Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp

Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
2
BỘ CÔNG THƯƠNG
TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC VÀ MÁY NÔNG NGHIỆP
VIỆN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY NÔNG NGHIỆP




BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2012


Đề tài :
“NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI ĐỂ
THAY THẾ ĐIỆN NĂNG TRONG THIẾT BỊ ÉP THANH
NHIÊN LIỆU TỪ PHỤ PHẾ PHẨM NÔNG NGHIỆP "
M∙ sè: 36.12RD/H§-KHCN

Cơ quan chủ trì Chủ nhiệm đề tài
Viện NCTKCT máy Nông nghiệp




TS. Nguyễn Đình Tùng KS. Nguyễn Văn Thành

Hµ Néi , 2012
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
3

DANH SÁCH NH ỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI


STT Họ và tên Học vị, học hàm
chuyên môn
Cơ quan
1 Nguyễn Văn Thành Kỹ sư
Vi
ện NCTKCT máy nông nghiệp
2 Trần Quyết Thắng Kỹ sư
Viện NCTKCT máy nông nghiệp
3 Đoàn Văn Cao Thạc sỹ
Vi
ện NCTKCT máy nông nghiệp

Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
4
Mục lục
LỜI MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
7
1.1 Tầm quan trọng của việc Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay
thế điện năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp.
7
1.1.1 Tình hình sản xuất và sử dụng năng lượng sinh khối trên thế giới 7
1.1.2 Tình hình sản xu
ất và sử dụng năng lượng sinh khối ở Việt Nam 10
1.2 Quy trình công nghệ sản xuất thanh/củi nhiên liệu 13
CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN THIẾT BỊ TẠO THANH NHIÊN LIỆU 16
2.1 Tính năng kỹ thuật của lực ép
16
2.2 Các loại buồng ép và quá trình ép thanh 17
2.3 Tính năng của máy ép và một số loại máy ép 18
2.3.1 Máy ép thanh nhiên liệu kiểu thủy lực 19
2.3.2 Máy tạo thanh nhiên liệu kiểu pít tông (lệch tâm) cơ c
ấu biên tay quay.24

2.3.3 Máy tạo thanh/củi nhiên liệu kiểu trục vít 27
2.4 Lựa chọn thiết bị gia nhiệt ở khuôn ép 29
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ KHẢO NGHIỆM
THIẾT BỊ ÉP THANH NHIÊN LIỆU 30
3.1 Cơ sở lý hóa của quá trình ép vật liệu [7] 30
3.2 Nghiên cứu lý thuyết ép vít 30
3.2.1 Quá trình dịch chuyển của nguyên liệu ép trong buồng vít 31
3.2.2 Góc nâng cánh vít, vận tốc dịch chuyển nguyên liệu trong bu
ồng ép [6]32
3.2.3 Năng suất vận chuyển của máy ép vít 34
3.2.4 Công suất trên trục vít [6] 35
3.3 Tính toán thiết bị ép củi [6] 38
3.4 Quy trình chế tạo các thiết bị 41
3.4.1 Trình tự gia công chế tạo máy ép thanh/củi nhiên liệu kiểu trục vít 41
3.4.1 Quy trình chế tạo lò gia nhiệt bằng Biomass 47
3.5 Khảo nghiệm thiết bị 48
3.5.1 Nội dung và phương pháp khảo nghiệm 48
3.5.2 Chọ
n thiết bị đo và phương pháp đo 48
3.5.3 Nội dung và kết quả khảo nghiệm 49
3.5.3.1 Khảo nghiệm riêng biệt lò đốt sử dụng Biomass 49
3.5.3.2 Khảo nghiệm thiết bị ép thanh nhiên liệu 54
Kết luận và kiến nghị 62
Tài liệu tham khảo 63



Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện

năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
5
LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây sự chú ý tới các công nghệ năng lượng tái tạo
nói chung và năng lượng sinh khối nói riêng đã tăng mạnh trên toàn cầu để thay
thế dần các loại năng lượ
ng hóa thạch với lý do: nguồn năng lượng hóa thạch
ngày càng cạn kiệt dần và gây ô nhiễm môi trường.
Nguồn năng lượng thiếu hụt trầm trọng trên thế giới cũng như Việt Nam,
tình trạng thiếu hụt này đựơc thể hiện cùng với sự phát triển kinh tế, đặc biệt là
các ngành công nghiệp.
Do đó việc ứng dụng năng lượng từ các nguồn năng lượng tái tạo như
:
năng lượng gió, năng lượng thuỷ triều, năng lượng địa nhiệt, năng lượng mặt
trời và đặc biệt là năng lượng sinh khối (Biomass) ngày càng được quan tâm
nhiều hơn.
Riêng đối với năng lượng sinh khối (Biomass) có ưu điểm hơn cả đối với
các nước đang phát triển và có nền sản xuất nông nghiệp là chính như Việt Nam,
vì nguồn tiềm năng sinh khối t
ừ các phụ phế phẩm nông lâm nghiệp là rất lớn,
bởi Việt Nam là nước chiếm tới khoảng gần 75% dân số làm nông nghiệp, có
3/4 diện tích là đồi núi và có trên 38% diện tích rừng che phủ. Hàng năm các
phụ phế phẩm từ nông lâm nghiệp (rơm dạ, vỏ trấu, lõi ngô, gỗ vụn, dăm
bào,mùn cưa,…). Tuy nhiên việc sử dụng các phế thải này vẫn theo cách truyền
thống như đun nấu trong sinh hoạt gia đình, làm phân bón và ph
ần nhiều là “vứt
bỏ” ngoài môi trường, do vậy chưa mang lại hiệu quả kinh tế.
Để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng từ sinh khối điều cần thiết là
phải ứng dụng các công nghệ để chuyển đổi nguồn năng lượng đó sao cho làm
tăng mật độ năng lượng (kJ/m3) lên. Một trong những công nghệ đó đó là công

nghệ ép/tạo thanh nhiên liệu.
M
ột vài năm trở lại đây đã xuất hiện một vài đơn vị sản xuất thanh, củi
nhiên liệu để phục vụ trong nước và xuất khẩu. Trong các thiết bị sản xuất củi
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
6
nhiên liệu ở trong nước hiện nay thì công đoạn ra nhiệt cho khuôn ép hoàn toàn
dùng áo nhiệt bằng điện trở, công suất điện năng thường chiếm khoảng 25%
lượng điện tiêu thụ trong hệ thống ép. Tuy nhiên thiết b
ị gia nhiệt bằng điện trở
thường có tuổi thọ không cao, mặt khác trong thời gian gần đây do giá điện ngày
càng tăng cao nên việc cần thiết phải giảm chi phí điện năng trong hệ thống ép
là rất cần thiết. Để giảm chi phí điện năng và đảm bảo tính ổn định trong hệ
thống ép thì việc thay thế năng lượng điện bằng năng lượ
ng sinh khối trong thiết
bị là rất khả thi.
Từ đó Bộ Công Thương và Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông
nghiệp ký hợp đồng nhằm thực hiện đề tài

“Nghiên cứu sử dụng năng lượng
sinh khối để thay thế điện năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế
phẩm nông nghiệp.”

Nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng l
ớn của việc sử dụng năng lượng tái tạo
trên thế giới và dần đưa các sản phẩm sinh khối vào sử dụng trong các hộ gia
đình, sản xuất công nghiệp ở Việt Nam thì việc nghiên cứu sử dụng năng lượng

sinh khối để thay thế điện năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế
phẩm nông nghiệp là yêu cầu không chỉ mang tính thời sự cấp thi
ết, có ý nghĩa
khoa học và thực tiễn, góp phần vào chủ trương công nghiệp hoá, hiện đại hoá
nông nghiệp, tăng cường khả năng sản xuất của công nghiệp sản xuất nhiên liệu
sinh khối trong nước.

.

Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
Trong chương này nhóm tác giả trình bày một số nội dung tóm lược
như sau:
• Tầm quan trọng của việc Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh
khối để thay thế điện n
ăng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ
phế phẩm nông nghiệp,
• Quy trình công nghệ sản xuất thanh/củi nhiên liệu.

1.1 Tầm quan trọng của việc Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để
thay thế điện năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm
nông nghiệp.

