Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh tiêu thụ năng lượng toàn cầu dự báo sẽ tăng 24% vào năm 2050 và nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống ngày càng cạn kiệt, việc tìm kiếm các nguồn năng lượng tái tạo bền vững là yêu cầu cấp thiết. Tại Việt Nam, mỗi năm phát sinh gần 60 triệu tấn sinh khối từ phụ phẩm nông nghiệp, trong đó khoảng 40% đã được tận dụng cho nhu cầu năng lượng sinh hoạt và sản xuất điện. Đáng chú ý, cây mắc ca đang phát triển mạnh mẽ và được định hướng quy hoạch mở rộng lên tới 200.000 ha tại khu vực Tây Nguyên cùng 30.000 ha tại vùng Tây Bắc, với năng suất trung bình đạt khoảng 3 tấn hạt trên một hecta. Tuy nhiên, quy trình chế biến nhân hạt hiện nay thải ra một lượng phụ phẩm khổng lồ khi vỏ hạt chiếm tới 20% đến 25% tổng trọng lượng quả, phần lớn bị vứt bỏ gây lãng phí tài nguyên và tạo áp lực lớn lên môi trường tiếp nhận chất thải rắn.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường của tác giả Nguyễn Hoàng Khánh, thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội vào năm 2023, tập trung giải quyết trọn vẹn bài toán này. Đề tài đặt mục tiêu nghiên cứu quy trình chế tạo viên nén chất đốt từ vỏ hạt mắc ca, đồng thời đánh giá toàn diện các chỉ tiêu cơ lý, nhiệt trị, thành phần hóa học và nồng độ khí thải khi đốt. Nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, cung cấp giải pháp chuyển hóa chất thải rắn nông nghiệp thành năng lượng sạch, nâng cao chuỗi giá trị kinh tế của cây mắc ca và đóng góp trực tiếp vào mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính của quốc gia.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết nhiệt hóa sinh khối và lý thuyết khí hóa năng lượng tái tạo. Quá trình khí hóa chuyển đổi sinh khối rắn thành các chất bốc cháy được như carbon monoxide, hydro và methane thông qua quá trình nhiệt phân yếm khí ở nhiệt độ cao. Đồng thời, nghiên cứu ứng dụng lý thuyết nén ép cơ nhiệt không phụ gia, dựa trên đặc tính biến tính nhiệt của hợp chất lignin tự nhiên dưới áp suất thủy lực lớn để liên kết bền chặt các vi sợi cellulose.

Các khái niệm then chốt được chuẩn hóa bao gồm: nhiên liệu sinh khối tái tạo, viên nén nhiên liệu đậm đặc, nhiệt trị cháy, hàm lượng tro xỉ và cơ chế khí hóa hoàn toàn. Hiện nay, năng lượng sinh khối đã chiếm từ 14% đến 15% tổng năng lượng tiêu thụ toàn cầu và đóng góp tới 35% nguồn cung năng lượng tại các quốc gia đang phát triển. Quả mắc ca chứa hàm lượng dầu tự nhiên trong nhân từ 71% đến 80%, trong khi lớp vỏ ngoài sở hữu tỷ lệ sợi gỗ và lignin đậm đặc, tạo tiền đề lý thuyết vững chắc cho việc sản xuất chất đốt có nhiệt trị cao.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ cỡ mẫu 15 kg vỏ hạt mắc ca nguyên bản sau công đoạn tách nhân tại các cơ sở chế biến. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên phân tầng được áp dụng để đảm bảo tính đại diện cho chất lượng vỏ nông sản thu hoạch đại trà. Mẫu sau đó được phơi sấy đến độ ẩm tiêu chuẩn dưới 15% và nghiền mịn qua rây sàng đường kính dưới 1 mm nhằm tăng cường diện tích tiếp xúc bề mặt.

Quy trình chế tạo viên nén sử dụng máy ép thủy lực kết hợp gia nhiệt khuôn nén hình trụ tiêu chuẩn có đường kính 6 mm đến 10 mm và chiều dài 3 cm đến 4 cm. Phương pháp ép gia nhiệt được lựa chọn vì giúp kích hoạt chất kết dính lignin tự nhiên mà không cần bổ sung hóa chất kết dính ngoại lai.

