Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu sản xuất viên nhiên liệu dân dụng từ vỏ hạt cà phê

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu sản xuất viên nhiên liệu từ vỏ hạt cà phê, góp phần phát triển năng lượng tái tạo và bảo vệ môi trường.

• Tác giả: Lê Quý Anh Quang
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Vĩnh Khanh
• Trường học: Đại học Quốc gia TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa dầu
• Đề tài: Nghiên Cứu Sản Xuất Viên Nhiên Liệu Dân Dụng Từ Vỏ Hạt Cà Phê
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: TP.HCM

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ LUẬN VĂN
• DANH SÁCH HÌNH VẼ
• DANH SÁCH BẢNG BIỂU
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về viên nhiên liệu
• 1.1.1. Quá trình phát triển nhiên liệu từ nguồn sinh khối
• 1.1.2. Một số tiêu chuẩn về viên nhiên liệu
• 1.1.3. Thị trường viên nhiên liệu trên thế giới
• 1.2. Vỏ hạt cà phê
• 1.2.1. Lịch sử phát triển cây cà phê ở Việt Nam
• 1.2.2. Phân loại cây cà phê
• 1.2.3. Cây cà phê ở Đồng Nai
• 1.2.4. Vỏ hạt cà phê
• 1.3. Nhựa thải
• 1.3.1. Nhựa thải có trong chất thải rắn
• 1.3.2. Các phương pháp tái chế
• 1.3.3. Các hướng xử lý loại nhựa thải không thể tái chế
• 1.4. Thiết bị tạo viên – Máy đùn ép
• 1.4.1. Công nghệ đùn
• 1.4.2. Cấu tạo của máy đùn ép
• 2. CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Lựa chọn công nghệ
• 2.2. Quy trình tạo viên
• 2.3. Vỏ hạt cà phê
• 2.4. Thiết bị dành cho thực nghiệm
• 2.5. Quy trình đùn ép
• 2.6. Phương pháp đo kiểm các tính chất của sản phẩm
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ & BÀN LUẬN
• 3.1. Kết quả phân tích
• 3.1.1. Xác định hiệu suất thu hồi của sản phẩm
• 3.1.2. Khối lượng riêng
• 3.2. Xem xét quá trình cháy của sản phẩm và thành phần khí thải
• 3.2.1. Quá trình cháy của sản phẩm
• 3.2.2. So sánh với Quy chuẩn khí thải trong công nghiệp
• 3.3. Tính toán sơ bộ giá thành sản phẩm
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 4.1. Những kết quả đạt được từ đề tài nghiên cứu
• 4.2. Những vấn đề cần có thời gian khảo sát thêm
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về nghiên cứu

Nghiên cứu sản xuất viên nhiên liệu từ vỏ hạt cà phê và nhựa thải nhằm giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường và lãng phí tài nguyên. Với khối lượng vỏ hạt cà phê thải ra hàng năm lên đến 700.000 tấn, việc tận dụng nguồn nguyên liệu này để sản xuất nhiên liệu sinh học là cần thiết. Đề tài tập trung vào việc phát triển công nghệ sản xuất nhiên liệu từ hai nguồn nguyên liệu rẻ tiền và sẵn có, đồng thời nghiên cứu quy trình sản xuất và đánh giá hiệu suất của sản phẩm. Công nghệ đùn ép được lựa chọn vì tính đơn giản và hiệu quả kinh tế.

1.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là xác định các điều kiện tối ưu trong quy trình sản xuất nhiên liệu từ vỏ hạt cà phê và nhựa thải. Nghiên cứu sẽ đánh giá các tính chất cơ lý của nguyên liệu và sản phẩm, từ đó đề xuất phương pháp tối ưu hóa quy trình sản xuất nhiên liệu sinh học. Một trong những mục tiêu quan trọng là so sánh thành phần khí thải của sản phẩm với tiêu chuẩn môi trường, từ đó xem xét khả năng ứng dụng của sản phẩm trong việc thay thế nhiên liệu hóa thạch.

II. Tính chất và ứng dụng của nguyên liệu

Vỏ hạt cà phê và nhựa thải là hai nguồn nguyên liệu chính trong nghiên cứu. Vỏ hạt cà phê có hàm lượng lưu huỳnh thấp và là nguồn nguyên liệu tái tạo, trong khi nhựa thải (bao gồm PE, PP, PS) có nhiệt trị cao nhưng khó phân hủy. Việc kết hợp hai loại nguyên liệu này không chỉ giúp khắc phục nhược điểm của từng loại mà còn tạo ra sản phẩm nhiên liệu sinh học có tính chất tốt hơn. Nghiên cứu chỉ ra rằng tỷ lệ vỏ hạt cà phê trong sản phẩm có thể đạt đến 80%, với nhựa thải đóng vai trò là chất kết dính, tạo ra viên nhiên liệu có khối lượng riêng cao và dễ cháy.