1.1.1 Tình hình sản xuất và sử dụng năng lượng sinh khối trên thế giới.
Sản xuất tiêu thụ ở Châu Âu [2]
Người ta ước tính trong năm 2008 có khoảng 8 triệu tấn thanh/củi gỗ được sản

xuất tại Châu Âu của 630 nhà máy. Ngoài ra, Châu Âu nhập khẩu khoảng 1 triệu
tấn thanh/củi trong tổng mức tiêu thụ khoảng 9 triệu tấn.
Việc sử dụng thanh/củi gỗ ở Châu Âu khác nhau tùy thuộc vào mỗi Quốc gia. Ở

Đức, Áo và Ý, các thanh gỗ được sử dụng chủ yếu để sưởi ấm trong các khu dân
cư. Ở Vương quốc Anh, Hà Lan và Bỉ nó được sử dụng vào ngành công nghiệp
phát điện. Còn ở Thụy Điển và Đan mạch thì được sử dụng rất rộng rãi [2].
Một số thị trường như Đức, Úc, Nga bản thân tự sản xuất đủ cho nhu cầu trong
nước, và còn xuất khẩu cho các nước khác. Còn
ở các nước khác như Đan
Mạch, Bỉ, Hà lan thì sự cung ứng của các nhà máy trong nước không đủ cho nhu
cầu của thị trường. Trong hình 1.1 Thể hiện sự cân đối sản xuất, xuất khẩu, nhập
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
8
khẩu và nhu cầu sử dụng thanh gỗ cho thị trường các nước ở Châu Âu năm 2008
[1].

Hình 1.1 Cân đối sản xuất, xuất khẩu, nhập khẩu và nhu cầu sử dụng thanh gỗ
cho thị trường các nước ở Châu Âu năm 2008 [1]

Qua hình 1.1 trên cũng cho thấy Đức và Thụy Điển là hai Quốc gia sản
xuất thanh nhiên liệu lớn nhất Châu Âu, các Quốc gia Đông Âu là các nước xuất
khẩu chính do nhu cầu tiêu thụ trong nước ít. Hầu hết các thanh nhiên liệu được
sản xuất ở Châu Âu đều được tiêu thụ trong nội bộ [2].
Tuy sản xuất thanh nhiên liệu ở Châu Âu có một sản lương rất lớn, nhưng nhu
cầu sử dụng nó ở khu vực này cũ
ng rất cao. Khoảng cách giữa cung và cầu ngày

một lớn lên. Hình 1.2 thể hiện lượng tiêu thụ, sản xuất và xuất khẩu thanh nhiên
liệu ở Châu Âu từ năm 2000 đến năm 2010 [2].
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
9

Hình 1.2 Lượng tiêu thụ thanh/củi gỗ ở Châu Âu [2]

Qua hình 1.2 cho thấy nhu cầu sử dụng thanh/viên gỗ ở Châu Âu đã tăng
một cách đáng kể. Năm 2000 sử dụng khoảng 700 nghìn tấn, tăng hơn 5 lần vào
năm 2005 (khoảng 3,7 triệu tấn) và hơn 18 lần vào năm 2010 (khoảng 18,3 triệu
tấn). Nhu cầu sử dụng ngày một lớn, nên ngành sản xuất thanh gỗ cũng phát
triển rất nhanh, từ 65 nghìn tấn (vào năm 2000) lên 3,1 triệu tấn (năm 2005), và
gần 9 triệ
u tấn (vào năm 2010). Tuy vậy các nhà sản xuất ở Châu Âu vẫn chưa
khi nào cung cấp đủ cho chính thị trường của khu vực mình. Sự chênh lệnh giữa
cầu – cung (cầu>cung) ngày một lớn. Năm 2000 chênh lệch đó chỉ khoảng 100
nghìn tấn thì đến năm 2005 là gần 600 tấn và tăng một cách nhanh chóng trong
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
10
những năm tiếp theo, tới năm 2010 độ chênh lệch giữa cầu và cung là gần 5 triệu
tấn [2].
Sản xuất tiêu thụ ở Bắc Mỹ
Trên thế giới thì ngoài Châu Âu, khu vực Bắc Mỹ cũng có một nề
n công nghiệp

