Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp chế biến gỗ tại Việt Nam phát triển nhanh chóng, tạo ra lượng lớn phế phẩm như mùn cưa và rác thải nylon sinh hoạt, gây ra nhiều vấn đề môi trường nghiêm trọng. Theo ước tính, cả nước phát sinh khoảng 23-25 triệu tấn rác thải sinh hoạt mỗi năm, trong đó rác thải nhựa chiếm tỷ trọng 5-10%. Việc xử lý và tận dụng nguồn chất thải này là cấp thiết nhằm giảm thiểu ô nhiễm và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng. Luận văn tập trung nghiên cứu mô hình khí hóa kiểu nghịch đốt viên nén đa nguyên liệu có thành phần rác thải nylon và mùn cưa, nhằm cung cấp giải pháp năng lượng sạch cho các nhà máy chế biến gỗ.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là xác định công thức sản xuất viên nén đa nguyên liệu, thiết kế và chế tạo lò đốt khí hóa kiểu nghịch, đánh giá nhiệt trị viên nén và hiệu suất khí hóa. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thực nghiệm với công suất tạo viên nén đa thành phần, tỷ lệ nylon phế thải và mùn cưa, cùng quá trình khí hóa viên nén trong lò đốt. Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng phế phẩm gỗ, giảm ô nhiễm môi trường từ rác thải nylon, đồng thời mở rộng ứng dụng xử lý rác thải nhựa trong nông nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về khí hóa sinh khối, bao gồm quá trình nhiệt phân, cháy và khí hóa trong lò đốt. Quá trình khí hóa sinh khối diễn ra ở nhiệt độ cao (600-1300°C), chuyển đổi nguyên liệu thành khí cháy có nhiệt trị thấp đến trung bình, tùy thuộc vào tác nhân khí hóa như không khí, oxy nguyên chất hoặc hơi nước. Lý thuyết về động học và nhiệt động học phản ứng cháy, khí hóa được áp dụng để tính toán thiết kế lò đốt khí hóa kiểu nghịch.

Mô hình khí hóa kiểu nghịch (updraft gasifier) được lựa chọn do ưu điểm tổn thất áp suất nhỏ, hiệu suất nhiệt cao và thiết kế đơn giản. Trong mô hình này, nhiên liệu được cấp từ trên xuống, không khí cấp từ dưới lên, tạo dòng chảy ngược chiều. Các khái niệm chính bao gồm hệ số tỉ lệ không khí (ER), nhiệt trị thấp (LHV), hiệu suất khí hóa, và các thông số kỹ thuật viên nén như độ ẩm, khối lượng riêng, đường kính viên.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp lý thuyết và khảo sát thực tế. Nguồn dữ liệu gồm phế phẩm mùn cưa từ các nhà máy chế biến gỗ và rác thải nylon sinh hoạt được thu thập tại TP. Hồ Chí Minh và các tỉnh lân cận. Cỡ mẫu nguyên liệu được chuẩn bị với tỷ lệ nylon 25% và độ ẩm viên nén 12%, đường kính viên nén 6 mm.

Quá trình nghiên cứu gồm các bước: nghiền và trộn nguyên liệu, ép viên nén đa nguyên liệu bằng máy ép đĩa phẳng KL120B, thiết kế và chế tạo lò đốt khí hóa kiểu nghịch, thực nghiệm đốt viên nén trong lò để đo nhiệt trị và hiệu suất khí hóa. Phân tích thành phần khí hóa được thực hiện bằng sắc ký khí GC-7890A. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 10/2020 đến tháng 11/2022, với các giai đoạn khảo sát, thiết kế, thực nghiệm và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Công thức viên nén đa nguyên liệu: Viên nén được sản xuất với tỷ lệ nylon 25% và mùn cưa 75%, độ ẩm viên nén đạt 12%, đường kính viên 6 mm. Tỷ lệ thu hồi viên nén đạt 76,7%, cho thấy khả năng tạo viên ổn định và chất lượng cao.

  2. Hiệu suất khí hóa: Khi đốt viên nén trong lò khí hóa kiểu nghịch với hệ số ER = 0,24, hiệu suất khí hóa đạt 28%. Nhiệt trị thấp của khí hóa đo được khoảng 3.835 kJ/Nm³, phù hợp để cung cấp nhiệt cho các thiết bị sấy nông sản quy mô nhỏ.

  3. Thành phần khí hóa: Sản phẩm khí chủ yếu gồm CO, H2, CH4 với hàm lượng biến đổi theo lưu lượng không khí cấp. Hàm lượng hắc ín trong khí thấp, đảm bảo an toàn cho thiết bị và môi trường.

  4. Ảnh hưởng của tỷ lệ không khí cấp: Tăng lưu lượng không khí làm giảm nhiệt trị khí hóa và hiệu suất lò, do tăng lượng khí loãng và giảm nhiệt độ buồng đốt. Tỷ lệ ER tối ưu được xác định trong khoảng 0,24-0,25.

Thảo luận kết quả

Kết quả thực nghiệm cho thấy việc phối trộn nylon phế thải với mùn cưa để tạo viên nén đa nguyên liệu là khả thi và hiệu quả. Tỷ lệ nylon 25% giúp tăng nhiệt trị viên nén do nhựa có nhiệt trị cao hơn nhiều so với sinh khối. Hiệu suất khí hóa 28% tương đương hoặc cao hơn một số nghiên cứu trước đây về khí hóa viên nén sinh khối đơn nguyên liệu.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hiệu suất và nhiệt trị khí hóa đạt được phù hợp với các lò khí hóa kiểu nghịch quy mô nhỏ. Việc sử dụng lò khí hóa kiểu nghịch giúp giảm tổn thất áp suất và dễ dàng kiểm soát quá trình đốt. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ quan hệ giữa hệ số ER và hiệu suất khí hóa, cũng như bảng phân tích thành phần khí hóa theo các điều kiện thử nghiệm.