Các chỉ tiêu kỹ thuật được phân tích bằng hệ thống thiết bị phân tích hiện đại:

  • Đo nhiệt trị cháy bằng nhiệt lượng kế bom Parr 6300 Calorimeter theo tiêu chuẩn phân tích nhiệt lượng chuẩn xác.
  • Phân tích thành phần nguyên tố carbon, hydro, nitơ, lưu huỳnh bằng hệ thống máy EA-IRMS và chụp ảnh vi cấu trúc bề mặt bằng kính hiển vi điện tử quét SEM.
  • Đánh giá độ bền cơ học chịu nén bằng thiết bị chuyên dụng BEA Institut 1000R.
  • Thử nghiệm đốt trong lò đốt tự tạo và đo đạc nồng độ phát thải bụi, khí CO, SO2, NOx bằng máy phân tích khí thải Testo 350, đối chiếu trực tiếp với Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 19:2009/BTNMT.
  • Đánh giá độ bền kháng ẩm thông qua thử nghiệm phun sương định lượng với các thể tích nước 20 ml, 30 ml và 40 ml. Toàn bộ chuỗi thí nghiệm được triển khai từ đầu năm 2022 đến giữa năm 2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã ghi nhận bốn phát hiện thực nghiệm mang tính đột phá về đặc tính năng lượng của viên nén vỏ hạt mắc ca:

Thứ nhất, nhiệt trị của viên nén vỏ hạt mắc ca đạt mức rất cao, dao động từ 4.600 đến 4.850 kcal/kg, tương đương 19,2 đến 20,3 MJ/kg. Mức nhiệt lượng này cao hơn 15% đến 20% so với viên nén mùn cưa gỗ thông thường (đạt khoảng 3.900 đến 4.100 kcal/kg) và vượt trội hơn 25% so với củi trấu ép (khoảng 3.600 đến 3.800 kcal/kg).

Thứ hai, khối lượng riêng của sản phẩm đạt từ 1,15 đến 1,25 g/cm3 với độ bền cơ học đo trên máy BEA Institut 1000R đạt trên 98%, giúp sản phẩm không bị vỡ vụn hay phát sinh bụi mịn khi bốc dỡ và vận chuyển đường dài.

Thứ ba, hàm lượng tro sau khi cháy chỉ chiếm từ 1,2% đến 1,8%, thấp hơn nhiều so với than đá thông thường (độ tro từ 15% đến 30%) và củi trấu (độ tro từ 12% đến 18%). Đặc biệt, hàm lượng lưu huỳnh trong thành phần dưới 0,05%, hạn chế tối đa nguy cơ ăn mòn buồng đốt.

Thứ tư, kết quả kiểm định khí thải bằng máy Testo 350 cho thấy nồng độ phát thải bụi và các khí độc hại như CO, SO2 đều thấp hơn từ 40% đến 60% so với giới hạn tối đa cho phép của QCVN 19:2009/BTNMT. Đồng thời, viên nén thể hiện khả năng chịu nước ổn định, duy trì nguyên khối trong 48 giờ sau khi phun từ 20 ml đến 40 ml nước.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân tạo nên nhiệt trị vượt bậc và tính cơ lý bền vững của viên nén vỏ mắc ca là do cấu trúc mô tế bào dày đặc và sự hiện diện của một lượng tinh dầu tự nhiên còn lưu giữ trong vỏ hạt. Hình ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét SEM chứng minh quá trình ép nhiệt thủy lực đã làm chảy dẻo lignin hoàn toàn, liên kết chặt chẽ các khe hở vi mô, giúp viên nén kháng ẩm tốt và cháy đượm liên tục mà không sinh khói đen.

Khi đối chiếu với các nguồn năng lượng sinh khối phổ biến tại Việt Nam như phụ phẩm gỗ rừng trồng (tiềm năng 25,09 triệu tấn) hay rơm rạ (tiềm năng 32,08 triệu tấn), viên nén vỏ mắc ca chứng tỏ ưu thế tuyệt đối về mật độ năng lượng và mức độ phát thải sạch. Các kết quả này có thể được trình bày sinh động thông qua biểu đồ cột so sánh tương quan nhiệt trị giữa vỏ mắc ca với than đá và viên nén mùn cưa. Bảng tổng hợp các chỉ tiêu hóa lý cũng khẳng định sản phẩm hoàn toàn đạt và vượt các tiêu chuẩn chất lượng sinh khối khắt khe của quốc tế như DIN Plus hay ENplus.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm thương mại hóa và ứng dụng rộng rãi viên nén vỏ hạt mắc ca vào đời sống sản xuất, nghiên cứu đề xuất bốn nhóm giải pháp đồng bộ:

Một là, hoàn thiện và chuẩn hóa dây chuyền ép nén thủy lực liên tục ở quy mô bán công nghiệp và công nghiệp. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu chuyên ngành cùng các doanh nghiệp cơ khí chế tạo máy, với mục tiêu tối ưu hóa thông số nhiệt độ và áp suất để hạ giá thành sản xuất xuống dưới 2.000 đồng/kg và nâng công suất lên 5 đến 10 tấn mỗi ngày trong giai đoạn 2024 - 2025.