sản xuất thanh nhiên liệu phát triển. Tổng sản lượng thanh sản xuất trong năm
2008 ước tính khoảng 4,2 triệu tấn, trong đó Mỹ và Canada chiếm khoảng 76%
tổng sản lương, cụ thể là Mỹ 1,8 triệu tấn và Canada 1,4 triệu tấn. Việc sản xuất
thanh gỗ ở khu vực này đang phát triển một cách nhanh chóng, ước tính tổng sản
lượng đạt được khoảng 6,2 triệu tấn vào nă
m 2009. Trong năm 2008 thì 80% sản
lượng của Mỹ được tiêu thụ trong nội địa, ngược lại thì ở Canada 90% sản
lượng được xuất khẩu, chủ yếu sang thị trường Châu Âu. Một điều nhận thấy là
trong nhữn năm gần đây thị trường Hoa Kỳ đang “bùng nổ” và sau đó được
chuyển sang Châu Âu [2].
Qua phân tích hai trị trường Châu Âu và Bắc Mỹ ở trên cho thấy, sản xuất thanh
nhiên liệu trên
đã trở thành một lĩnh vực quan trọng góp phần đáng kể trong việc
đảm bảo an ninh năng lượng trên thế giới [2].

1.1.2 Tình hình sản xuất và sử dụng năng lượng sinh khối ở Việt Nam
Việt Nam có tiềm năng lớn để sản xuất thanh/củi nhiên liệu, với trên 75%
dân số làm Nông nghiệp, diện tích trồng rừng lớn cộng thêm ngành chế biến gỗ
tương đối phát triển. Tiềm năng năng lượng sinh khối của Việt Nam được thể
hiện trên bảng 1.1.
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
11
Bảng 1.1 Tiềm năng năng lượng sinh khối của Việt Nam [4]

Nguồn cung cấp
Tiềm năng
(triệu tấn)

Quy dầu tương
đương
(triệu TOE)
Tỷ lệ (%)
Rừng tự nhiên 6,842 2,390 27,2
Rừng trồng 3,718 1,300 14,8
Đất không rừng 3,850 1,350 15,4
Cây trồng phân tán 6,050 2,120 24,1
Cây công nghiệp và cây
ăn quả
2,400
0,840
9,6
Phế liệu gỗ 1,649 0,580 6,6
Tổng 25,090 8,780 100,0
Rơm rạ 32,52 7,30 60,4
Trấu 6,50 2,16 17,9
Bã mía 4,45 0,82 6,8
Các loại khác 9,00 1,80 14,9
Tổng 53,43 12,08 100,0

Trong khi đó việc sử dụng những phụ phế phẩm trong sản xuất nông - lâm
nghiệp hiện nay tại Việt Nam chưa mang lại hiệu quả kinh tế. Do vậy việc sử
dụng nguồn này để sản xuất thanh/củi nhiên liệu sẽ mang lại cơ hội mới cho
Nông nghiệp, cải thiện an ninh năng lượng và mang lại nhiều lợi ích cho môi
trường xã hội. Ngoài ra còn là một trong những nền tảng phát tri
ển kinh tế đất
nước nói chung và củng cố an ninh năng lượng năng lượng nói riêng.
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
12
Hiện tại trong nước đã xuất hiện một số cơ sở sản xuất củi nhiên liệu tuy
nhiên bộ phận gia nhiệt cho khuôn ép hoàn toàn dùng điện trở, do vậy chi phí
cho sản xuất cao, mặt khác do chế tạo thi
ết bị một cách đơn lẻ mà chưa đi sâu
vào tìm hiểu công nghệ, do vậy trong quá trình sản xuất sản phẩm tạo ra có chất
lượng chưa tốt (không đồng đều), làm việc không ổn định và tuổi thọ của thiết bị
thấp.
1.1.3 Đánh giá sơ bộ hiệu quả kinh tế giữa thiết bị trong nước và thiết bị trên
thế giới
Cùng một thiết bị tạ
o thanh củi nhiên liệu, với nguyên lý làm việc giống
nhau. Tuy nhiên ngoài công nghệ chế tạo thì lựa chọn nguồn năng lượng cung
cấp để phục vụ sản xuất cũng đóng vai trò không nhỏ trong việc nâng cao hiệu
quả và giảm chi phí riêng cho sản phẩm. Hiện tại, trong nước việc tạo thanh củi
nhiên liệu thì khâu gia nhiệt ở khuôn ép hoàn toàn dùng điện trở gia nhiệt, còn ở
một số nước trên thế giới thì nguồ
n nhiệt cung cấp cho khuôn ép hoàn toàn sử
dụng nguồn nhiệt từ Biomass (dùng chính một phần sản phẩm tạo ra để quay lại
phục vụ sản xuất). Xét về mặt lý thuyết thì đương nhiên việc sử dụng nguồn
cung cấp nhiệt từ Biomass sẽ giảm được chi phí năng lượng cho toàn hệ thống,
giảm giá thành của sản phẩm, bởi vì: Việc chuyển đổi năng lượng từ năng l
ượng
điện sang năng lượng nhiệt thì hiệu suất chuyển đổi sẽ nhỏ hơn khi chuyển đổi
từ sinh khối sang năng lượng nhiệt. Ngoài ra, khi sử dụng năng lượng sinh khối
thì giá thành sẽ nhỏ hơn nhiều, đồng thời sẽ chủ động hơn trong sản xuất nhất là
khi thiết bị làm việc cơ động (ở một số vùng không có nguồn điện).
Ví dụ: Với một thiết bị ép củi nhiên liệu có năng suất từ 180 – 200 kg sp

