và tính chất vật lý để đạt hiệu quả tối ưu.

Kết luận

  • Lò sấy sử dụng năng lượng mặt trời với lớp phủ hấp thụ nhiệt đa lớp chứa graphite và titan nano đạt hiệu suất hấp thụ năng lượng ~95%.
  • Nhiệt độ buồng sấy duy trì cao hơn môi trường ngoài từ 10-18°C, đảm bảo hiệu quả sấy trong cả mùa nắng và ít nắng.
  • Quá trình sấy gỗ keo xẻ được kiểm soát tốt, giảm độ ẩm từ ~30% xuống 6-12% mà không gây cong vênh hay nứt nẻ.
  • Lò sấy NLMT giảm khoảng 50% chi phí năng lượng và phát thải CO2 so với lò sấy truyền thống, góp phần bảo vệ môi trường.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ sấy thân thiện môi trường, đề xuất triển khai rộng rãi và nâng cấp hệ thống điều khiển để tối ưu hiệu suất.

Next steps: Mở rộng thử nghiệm với các loại gỗ khác, phát triển vật liệu hấp thụ mới và hoàn thiện hệ thống điều khiển tự động. Hành động ngay để ứng dụng công nghệ sấy NLMT, góp phần phát triển ngành chế biến gỗ bền vững tại Việt Nam.