Tổng quan nghiên cứu

Phân vi sinh là loại phân bón hữu cơ chứa các vi sinh vật sống có khả năng cải tạo đất và cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng một cách bền vững. Theo ước tính, phân vi sinh chiếm tỷ trọng ngày càng lớn trong nền nông nghiệp hữu cơ, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường do phân bón hóa học. Tuy nhiên, phân vi sinh dạng bột có nhược điểm là dễ tan nhanh trong nước, làm giảm hiệu quả hấp thụ dinh dưỡng của cây trồng, đặc biệt ở các vùng ruộng lúa nước hoặc cánh đồng khô. Do đó, việc tạo viên phân vi sinh là giải pháp kỹ thuật quan trọng nhằm nâng cao độ bền viên, kiểm soát tốc độ tan và tăng hiệu quả sử dụng phân bón.

Luận văn tập trung nghiên cứu máy ép viên phân vi sinh theo nguyên lý con lăn khuôn phẳng với năng suất 1 tấn/giờ, nhằm xác định các thông số làm việc ảnh hưởng đến chất lượng viên phân và hiệu quả kinh tế kỹ thuật của máy. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các thông số như số vòng quay khuôn, chiều dày khuôn, lượng cấp liệu, độ ẩm nguyên liệu và các chỉ tiêu kỹ thuật như độ bền viên, chi phí điện năng riêng. Nghiên cứu được thực hiện tại Đồng Nai trong năm 2016, sử dụng phân vi sinh dạng bột có độ ẩm 30% ±1.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc cung cấp cơ sở khoa học để tối ưu hóa thiết kế và vận hành máy ép viên phân vi sinh, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí sản xuất và thúc đẩy ứng dụng công nghệ ép viên trong sản xuất phân bón hữu cơ tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết cơ bản về quá trình ép viên và cơ học vật liệu rời. Quá trình ép viên được chia thành ba giai đoạn: giai đoạn xích lại gần nhau của các phần tử vật liệu, giai đoạn biến dạng đàn hồi dẻo và tăng áp suất ép, và giai đoạn viên thoát khỏi khuôn ép. Khối lượng riêng của viên phân là chỉ số quan trọng phản ánh mức độ nén chặt và chất lượng viên.

Phương trình ép cơ bản của Oxobov được sử dụng để mô tả mối quan hệ giữa áp suất nén và khối lượng riêng của sản phẩm:

$$ \frac{dp}{d\rho} = a p + b $$

với nghiệm:

$$ p = c \exp\left[-a(\rho - \rho_0)\right] $$

Ngoài ra, các khái niệm chuyên ngành như độ bền viên (Cb), chi phí điện năng riêng (Se), hệ số ma sát, và các thông số kỹ thuật của khuôn và con lăn được áp dụng để đánh giá hiệu quả máy ép.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các số liệu thực nghiệm thu thập từ máy ép viên phân vi sinh công suất 1 tấn/giờ, sử dụng phân vi sinh dạng bột với độ ẩm 30% ±1. Thiết bị đo gồm thước kẹp, đồng hồ đo số vòng quay, đồng hồ bấm giây, thiết bị đo nhiệt độ, cân điện tử và thiết bị đo độ bền viên.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phương pháp lý thuyết: kế thừa, tiếp cận tài liệu chuyên ngành, giải tích toán học để thiết kế và tính toán các bộ phận máy.
  • Phương pháp thực nghiệm: đo đạc trực tiếp các thông số như thời gian ép, khối lượng phân, điện năng tiêu thụ; đo độ bền viên bằng thiết bị quay inox với thời gian 10 phút.
  • Phương pháp quy hoạch thực nghiệm: sử dụng mô hình bài toán “hộp đen” với các biến đầu vào là thông số máy và biến đầu ra là chất lượng viên và chi phí điện năng. Thiết kế thí nghiệm dạng bậc hai bất biến quay với 20 thí nghiệm, phân tích hồi quy đa biến và phân tích phương sai (ANOVA) để xây dựng mô hình toán học.
  • Phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu: sử dụng phương pháp thừa số Lagrange và phần mềm Microsoft Excel để xác định chế độ làm việc tối ưu, cân bằng giữa độ bền viên cao nhất và chi phí điện năng thấp nhất.

Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong năm 2016 tại Đồng Nai, với cỡ mẫu thí nghiệm đủ lớn để đảm bảo độ tin cậy thống kê, sử dụng phần mềm Statgraphics 7.0 để xử lý số liệu và kiểm định mô hình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của số vòng quay khuôn (n) đến độ bền viên (Cb) và chi phí điện năng riêng (Se):
    Khi tăng số vòng quay từ khoảng 20 đến 60 vòng/phút, độ bền viên tăng từ 75% lên 88%, trong khi chi phí điện năng riêng tăng từ 15 kWh/tấn lên 25 kWh/tấn. Điều này cho thấy tốc độ quay khuôn ảnh hưởng tích cực đến chất lượng viên nhưng làm tăng tiêu hao năng lượng.

  2. Ảnh hưởng chiều dày khuôn (h) đến chất lượng viên:
    Chiều dày khuôn tăng từ 5 mm lên 10 mm làm độ bền viên tăng trung bình 10%, đạt mức tối ưu ở 8 mm. Chiều dày quá lớn gây tăng lực ma sát và hao mòn thiết bị, ảnh hưởng tiêu cực đến năng suất.

  3. Ảnh hưởng lượng cấp liệu (q) đến năng suất và chất lượng viên:
    Lượng cấp liệu tăng từ 0,8 tấn/h lên 1,2 tấn/h làm năng suất tăng 20%, tuy nhiên độ bền viên giảm khoảng 5% do quá trình nén không đủ thời gian. Cần cân bằng lượng cấp liệu để đảm bảo chất lượng viên.

  4. Tối ưu đa mục tiêu:
    Qua giải bài toán tối ưu, chế độ làm việc tối ưu được xác định là số vòng quay khuôn 45 vòng/phút, chiều dày khuôn 8 mm, lượng cấp liệu 1 tấn/h, đạt độ bền viên 85% và chi phí điện năng riêng 18 kWh/tấn.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy các thông số làm việc của máy ép viên con lăn khuôn phẳng có ảnh hưởng rõ rệt đến chất lượng sản phẩm và hiệu quả kinh tế kỹ thuật. Số vòng quay khuôn tăng làm tăng áp lực ép, cải thiện độ bền viên nhưng đồng thời tăng tiêu hao năng lượng, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về máy ép viên khuôn phẳng. Chiều dày khuôn ảnh hưởng đến lực ma sát và độ bền của khuôn, cần được thiết kế hợp lý để cân bằng giữa chất lượng viên và tuổi thọ thiết bị.

Lượng cấp liệu quá lớn làm giảm thời gian nén ép, gây giảm chất lượng viên, tương tự với các nghiên cứu về máy ép viên trục vít. Mô hình hồi quy và phân tích phương sai cho thấy các hệ số hồi quy đều có ý nghĩa thống kê với mức p < 0,05, đảm bảo độ tin cậy của mô hình. Các biểu đồ bề mặt đáp ứng minh họa rõ mối quan hệ giữa các thông số đầu vào và chỉ tiêu đầu ra, hỗ trợ việc tối ưu hóa chế độ làm việc.

Những phát hiện này góp phần hoàn thiện thiết kế và vận hành máy ép viên phân vi sinh, nâng cao hiệu quả sản xuất phân bón hữu cơ, đồng thời giảm thiểu chi phí năng lượng và hao mòn thiết bị.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Điều chỉnh số vòng quay khuôn trong khoảng 40-50 vòng/phút để cân bằng giữa độ bền viên và chi phí điện năng, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và tiết kiệm năng lượng trong vòng 6 tháng tới. Chủ thể thực hiện: nhà sản xuất và kỹ thuật vận hành máy.

  2. Thiết kế khuôn với chiều dày khoảng 8 mm nhằm tối ưu lực ép và giảm hao mòn khuôn, kéo dài tuổi thọ thiết bị. Thời gian thực hiện: 3 tháng. Chủ thể thực hiện: bộ phận thiết kế và bảo trì.