Hai là, xây dựng mạng lưới thu gom và sơ chế phụ phẩm vỏ hạt mắc ca tập trung tại các vùng chuyên canh. Chủ thể thực hiện là các hợp tác xã nông nghiệp phối hợp cùng Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn các tỉnh Đắk Lắk, Lâm Đồng, Sơn La. Mục tiêu đặt ra là thu gom tối thiểu 80% lượng vỏ thải từ các xưởng bóc tách, cung ứng từ 5.000 đến 10.000 tấn nguyên liệu sinh khối thô mỗi năm trong giai đoạn 2024 - 2026.

Ba là, phát triển và nhân rộng các dòng bếp đun khí hóa sinh khối hiệu suất cao dành cho hộ gia đình và cơ sở chế biến thực phẩm. Chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp thiết bị nhiệt phối hợp cùng Bộ Công Thương, hướng tới mục tiêu nâng hiệu suất sinh nhiệt lên trên 85%, giảm 30% lượng nhiên liệu tiêu hao và phân phối 20.000 bếp khí hóa trong giai đoạn 2025 - 2027.

Bốn là, ban hành chính sách ưu đãi thuế và tín dụng xanh hỗ trợ các dự án năng lượng tái tạo từ phế phẩm nông nghiệp. Chủ thể thực hiện là Bộ Tài chính phối hợp cùng Bộ Tài nguyên và Môi trường, đề xuất miễn giảm 50% thuế thu nhập doanh nghiệp trong 4 năm đầu và hỗ trợ lãi suất vay vốn nhằm thúc đẩy ngành sản xuất viên nén sinh khối tăng trưởng 20% mỗi năm trong giai đoạn 2025 - 2030.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho bốn nhóm đối tượng:

Thứ nhất, các giảng viên, nhà nghiên cứu và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường, Năng lượng Tái tạo và Quản lý Tài nguyên. Luận văn cung cấp hệ thống số liệu thực nghiệm chuẩn xác về nhiệt trị 4.600 đến 4.850 kcal/kg, phương pháp phân tích nhiệt lượng kế Parr 6300 và dữ liệu phát thải khí Testo 350 phục vụ công tác giảng dạy và nghiên cứu mở rộng.

Thứ hai, các doanh nghiệp và chủ trang trại canh tác, chế biến hạt mắc ca tại vùng Tây Nguyên và Tây Bắc. Luận văn cung cấp mô hình kinh tế tuần hoàn khép kín, giúp chuyển hóa 20% đến 25% phụ phẩm vỏ hạt thành hàng hóa có giá trị cao, biến chi phí xử lý rác thải thành nguồn thu hàng trăm triệu đồng mỗi năm.

Thứ ba, các doanh nghiệp sản xuất công nghiệp đang vận hành hệ thống lò hơi, lò sấy nông sản hoặc trạm phát nhiệt điện sinh khối. Đây là tài liệu tham khảo thiết thực để chuyển đổi nhiên liệu từ than đá sang viên nén vỏ mắc ca, giúp giảm 100% phát thải SO2 và tiết kiệm tới 40% chi phí nhiên liệu.

Thứ tư, các cơ quan quản lý nhà nước và nhà hoạch định chính sách năng lượng. Nghiên cứu cung cấp luận cứ khoa học tin cậy để xây dựng chiến lược khai thác hiệu quả gần 60 triệu tấn sinh khối phụ phẩm nông nghiệp quốc gia đến năm 2030 và định hướng 2050.

Câu hỏi thường gặp

Viên nén vỏ hạt mắc ca có nhiệt trị cao hơn các loại nhiên liệu sinh khối khác như thế nào? Viên nén vỏ mắc ca đạt nhiệt trị thực nghiệm từ 4.600 đến 4.850 kcal/kg, cao hơn 15% đến 20% so với viên nén mùn cưa và cao hơn 25% so với củi trấu. Ưu thế này bắt nguồn từ hàm lượng lignin đậm đặc và lượng dầu tự nhiên lưu giữ trong mô vỏ hạt, mang lại mật độ năng lượng cháy cao tương đương một số loại than cám chất lượng tốt.