2.1 Đặc điểm của vỏ hạt cà phê

Vỏ hạt cà phê có khối lượng riêng thấp (140 ~ 170 kg/m3) và nhiệt trị không cao, điều này tạo ra thách thức trong việc sử dụng làm nhiên liệu. Tuy nhiên, việc kết hợp với nhựa thải giúp tăng khối lượng riêng của viên nhiên liệu lên khoảng 950 kg/m3, gấp 6 lần so với nguyên liệu ban đầu. Đặc biệt, sản phẩm thu được dễ cháy và cháy hoàn toàn, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao trong quá trình sử dụng. Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

III. Quy trình sản xuất và đánh giá hiệu suất

Quy trình sản xuất nhiên liệu từ vỏ hạt cà phê và nhựa thải được thực hiện thông qua công nghệ đùn ép có gia nhiệt. Nghiên cứu xác định rằng nhiệt độ đùn ép và tỷ lệ thành phần nguyên liệu là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Kết quả cho thấy, viên nhiên liệu có hàm lượng SO2 và NOx trong khí thải nằm trong giới hạn cho phép theo quy chuẩn khí thải QCVN 19:2009/BTNMT. Điều này chứng tỏ rằng sản phẩm không chỉ đáp ứng tiêu chuẩn môi trường mà còn có tiềm năng lớn trong việc thay thế nhiên liệu hóa thạch.

3.1 Đánh giá hiệu suất sản phẩm

Sản phẩm thu được từ quy trình sản xuất cho thấy hiệu suất tốt với nhiệt trị cao hơn 25% so với vỏ hạt cà phê. Việc đánh giá thành phần khí thải và hiệu suất cháy của sản phẩm cho thấy rằng sản phẩm có khả năng cạnh tranh với các loại nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Kết quả nghiên cứu cũng mở ra hướng đi mới cho việc phát triển nhiên liệu sinh học, góp phần vào sự phát triển bền vững và bảo vệ môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là quốc gia xuất khẩu cà phê vối hàng đầu thế giới với sản lượng đạt trên 1,17 triệu tấn mỗi niên vụ, kéo theo lượng phụ phẩm vỏ hạt cà phê thải ra môi trường lên tới 700.000 tấn mỗi năm. Phần lớn khối lượng phụ phẩm này hiện bị đổ thải trực tiếp hoặc đốt lộ thiên, gây ô nhiễm đất, nguồn nước và phát tán khí thải độc hại do chứa hàm lượng xenlulo 63,2% và lignin 17,7% rất khó phân hủy tự nhiên. Cùng với đó, rác thải nhựa đô thị chiếm từ 3% đến 14% tổng lượng chất thải rắn, chủ yếu là các loại màng nhựa PE, PP và PS dùng một lần không thể tái chế cơ học, đang tạo áp lực lớn lên các bãi chôn lấp. Ngoài ra, vỏ hạt cà phê có khối lượng riêng đổ đống rất thấp, chỉ dao động từ 140 kg/m³ đến 170 kg/m³, gây khó khăn và tốn kém lớn cho công tác lưu trữ, vận chuyển thương mại.

Nghiên cứu được thực hiện tại Khoa Kỹ thuật Hóa học thuộc Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM nhằm giải quyết triệt để hai bài toán môi trường trên thông qua công nghệ đùn ép có gia nhiệt. Đề tài tập trung xác lập các thông số công nghệ tối ưu để sản xuất viên nhiên liệu rắn dân dụng và công nghiệp từ hỗn hợp vỏ hạt cà phê phối trộn nhựa thải với tỷ lệ sinh khối lên đến 80% khối lượng. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi tạo ra sản phẩm viên nhiên liệu đạt khối lượng riêng lên tới 950 - 965 kg/m³ (tăng gấp 6 lần so với nguyên liệu thô), đồng thời nâng nhiệt trị thương phẩm đạt mức 20,71 - 25,79 MJ/kg. Thành công này mở ra tiềm năng thay thế trực tiếp than đá và các dạng nhiên liệu hóa thạch truyền thống trong các lò hơi công nghiệp và sấy nông sản.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên sự tích hợp của hai nền tảng lý thuyết cốt lõi trong kỹ thuật hóa dầu và công nghệ vật liệu:

1. Lý thuyết nén ép và biến tính nhiệt sinh khối (Biomass Thermal Densification): Giải thích sự sắp xếp lại cấu trúc hạt, quá trình thoát ẩm và hiện tượng nhiệt phân bán phần (torrefaction) của các hợp chất cao phân tử tự nhiên như xenlulo, hemixenlulo và lignin dưới tác động đồng thời của nhiệt độ từ 160°C đến 250°C và ứng suất cắt trong nòng đùn.
2. Lý thuyết phối trộn và liên kết polymer nhiệt dẻo (Thermoplastic Polymer Blending Theory): Cơ chế chuyển pha của các màng nhựa thải (PE nóng chảy ở ~130°C, PP nóng chảy ở ~160°C) tạo thành một pha nền liên tục (matrix), len lỏi và bao bọc lấy các mảnh vỏ cà phê (filler) đóng vai trò làm chất kết dính kỵ nước, tăng cường liên kết cơ học và mật độ năng lượng.