  3. Kiểm soát lượng cấp liệu ổn định ở mức 1 tấn/giờ để đảm bảo năng suất và chất lượng viên phân, tránh quá tải gây giảm chất lượng. Thời gian áp dụng: liên tục trong quá trình sản xuất. Chủ thể thực hiện: công nhân vận hành.

  4. Áp dụng quy trình bảo dưỡng định kỳ cho con lăn và khuôn nhằm giảm hao mòn và duy trì hiệu suất máy ép viên. Thời gian thực hiện: hàng quý. Chủ thể thực hiện: bộ phận bảo trì kỹ thuật.

  5. Đào tạo nhân viên vận hành về các thông số kỹ thuật và quy trình tối ưu hóa máy ép viên để nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu lỗi vận hành. Thời gian: 1 tháng. Chủ thể thực hiện: phòng đào tạo và quản lý sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí và công nghệ chế biến nông sản: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về thiết kế, vận hành máy ép viên phân vi sinh, hỗ trợ nghiên cứu phát triển thiết bị mới.

  2. Doanh nghiệp sản xuất phân bón hữu cơ và thiết bị nông nghiệp: Tham khảo để tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí vận hành máy ép viên.

  3. Cơ quan quản lý và phát triển nông nghiệp bền vững: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách khuyến khích ứng dụng công nghệ ép viên trong sản xuất phân vi sinh, góp phần bảo vệ môi trường.

  4. Kỹ thuật viên và nhân viên vận hành máy ép viên phân vi sinh: Nắm bắt các thông số kỹ thuật và quy trình vận hành tối ưu, nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy ép viên con lăn khuôn phẳng có ưu điểm gì so với các loại máy ép khác?
    Máy có kết cấu đơn giản, dễ vận hành, kích thước nhỏ gọn, dễ bảo dưỡng và cho chất lượng viên phân đồng đều với độ bền cao hơn so với phương pháp vo viên.

  2. Các thông số nào ảnh hưởng nhiều nhất đến chất lượng viên phân?
    Số vòng quay khuôn, chiều dày khuôn và lượng cấp liệu là các thông số chính ảnh hưởng đến độ bền viên và chi phí điện năng riêng.

  3. Độ ẩm nguyên liệu phân vi sinh ảnh hưởng thế nào đến quá trình ép viên?
    Độ ẩm khoảng 30% ±1 là tối ưu để tạo lực liên kết giữa các phần tử, giúp viên phân có độ bền cao và không bị vỡ khi vận chuyển.

  4. Làm thế nào để đo độ bền viên phân chính xác?
    Sử dụng thiết bị đo độ bền viên quay inox với thời gian 10 phút, sau đó cân khối lượng viên còn nguyên trên rây có lỗ bằng 80% đường kính viên phân để tính tỷ lệ độ bền.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các loại phân bón khác không?
    Kết quả chủ yếu áp dụng cho phân vi sinh dạng bột có đặc tính dính và độ ẩm tương tự, tuy nhiên nguyên lý và phương pháp có thể điều chỉnh để phù hợp với các loại phân bón hữu cơ khác.

Kết luận

  • Đã xác định được ảnh hưởng của các thông số làm việc máy ép viên con lăn khuôn phẳng đến chất lượng viên phân và chi phí điện năng riêng.
  • Mô hình hồi quy đa biến và phương pháp quy hoạch thực nghiệm cho phép dự đoán chính xác các chỉ tiêu kỹ thuật.
  • Chế độ làm việc tối ưu gồm số vòng quay khuôn 45 vòng/phút, chiều dày khuôn 8 mm, lượng cấp liệu 1 tấn/giờ.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất phân vi sinh dạng viên, giảm chi phí và tăng chất lượng sản phẩm.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và vận hành nhằm ứng dụng rộng rãi trong sản xuất phân bón hữu cơ tại Việt Nam.

Hành động tiếp theo: Áp dụng các thông số tối ưu vào sản xuất thực tế, đồng thời nghiên cứu mở rộng cho các loại phân bón khác và cải tiến thiết kế máy ép viên. Đề nghị các doanh nghiệp và viện nghiên cứu phối hợp triển khai ứng dụng công nghệ này để phát triển nông nghiệp bền vững.