Kết quả nghiên cứu góp phần giải quyết bài toán xử lý rác thải nylon và mùn cưa tại các nhà máy chế biến gỗ, đồng thời cung cấp nguồn năng lượng sạch, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường ứng dụng viên nén đa nguyên liệu: Khuyến khích các nhà máy chế biến gỗ sử dụng viên nén có thành phần nylon và mùn cưa để tận dụng phế phẩm, giảm chi phí nhiên liệu và ô nhiễm môi trường. Thời gian thực hiện trong 1-2 năm, chủ thể là các doanh nghiệp chế biến gỗ.

  2. Phát triển công nghệ lò khí hóa kiểu nghịch: Đầu tư nghiên cứu và sản xuất lò khí hóa kiểu nghịch quy mô công nghiệp, tối ưu hóa hệ số ER và thiết kế buồng đốt để nâng cao hiệu suất khí hóa. Thời gian 2-3 năm, chủ thể là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

  3. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật viên nén đa nguyên liệu: Thiết lập tiêu chuẩn chất lượng viên nén đa nguyên liệu có thành phần nylon phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế như ENplus, đảm bảo an toàn và hiệu quả sử dụng. Thời gian 1 năm, chủ thể là cơ quan quản lý nhà nước và hiệp hội ngành nghề.

  4. Mở rộng nghiên cứu xử lý rác thải nhựa trong nông nghiệp: Áp dụng công nghệ khí hóa viên nén đa nguyên liệu cho các loại rác thải nhựa và sinh khối nông nghiệp khác nhằm đa dạng hóa nguồn nhiên liệu sạch. Thời gian 3 năm, chủ thể là các trường đại học và trung tâm nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp chế biến gỗ: Có thể áp dụng công nghệ viên nén đa nguyên liệu và lò khí hóa để tận dụng phế phẩm, giảm chi phí nhiên liệu và xử lý rác thải hiệu quả.

  2. Các viện nghiên cứu và trường đại học: Tham khảo để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về khí hóa sinh khối, xử lý rác thải nhựa và công nghệ năng lượng tái tạo.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và năng lượng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, tiêu chuẩn kỹ thuật và khuyến khích phát triển năng lượng sạch từ chất thải.

  4. Nhà sản xuất thiết bị khí hóa và máy ép viên: Tham khảo để cải tiến thiết kế, nâng cao hiệu suất và mở rộng ứng dụng công nghệ khí hóa viên nén đa nguyên liệu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Viên nén đa nguyên liệu có ưu điểm gì so với viên nén truyền thống?
    Viên nén đa nguyên liệu tận dụng phế phẩm mùn cưa và rác thải nylon, tăng nhiệt trị và khối lượng riêng, giảm chi phí nguyên liệu và ô nhiễm môi trường.

  2. Tại sao chọn lò khí hóa kiểu nghịch cho nghiên cứu?
    Lò khí hóa kiểu nghịch có thiết kế đơn giản, tổn thất áp suất nhỏ, hiệu suất nhiệt cao và phù hợp với nguyên liệu đa dạng, đặc biệt là viên nén đa nguyên liệu.

  3. Hệ số ER ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất khí hóa?
    Hệ số ER quá cao làm loãng khí và giảm nhiệt độ buồng đốt, giảm hiệu suất; ER quá thấp gây cháy không hoàn toàn. Giá trị ER tối ưu trong nghiên cứu là khoảng 0,24-0,25.

  4. Nhiệt trị viên nén đa nguyên liệu đạt được là bao nhiêu?
    Nhiệt trị thấp của viên nén đa nguyên liệu khoảng 3.835 kJ/Nm³ khi khí hóa, cao hơn nhiều so với nguyên liệu sinh khối đơn thuần nhờ thành phần nylon.

  5. Có thể áp dụng công nghệ này ở quy mô công nghiệp không?
    Có thể, tuy nhiên cần tối ưu thiết kế lò khí hóa và quy trình sản xuất viên nén để đảm bảo hiệu suất và an toàn khi mở rộng quy mô.

Kết luận

  • Đã xác định được công thức viên nén đa nguyên liệu gồm 25% nylon và 75% mùn cưa, với độ ẩm 12% và đường kính 6 mm, tỷ lệ thu hồi viên nén đạt 76,7%.
  • Thiết kế và chế tạo thành công lò đốt khí hóa kiểu nghịch phù hợp với viên nén đa nguyên liệu.
  • Hiệu suất khí hóa đạt 28% tại hệ số ER = 0,24, nhiệt trị khí hóa phù hợp cung cấp nhiệt cho máy sấy nông sản quy mô nhỏ.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm rác thải nylon và nâng cao hiệu quả sử dụng phế phẩm gỗ trong ngành chế biến.
  • Đề xuất mở rộng ứng dụng công nghệ, phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật và nghiên cứu xử lý rác thải nhựa trong nông nghiệp trong các giai đoạn tiếp theo.

Luận văn khuyến khích các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý tiếp tục phát triển và ứng dụng công nghệ khí hóa viên nén đa nguyên liệu nhằm thúc đẩy phát triển năng lượng sạch và bảo vệ môi trường.