Nghiên cứu vận dụng 4 khái niệm khoa học then chốt bao gồm: Nhiệt trị nhiên liệu (Calorific value), Khối lượng riêng đổ đống (Bulk density), Độ bền nén cơ học (Compressive strength) và Hiệu suất thu hồi đùn ép (Extrusion yield).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được xây dựng từ quy trình thu thập mẫu thực tế gồm vỏ cà phê vối tại huyện Cẩm Mỹ (Đồng Nai) có độ ẩm ban đầu 26,6%, khối lượng riêng 158,4 kg/m³ và nhựa thải sinh hoạt thu gom từ cơ sở tái chế với nhiệt trị cơ sở 29,5 MJ/kg, độ ẩm 1,37%. Phương pháp chọn mẫu phân tầng có chủ đích được áp dụng để thiết lập 16 tổ hợp công thức thực nghiệm (từ M60 đến M90) tương ứng với 4 tỷ lệ phối trộn vỏ cà phê (60%, 70%, 80%, 90% khối lượng), 3 chế độ nhiệt độ đùn (200°C, 220°C, 250°C) và 3 dải độ ẩm nguyên liệu kiểm soát (15%, 20%, 25%).

Thiết bị nghiên cứu chính là máy đùn trục vít đơn công suất 5 Hp, đường kính trục vít 50 mm, chiều dài 1,2 m và tốc độ quay 85 - 90 vòng/phút, trang bị 3 vùng gia nhiệt độc lập (T1 nạp liệu: 100 - 150°C, T2 nóng chảy: 160 - 210°C, T3 định hình: 200 - 250°C). Các chỉ tiêu kỹ thuật được phân tích bằng hệ thống phương pháp chuẩn hóa quốc tế:

• Nhiệt trị đo bằng bom nhiệt lượng kế Parr 6300 theo tiêu chuẩn TCVN 200:2007.
• Độ bền nén xác định theo tiêu chuẩn ASTM D695.
• Hàm lượng ẩm phân tích theo tiêu chuẩn ASTM E871.
• Thành phần khí thải (CO, SO2, NOx) trong quá trình cháy được đo kiểm bằng thiết bị phân tích khí chuyên dụng qua mô hình lò đốt thực nghiệm, đối chiếu với Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 19:2009/BTNMT.

Lý do lựa chọn hệ phương pháp này là nhằm đảm bảo độ lặp lại chính xác của số liệu thực nghiệm, đánh giá toàn diện từ tính chất cơ lý, nhiệt động học đến mức độ an toàn môi trường của sản phẩm nhiên liệu rắn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đã ghi nhận 4 phát hiện quan trọng có ý nghĩa quyết định đến chất lượng viên nhiên liệu:

• Tăng mật độ khối lượng riêng vượt bậc: Mẫu sản phẩm phối trộn 70% vỏ cà phê đùn ở nhiệt độ 200°C (mẫu M70-200) đạt khối lượng riêng trung bình 965 kg/m³, cao hơn gấp 6,1 lần so với vỏ cà phê thô ban đầu (158,4 kg/m³). Hình dạng lăng trụ lục giác đều cạnh 12 mm được định hình sắc nét, cấu trúc đặc chắc.
• Nâng cao giá trị nhiệt năng thương phẩm: Nhiệt trị thực tế của viên nhiên liệu dao động ấn tượng từ 20,71 MJ/kg đến 25,79 MJ/kg. Cụ thể, mẫu chứa 70% vỏ cà phê đạt mức nhiệt trị cao hơn 25% đến 50% so với vỏ cà phê nguyên chất (16,2 MJ/kg), cao gấp 2 lần củi ép từ trấu (11,72 MJ/kg) và vượt hơn 20% so với củi mùn cưa (17,58 MJ/kg).
• Quy luật về hiệu suất thu hồi quá trình đùn: Hiệu suất thu hồi đạt mức cao và ổn định từ 76% đến 82% khi tỷ lệ vỏ cà phê duy trì ở mức 60% - 80% trong dải nhiệt độ 200 - 220°C. Tuy nhiên, khi tăng tỷ lệ vỏ cà phê lên 90% hoặc nâng nhiệt độ đùn lên ngưỡng 250°C, hiệu suất thu hồi sụt giảm mạnh xuống chỉ còn 34% - 38% do hiện tượng phân hủy nhiệt mạnh và thiếu hụt chất kết dính polymer.
• Độ bền nén và kiểm soát khí thải đạt chuẩn: Độ bền nén của sản phẩm đạt từ 2,5 MPa đến 3,2 MPa ở dải độ ẩm nguyên liệu dưới 15%. Khí thải sinh ra khi đốt cháy viên nhiên liệu có nồng độ SO2 và NOx rất thấp, hoàn toàn nằm trong giới hạn cho phép của Quy chuẩn môi trường QCVN 19:2009/BTNMT.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tạo liên kết vững chắc trong viên nhiên liệu được giải thích nhờ tác động nhiệt độ vùng đùn từ 160°C đến 200°C làm nhựa thải PE/PP nóng chảy hoàn toàn, điền đầy các lỗ xốp tế vi giữa các mảnh lignocellulose. Dưới áp lực nén của trục vít, hỗn hợp được đồng hóa thành một thể thống nhất. Khi nhiệt độ vượt quá 220°C lên 250°C, quá trình than hóa vỏ cà phê diễn ra mạnh kết hợp với sự bay hơi nhanh của các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi làm viên nén trở nên xốp rỗng, dẫn đến khối lượng riêng mẫu M70 giảm từ 965 kg/m³ xuống 717 kg/m³ và độ bền cơ học suy giảm rõ rệt. Về độ ẩm, khi nguyên liệu có độ ẩm cao trên 20%, hơi nước thoát ra mãnh liệt trong nòng đùn tạo nhiều vi vết nứt, làm giảm tính liên kết bề mặt.