thì tổng công suất điện cần sử dụng khoảng 30 kW, khi đó bộ phận gia nhiệt
chiếm khoảng 7,5 kW (chiếm 25% tổng công suất điện), Nếu sử dụng năng
lượng sinh khối để thay thế năng lượng điện ở bộ phận gia nhiệt ở khuôn ép thì
cần khoảng 2,5kg c
ủi (đối với thanh củi trấu)
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
13
Dưới đây là bảng so sánh sơ bộ về hiệu quả kinh tế khi sản xuất củi nhiên
liệu sử dụng nguồn gia nhiệt là điệt và khi sử dụng nguồn gia nhiệt từ sinh khối.
Bảng 1.2 B
ảng so sánh hiệu quả kinh tế khi sử dụng năng lượng điện và
năng lượng sinh khối để gia nhiệt khuôn ép
TT
Nguồn gia
nhiệt
Khối
lượng
Đơn vị
Đơn giá
(đồng)
Chi phí cho
1h làm việc
(200kg sp)
(đồng)
Chi phí
cho 1000
kg sp

(đồng)
Chi phí
chênh
lệch cho
1000kg
sp
(đồng)
1 Điện 7,5 kW 2,000 15,000
75,000
2 Củi trấu 2,5 Kg 1,5000 3,750
18,780
56,250

Qua bảng trên cho thấy khi sử dụng phương pháp gia nhiệt ở khuôn ép
bằng cách sử dụng nguồn nhiệt từ năng lượng sinh khối thì chi phí riêng cho 1
tấn sản phẩm giảm 56250 đồng/tấn sản phẩm. Ngoài ra còn có các lợi ích khác
đem lại như: chủ động trong quá trình sản xuất, giảm hiệu ứng nhà kính,…
Vì vậy việc “Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
nă
ng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp” là rất
có ý nghĩa thực tiễn.

1.2 Quy trình công nghệ sản xuất thanh/củi nhiên liệu
. Hình 1.3 mô tả sơ đồ khối về quy trình sản xuất củi nhiên liệu từ phụ phẩm
nông nghiệp

Kích
thước
lớn
Làm
nhỏ

Sấy
Ép củi
Làm
mát
Đóng
bao
Phân
loại
Phụ
phẩm NN
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
14



Hình 1.3 Sơ đồ khối quy trình sản xuất thanh nhiên liệu từ phụ phẩm nông nghiệp
Từ sơ đồ cho thấy các công đoạn trong dây chuyền công nghệ sản xuất thanh
nhiên liệu từ phụ phẩm nông nghiệp được phân ra như sau:
Công đoạn phân loại
Đây là công đoạn chuẩn bị phụ phẩm, dựa vào kích thước của nguyên liệu ta
tiến hành như sau:

- Nếu là loại phế phẩm có kích thước nhỏ, đồng đều và ít tạp chất (như vỏ trấu,
mùn cưa, vỏ
cà phê, ) thì chỉ cần thiết bị phân loại đơn giản dể bỏ tạp chất.
- Nếu là các phế phẩm có kích thước lớn, nhỏ chênh lệch nhau lớn (ví dụ như:
phế phẩm chế biến gỗ) thì cần thiết phải phân loại để làm nhỏ các phế phẩm có
kích thước lớn trước khi chuyển đi khâu tiếp theo.
Công đoạn sấy
Nhiệm vụ của công đoạ
n này là làm khô vật liệu với độ ẩm nhỏ hơn 14%. Thiết
bị cho công đoạn này là các máy sấy như: sấy trống quay, sấy khí động hay sấy
băng tải
Công đoạn ép củi
Công đoạn ép củi là công đoạn chính trong quá trình tạo ra thanh nhiên liệu.
Việc lựa chọn kiểu thiết bị ép phù hợp với từng loại vật liệu, điều kiện và quy
trình ép hợp lý sẽ cho ta
định được năng suất và sản phẩm chất lượng cao cũng
như chi phí thấp. Ngược lại, nếu các yếu tố trên không được đáp ứng thì chất
lượng sản phẩm sẽ bị ảnh hưởng cũng như chi phí cao. Ngoài ra trong công đoạn
ép củi, thì khâu gia nhiệt ở khuôn ép cũng đóng một vai trò không kém. Nguyên
liệu sẽ được gia nhiệt làm nóng ở vị trí khuôn trước khi sản phẩm được đư
a ra
Kích
thước
nhỏ
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
15
ngoài, nó có tác dụng làm giảm năng lượng của quá trình ép đồng thời nâng cao