Quá trình ép viên nén từ vỏ hạt mắc ca có cần sử dụng keo dán hay hóa chất kết dính không? Quá trình sản xuất hoàn toàn không sử dụng hóa chất hay keo dán công nghiệp độc hại. Dưới tác động đồng thời của áp lực máy ép thủy lực và nhiệt độ gia nhiệt thích hợp, chất lignin tự nhiên trong vỏ mắc ca bị nóng chảy dẻo, tự động liên kết các hạt bột có kích thước dưới 1 mm thành cấu trúc viên nén chắc chắn với độ bền nén đạt trên 98%.

Khí thải phát sinh khi đốt viên nén vỏ hạt mắc ca có an toàn cho môi trường không? Khí thải từ quá trình đốt viên nén hoàn toàn thân thiện với môi trường. Kết quả phân tích khí thải thực tế bằng máy Testo 350 chứng minh nồng độ bụi, CO và SO2 đều thấp hơn từ 40% đến 60% so với quy chuẩn QCVN 19:2009/BTNMT. Do hàm lượng lưu huỳnh trong vỏ hạt dưới 0,05%, sản phẩm không gây ô nhiễm mùi khét hay tạo mưa axit.

Viên nén vỏ hạt mắc ca có thể sử dụng cho những loại thiết bị đốt nào trong thực tế? Viên nén tương thích hoàn hảo với cả bếp khí hóa sinh khối gia đình (loại khí hóa hoàn toàn và không hoàn toàn), lò sấy nông sản, bếp nấu ăn tập thể và các lò hơi công nghiệp. Thiết bị bếp khí hóa giúp chuyển đổi tối đa chất bốc thành nhiệt lượng hữu ích, nâng cao hiệu suất nhiệt của hệ thống lên trên 85%.

Nguồn nguyên liệu vỏ hạt mắc ca tại Việt Nam có đảm bảo tính khả thi để sản xuất thương mại lâu dài không? Nguồn nguyên liệu hoàn toàn dồi dào và bền vững khi Việt Nam đang mở rộng diện tích trồng mắc ca lên tới 200.000 ha tại Tây Nguyên và 30.000 ha tại Tây Bắc. Với tỷ lệ vỏ hạt chiếm 20% đến 25% sản lượng thu hoạch, hàng năm ngành chế biến mắc ca sẽ cung cấp hàng chục nghìn tấn vỏ hạt, đảm bảo nguyên liệu ổn định cho các nhà máy viên nén.

Kết luận

  • Khẳng định tính khả thi kỹ thuật vượt trội của việc tái chế vỏ hạt mắc ca thành viên nén chất đốt chất lượng cao với nhiệt trị đạt 4.600 đến 4.850 kcal/kg.
  • Xác lập thành công quy trình ép nén thủy lực có gia nhiệt không phụ gia, tạo sản phẩm có độ bền cơ học trên 98% và độ tro thấp chỉ từ 1,2% đến 1,8%.
  • Chứng minh tính an toàn sinh thái vượt bậc khi nồng độ khí thải thấp hơn từ 40% đến 60% so với quy chuẩn môi trường QCVN 19:2009/BTNMT.
  • Thiết lập mô hình kinh tế tuần hoàn hiệu quả, gia tăng chuỗi giá trị cho ngành trồng mắc ca và giải quyết triệt để 20% đến 25% lượng rác thải vỏ hạt sau thu hoạch.
  • Đóng góp dữ liệu khoa học thực nghiệm quý giá vào chiến lược phát triển nguồn năng lượng tái tạo từ gần 60 triệu tấn sinh khối phụ phẩm nông nghiệp tại Việt Nam.

Kế hoạch tiếp theo trong giai đoạn 2024 - 2026 là thử nghiệm đốt viên nén trên quy mô lò hơi công nghiệp công suất lớn và hoàn thiện hồ sơ đăng ký tiêu chuẩn chất lượng sản phẩm quốc gia. Các doanh nghiệp chế biến nông sản và nhà đầu tư năng lượng tái tạo hãy chủ động liên kết, ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế sản xuất nhằm tạo ra nguồn năng lượng xanh và gia tăng lợi ích kinh tế bền vững.