Khi trực quan hóa dữ liệu qua biểu đồ đường biến thiên nhiệt độ - khối lượng riêng và bảng so sánh đa chỉ tiêu, có thể thấy rõ đường cong nhiệt trị của viên nhiên liệu vỏ cà phê tiệm cận với than ít bitum loại B (22,15 - 24,49 MJ/kg) và than loại C (19,35 - 22,15 MJ/kg), đồng thời tương đương 50% nhiệt trị của dầu công nghiệp FO/DO (41,13 - 43,14 MJ/kg). Phát hiện này chứng minh viên nhiên liệu hỗn hợp sinh khối - nhựa thải hoàn toàn đủ tiêu chuẩn kỹ thuật để thay thế nhiên liệu khoáng trong sản xuất công nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết luận thực nghiệm, 4 nhóm giải pháp trọng tâm được đề xuất nhằm thương mại hóa quy trình:

• Công nghiệp hóa dây chuyền đùn ép liên tục: Thiết kế và chế tạo hệ thống máy đùn trục vít đôi công suất từ 500 kg/giờ đến 1.000 kg/giờ tích hợp hệ thống kiểm soát nhiệt tự động 3 vùng (100°C - 160°C - 200°C). Mục tiêu nâng hiệu suất thu hồi sản phẩm đạt trên 85% và tiết kiệm 15% điện năng tiêu thụ, hoàn thành trong giai đoạn 6 tháng đầu năm bởi các doanh nghiệp chế tạo cơ khí phối hợp cùng các viện nghiên cứu.
• Chuẩn hóa công nghệ tiền xử lý nguyên liệu tại nguồn: Xây dựng hệ thống phơi sấy năng lượng mặt trời kết hợp thiết bị sàng lọc tạp chất cơ học tại các vựa cà phê lớn. Mục tiêu duy trì độ ẩm nguyên liệu vỏ cà phê ổn định ở mức 10% - 12% và độ ẩm nhựa thải dưới 1,5%, giảm tỷ lệ hư hỏng khuôn nén xuống dưới 2%, thực hiện trong vòng 9 tháng bởi các hợp tác xã và cơ sở sơ chế nông sản.
• Thử nghiệm đốt thay thế than đá trong lò hơi công nghiệp: Triển khai phương án đốt phối trộn từ 30% đến 50% viên nhiên liệu vỏ cà phê vào các lò hơi tầng sôi và lò sấy nông sản (tiêu, điều, chè) tại khu vực Đông Nam Bộ và Tây Nguyên. Mục tiêu cắt giảm 20% - 25% chi phí nhiên liệu đốt và giảm 30% phát thải bụi than, thực hiện trong khung thời gian 12 tháng bởi các doanh nghiệp sản xuất nông nghiệp.
• Hoàn thiện chính sách ưu đãi và tín chỉ carbon: Đăng ký kiểm định chất lượng sản phẩm theo tiêu chuẩn quốc gia và xây dựng hồ sơ chứng nhận giảm phát thải khí nhà kính cho chuỗi tái chế. Mục tiêu tiếp cận các nguồn quỹ đầu tư xanh và miễn giảm thuế bảo vệ môi trường, thực hiện trong lộ trình 1 - 2 năm bởi Sở Khoa học và Công nghệ cùng Sở Tài nguyên và Môi trường các địa phương.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và số liệu chuyên sâu của luận văn đem lại giá trị ứng dụng thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Giảng viên, nghiên cứu viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật Hóa dầu, Năng lượng tái tạo: Tiếp cận hệ thống cơ sở dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác về công nghệ đùn ép composite sinh khối - polymer, quy luật biến tính nhiệt và phương pháp phân tích nhiệt trị bom nhiệt lượng kế để phát triển các công trình nghiên cứu mở rộng.
• Doanh nghiệp sản xuất viên nén năng lượng sinh khối: Ứng dụng trực tiếp thông số tỷ lệ phối trộn (70% vỏ cà phê : 30% nhựa thải) và chế độ nhiệt độ (200°C) để cải tiến công nghệ sản xuất, gia tăng độ bền nén và nâng nhiệt trị sản phẩm cạnh tranh trực tiếp với viên nén gỗ xuất khẩu.
• Chủ cơ sở chế biến cà phê và các hợp tác xã nông nghiệp: Nắm bắt quy trình xử lý triệt để hàng trăm ngàn tấn phế phẩm sau thu hoạch, chuyển hóa nguồn vỏ cà phê gây ô nhiễm thành sản phẩm thương mại có giá trị gia tăng cao, phục vụ khép kín chuỗi kinh tế tuần hoàn tại địa phương.
• Kỹ sư vận hành lò hơi và nhà quản lý môi trường tại các khu công nghiệp: Tham khảo giải pháp thay thế than đá bằng nhiên liệu sinh khối sạch, giúp tối ưu hóa chi phí vận hành lò đốt và đáp ứng các quy định nghiêm ngặt về khí thải theo QCVN 19:2009/BTNMT.

Câu hỏi thường gặp

Tỷ lệ phối trộn vỏ hạt cà phê và nhựa thải nào cho chất lượng viên nhiên liệu tối ưu nhất? Tỷ lệ tối ưu được xác lập qua thực nghiệm là 70% vỏ hạt cà phê kết hợp 30% nhựa thải ở nhiệt độ đùn 200°C. Công thức này cho khối lượng riêng cao nhất đạt 965 kg/m³, nhiệt trị đạt xấp xỉ 22 MJ/kg, hiệu suất thu hồi ổn định 80% và đảm bảo pha nhựa liên kết bền vững toàn bộ cấu trúc sinh khối.

Khí thải sinh ra trong quá trình đốt viên nhiên liệu này có đạt chuẩn môi trường không? Sản phẩm đốt cháy kiệt, tạo tro vụn không kết dính và khí thải hoàn toàn đạt Quy chuẩn quốc gia QCVN 19:2009/BTNMT. Do vỏ hạt cà phê có hàm lượng lưu huỳnh cực thấp và nhựa nhiệt dẻo PE/PP cháy triệt để trong môi trường giàu oxy, hàm lượng SO2 và NOx phát sinh thấp hơn đáng kể so với than đá thông thường.

Độ ẩm của nguyên liệu vỏ hạt cà phê ảnh hưởng trực tiếp thế nào đến độ bền nén của sản phẩm? Độ ẩm tối ưu cần kiểm soát là từ 10% đến 15%. Nếu độ ẩm vượt quá 20%, nước bốc hơi cực nhanh ở nhiệt độ đùn 200°C tạo nên các bọt khí và khe nứt tế vi bên trong khối lăng trụ, làm giảm độ bền nén cơ học từ 2,5 MPa xuống mức rất thấp, khiến viên nén dễ vỡ vụn khi vận chuyển.

Nhiệt trị của viên nhiên liệu vỏ cà phê so với các loại nhiên liệu đốt phổ biến khác ra sao? Viên nhiên liệu đạt nhiệt trị 20,71 - 25,79 MJ/kg, cao gấp đôi củi trấu ép (11,72 MJ/kg), vượt hơn 20% củi mùn cưa (17,58 MJ/kg) và tương đương than bitum công nghiệp loại B và C (19,35 - 24,49 MJ/kg), đủ năng lượng cung cấp cho các lò hơi công suất lớn.

Chi phí và tính khả thi khi triển khai công nghệ đùn ép một trục vít tại địa phương như thế nào? Công nghệ đùn ép gia nhiệt một trục vít có cấu tạo cơ khí đơn giản, chi phí đầu tư ban đầu thấp và tiêu thụ điện năng chỉ 5 kW cho cụm gia nhiệt. Mô hình hoàn toàn khả thi để lắp đặt tại chỗ ở các vùng nguyên liệu Đồng Nai, Đắk Lắk giúp giải quyết ngay bài toán rác thải mà không cần đầu tư dây chuyền phức tạp.

Kết luận

• Chế tạo thành công viên nhiên liệu rắn chất lượng cao từ hỗn hợp vỏ hạt cà phê (chiếm 70% - 80% khối lượng) và nhựa thải sinh hoạt không tái sinh.
• Tăng khối lượng riêng sản phẩm lên 950 - 965 kg/m³, cao gấp 6 lần so với nguyên liệu vỏ cà phê thô, giải quyết triệt để rào cản chi phí vận chuyển và kho bãi.
• Đạt dải nhiệt trị vượt trội từ 20,71 MJ/kg đến 25,79 MJ/kg, tương đương than đá chất lượng cao loại B, C và cao gấp 2 lần củi ép từ trấu.
• Đảm bảo an toàn sinh thái khi khí thải SO2 và NOx trong quá trình cháy đáp ứng nghiêm ngặt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 19:2009/BTNMT.
• Đóng góp giải pháp công nghệ kép hiệu quả, xử lý đồng thời 700.000 tấn vỏ cà phê và lượng lớn rác thải nhựa phát sinh hàng năm thành nguồn năng lượng xanh tái tạo.

Luận văn đã hoàn thiện trọn vẹn quy trình công nghệ từ khâu tiền xử lý, phối trộn, đùn ép gia nhiệt đến đánh giá phát thải. Trong giai đoạn 6 - 12 tháng tới, kế hoạch tiếp theo là nâng cấp thử nghiệm pilot trên hệ thống lò hơi công nghiệp công suất 1 tấn/giờ nhằm chuẩn hóa định mức kinh tế kỹ thuật. Các doanh nghiệp sản xuất năng lượng, cơ sở chế biến nông sản và nhà đầu tư quan tâm đến mô hình kinh tế tuần hoàn được khuyến khích liên hệ hợp tác, chuyển giao công nghệ để sớm đưa sản phẩm vào khai thác thương mại diện rộng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I.1 Tổng quan về viên nhiên liệu 1.1 Quá trình phát triển nhiên liệu từ nguồn sinh khối Nhu cầu về năng lượng trên thế giới không ngừng tăng cao, bên cạnh đó nguồn dự trữ năng lượng hóa thạch và dầu mỏ ngày càng cạn kiệt bắt buộc nhân loại phải tìm ra nguồn năng lượng mới có tính bền vững để đáp ứng nhu cầu cũng như giải quyết các vấn đề ô nhiễm môi trường do nguồn năng lượng truyền thống gây ra.1 Mức độ tiêu thụ năng lượng trên thế giới Một trong những hướng phát triển năng lượng sạch hiện nay là từ nguồn sinh khối nông nghiệp bao gồm trấu, rơm rạ, bã mía, gỗ vụn, mùn cưa,…. Có nhiều ứng dụng cho việc tận dụng nhiệt năng từ nguồn sinh khối: i) Đốt trực tiếp: - Dùng để thay thế hoàn toàn than đá trong nhà máy điện. - Nguồn sinh khối được nạp liệu và đốt trực tiếp trong lò hơi, làm quay tuabin hơi nước để phát điện. - Phương pháp đốt trực tiếp đạt hiệu suất đến 40%.

ii) Đốt cùng với than: - Sử dụng trong nhà máy điện - Nguồn sinh khối được đốt cháy cùng với than với tỷ lệ lên đến 20% sinh khối. - Hiệu suất đạt được từ 33 ~ 37%. 3 iii) Đồng phát nhiệt điện: - Nhiên liệu từ sinh khối được đốt cháy để phát điện và sinh nhiệt. - Ngoài việc tận dụng nguồn nhiệt phát sinh để quay tuabin hơi nước, phương pháp này còn tận dụng năng lượng từ chuyển động của dòng khí thoát ra để phát điện.

- Hiệu suất đạt được từ 75 ~ 90%. iv) Khí hóa: - Nguồn sinh khối được xử lý trong điều kiện thiếu oxy để sản sinh CO và H2. - Dòng khí này cung cấp năng lượng cho tuabin để phát điện. - Hiệu suất của phương pháp này đạt được 60%.2 Viên nén nhiên liệu và củi đốt Ngoài ra, phụ phế phẩm từ nông nghiệp sau khi thu gom từ đồng ruộng, cơ sở xay xát, nhà máy chế biến nông sản được nén lại thành viên nén nhiên liệu, củi đốt.3 Ứng dụng viên gỗ tại Châu Âu 4 1.2 Một số tiêu chuẩn về viên nhiên liệu Bảng 1.1 Tiêu chuẩn viên nhiên liệu [14] 1.3 Thị trường viên nhiên liệu trên thế giới Viên nhiên liệu từ gỗ được sử dụng ở Châu Âu lần đầu tiên cho nồi hơi của một số nhà máy tại Thụy điển vào năm 1970 và được phát triển mạnh kể từ năm 1991 khi chính phủ Thụy điển bắt đầu áp dụng chính sách thuế đặc biệt đối với nhiên liệu hóa thạch.

Từ khi nghị định thư Kyoto về khí thải được thông qua, các nước như Đan mạch, Đức, Hà lan, Canada, Hoa kỳ đã đẩy mạnh việc thay thể than đá bằng viên nhiên liệu. Nhu cầu tiêu thụ viên nhiên liệu trên thế giới ngày càng tăng do mức độ hiệu quả và tính thân thiện môi trường của nó.4 Nhu cầu viên nhiên liệu trên thế giới năm 2011 [15] Các nước sản xuất viên nhiên liệu từ gỗ chủ yếu gồm Hoa kỳ, Canada, Đức, Thụy điển. Sản lượng viên gỗ toàn thế giới khoảng 14 triệu tấn (2010). Quốc gia tiêu thụ viên gỗ nhiều nhất gồm có Hoa kỳ, Bỉ, Đan mạch, Hà lan.5 So sánh lượng sản xuất và tiêu thụ viên nhiên liệu 2009 [15] Đan mạch, Phần lan, Thụy điển sử dụng viên nhiên liệu cho cả hai mục đích phát điện và sưởi ấm, trong khi đó Áo, Pháp, Đức, Ý sử dụng chủ yếu cho sưởi ấm.2 Vỏ hạt cà phê 1.1 Lịch sử phát triển cây cà phê ở Việt nam Cây cà phê lần đầu tiên được trồng ở Việt nam vào năm 1857.

Vào đầu năm 1900, cà phê được trồng ở một số tỉnh phía Bắc như Tuyên quang, Lạng sơn và Ninh bình. Năm 1961 diện tích cà phê cả nước đạt khoảng 21,2 nghìn ha (sau 50 năm), năm 1981 diện tích khoảng 92 nghìn ha (sau 30 năm), năm 2001 diện tích cà phê cả nước đạt 473,5 nghìn ha (sau 10 năm). Sản lượng bình quân cả giai đoạn 2006 - 2011 đạt khoảng 1.025 nghìn tấn/năm, tăng 241 nghìn tấn so bình quân giai đoạn 2000 - 2005.6 Sản lượng cà phê Việt nam (1995-2011) [4] 6 Theo Tổng cục Thống kê, sản lượng cà phê cả nước năm 2011 đạt 1,17 triệu tấn, tăng 5% so với năm 2010. Hiệp hội Cà phê - Ca cao Việt Nam VICOFA dự báo, trong niên vụ 2011/12 (kéo dài từ tháng 10/2011 đến tháng 9/2012), sản lượng cà phê của cả nước có thể đạt khoảng 18,3 triệu bao.

Kiến thiết Sản lượng Tổng diện Kinh doanh Năng suất STT Địa phương cơ bản tích (ha) (ha) (tạ/ha) (1.000 tấn) (ha) 1 Đắk Lắk 200.300 7 Bình Phước 14.2 Diện tích - năng suất - sản lượng cà phê của các tỉnh niên vụ 2011 - 2012 [3] 1.2 Phân loại cây cà phê i) Cây cà phê chè Cà phê chè là tên gọi theo tiếng Việt của loài cà phê có (tên khoa học là: coffea arabica) do loài cà phê này có lá nhỏ, cây thường để thấp giống cây chè một loài cây công nghiệp phổ biến ở Việt Nam.7 Cây cà phê chè 7 Đây là loài có giá trị kinh tế nhất trong số các loài cây cà phê. Cà phê chè chiếm 61% các sản phẩm cà phê toàn thế giới. Brasil và Colombia là hai nước xuất khẩu chính loại cà phê này, chất lượng cà phê của họ cũng được đánh giá cao nhất. Cây cà phê arabica ưa sống ở vùng núi cao.

Người ta thường trồng nó ở độ cao từ 1000-1500 m. Quả hình bầu dục, mỗi quả chứa hai hạt cà phê. Việt Nam là nước xuất khẩu cà phê lớn thứ hai thế giới nhưng chủ yếu là cà phê vối. Năm 2005 dự kiến diện tích trồng cà phê chè mới đạt khoảng 10% tổng diện tích trồng cà phê cả nước (khoảng 40.

ii) Cây cà phê vối Cà phê vối (tên khoa học: Coffea canephora hoặc Coffea robusta) là cây quan trọng thứ hai trong các loài cà phê. Khoảng 39% các sản phẩm cà phê được sản xuất từ loại cà phê này.8 Cây cà phê vối Nước xuất khẩu cà phê vối lớn nhất thế giới là Việt Nam. Các nước xuất khẩu quan trọng khác gồm Côte d’Ivoire, Uganda, Brasil, Ấn Độ. Cây cà phê vối có dạng cây gỗ hoặc cây bụi, chiều cao của cây trưởng thành có thể lên tới 10 m.

Quả cà phê có hình tròn, hạt nhỏ hơn hạt cà phê arabica.9 Khác biệt của hai loại hạt cà phê Hàm lượng caffein trong hạt cà phê robusta khoảng 2-4%, trong khi ở cà phê arabica chỉ khoảng 1-2%. Cây cho hạt trong khoảng từ 20 đến 30 năm. Cà phê vối ưa sống ở vùng nhiệt đới, độ cao thích hợp để trồng cây là dưới 1000 m. Nhiệt độ ưa thích của cây khoảng 24-29°C, lượng mưa khoảng trên 1000 mm.

Cây cà phê vối cần nhiều ánh sáng mặt trời hơn so với cây cà phê chè. iii) Cà phê mít Cà phê mít hay cà phê Liberia (tên khoa học: Coffea liberica, đồng nghĩa Coffea excelsa thuộc họ Thiến thảo) là một trong 3 loại chính của họ cà phê.10 Cây cà phê mít Cây cao 2-5m. Thân, lá và quả đều to, khác biệt hẳn các loại cà phê khác là cà phê vối, cà phê chè. Do lá to, xanh đậm nhìn xa như cây mít nên gọi là cà phê mít là vì vậy.

Cây chịu hạn tốt, ít cần nước tưới nên thường trồng quảng canh, tuy nhiên do năng suất kém, chất lượng không cao (Có vị chua) nên không được ưa chuộng và phát triển diện tích. Hiện nay gần 90% diện tích cà phê ở Việt Nam được trồng cà phê vối, 10% trồng cà phê chè, khoảng 1% còn lại được trồng cà phê mít (coffea excelsa).3 Cây cà phê ở Đồng nai Đầu thế kỷ XX, một số nhà tư sản Pháp đưa cà phê vào trồng ở Biên Hòa vì nơi đây có đất đỏ bazan và khí hậu nhiệt đới nóng ẩm thích nghi với cây cà phê. Từ đó cây cà phê được mở rộng diện tích từng bước, sau cây cao su. Phần lớn giống cà phê được trồng hiện nay ở Đồng Nai là nhóm giống cà phê vối (Robusta).

Nhóm cà phê chè (coffeae arabica) không nhiều vì không thích hợp lắm đối với điều kiện sinh thái ở Đồng Nai. Nhóm cà phê mít càng ít vì giá trị thương phẩm thấp. Cà phê Đồng Nai được trồng nhiều ở các huyện Cẩm Mỹ, Tân Phú, Thống Nhất, Xuân Lộc là những vùng có đất đỏ bazan, chủ động nước tưới nhờ các công trình hồ chứa, đập dâng hoặc các giếng khoan khai thác nước ngầm. Diện tích đất trồng cà phê hiện có 18.984 ha (số liệu tháng 9/2011): Thuận lợi cho việc hình thành các vùng chuyên canh tập trung, nhất là các huyện Cẩm Mỹ (hơn 6.400 ha), Thống nhất (hơn 3.700 ha), Định Quán (2.800 ha) và Tân Phú (hơn 2.

Cà phê ở Đồng Nai ra hoa vào khoảng từ tháng 1 đến tháng 2 và đến tháng 10 bắt đầu thu hoạch. Quả cà phê sau khi thu hoạch được chà dập vỏ ngoài trước khi đem phơi để quả cà phê mau khô. Hạt khô đem chà vỏ lụa và quạt sạch để thu được nhân cà phê thô. Theo Cục Thống kê Đồng Nai, năm 2012, xuất khẩu cà phê trong tỉnh ước đạt 150,5 nghìn tấn, tăng trên 55 nghìn tấn, tương đương tăng 57,6% so với năm 2011.4 Vỏ hạt cà phê i) Sơ lược về vỏ hạt cà phê 9 Hình 1.1 Quả cà phê và vỏ hạt cà phê Mùa vụ thu hoạch cà phê ở nướ ớc ta kéo dài từ tháng 12 năm cũ cho đến tháng 6 năm mới.

Trái cà phê đượcc thu hái trên cây và trải tr qua một số công đoạn xử lý tách hạt h để thu được sản phẩm chính là hạt cà phê. Vỏ hạt cà phê là phụ phẩm m thu được đư từ quá trình sơ chế cà phê. Thông thường th từ 4 ~ 6 kg trái cà phê tươi sẽ thu đượcc 1.0 kg nhân và 0. Như vậy với sản lượng ng 1.17 triệu tri tấn (số liệu 2011) thì lượng vỏ cà phê thải th ra lên đến 700.

ii) Thành phần hóa học Thành phần hóa học của quả cà phê tương t đối phức tạp, theo một số kếết quả nghiên cứu, thành phần quả cà phê tươi gồm m có: Thành phần ph So với trọng lượng khô (%) Hydrat - carbon carb 44.4 Bảng ph hóa học trái cà phê tươi [5] ng 1.3 Thành phần 10 Thành phần chất hữu cơ trong vỏ hạt cà phê: Bảng 1.4 Thành phần hóa học của vỏ hạt cà phê [16] iii) Tính chất vật lý Quả cà phê tươi bao gồm các lớp: vỏ quả, vỏ thịt (vỏ nhớt), vỏ trấu và lớp vỏ lụa: - Lớp vỏ quả là lớp vỏ ngoài, mỏng và mềm, có màu đỏ. Vỏ quả cà phê chè mềm hơn vỏ quả cà phê vối và cà phê mít.