tuổi thọ của bộ phận ép (nhất là vít ép) [7].
Công đoạn làm mát sản phẩm
Sau khi ép, nhiệt độ của thanh nhiên liệu rất cao. Muốn bảo quản hoặ
c sử dụng
chúng ta phải làm nguội sản phẩm tới nhiệt độ môi trường, đồng thời trong quá
trình làm nguội sản phẩm cũng được giảm ẩm. Như vậy sẽ tốt hơn cho quá trình
sử dụng.
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
16
CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN THIẾT BỊ TẠO THANH NHIÊN LIỆU

Trong chương này nhóm tác giả trình bày một số nội dung tóm lược
như sau:
• Tính năng kỹ thuật của lực ép,
• Các loại buồng ép và quá trình ép thanh,
• Tính năng của máy ép và một số loại máy ép đang dùng,
• Lựa chọn kiểu gia nhiệt khuôn ép.
2.1 Tính năng kỹ thuật của lực ép
Trong lĩnh vực sản xuất thanh/củi nhiên liệu, việc áp dụng đúng kiểu
loại thiết bị cho công
đoạn tạo thanh là rất quan trọng. Trên cơ sở kết cấu,
nguyên lý và áp suất trong quá trình ép được thực hiện của từng loại máy,
ta cần thiết phải nhận quá trình ép tạo thanh trong từng loại trước lúc sử
dụng nó.
Sau đây tác giả tìm hiểu về các quy trình ép thanh/củi nhiên liệu dưới
tác dụng của lực ép:
a) Lực ép quay vòng theo bước vít – thiết bị loại này vận chuyển, nén

vật liệu bằng phương pháp quay. Trong quá trình quay, v
ật liệu được điền
đầy khe hở giữa các bước vít và được đẩy đi. Quá trình vận chuyển vật liệu
áp suất và lực cản xuất hiện tác dụng lên bề mặt của buồng ép.Tổng lực ép
điều hướng về phía cửa hở của buồng ép và tạo ra quá trình tạo thanh.
b)Lực ép tịnh tiến thẳng theo đầu ép – Thiết bị tạo ra chuyển động
trượt v
ới một lực rất lớn lên vật liệu trong buồng ép. Trong đó xuất hiện
quá trình ép và tạo thanh/củi.

Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
17

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý và phương pháp ép thanh [5]
a) Kiểu vít; b) kiểu pít tông
1 – Thiết bị ép; 2 – Vật liệu ép; 3 - Vỏ buồng ép

2.2 Các loại buồng ép và quá trình ép thanh

a) Buồng kín – cửa ở trên, khi ép vật liệu xuống sẽ tạo ra ma sát giữa vật
liệu và buồng. Độ mịn của thanh có thể điều chỉnh hành trình đầu ép với thể
tích vật liệu trong buồng, qua đó áp suất ép cũng thay đổi theo.
b) Buồng hở - Quá trình ép được thực hiện nhờ ma sát giữa vật liệu và
thành buồng ép. Vì vậy độ chặt của quá trình ép phụ thuộc vào ma sát của
phần buồ
ng nơi thanh ép được tạo ra, nó phụ thuộc vào hình dáng, chiều dài
và độ nhẵn bề mặt của buồng ép.

Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
18







Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý quá trình tạo thanh nhiên liệu [5]
a) Kiểu kín và b) Kiểu hở
2.3 Tính năng của máy ép và một số loại máy ép
Dựa trên tính năng kỹ thuật, ta phân ra các kiểu ép như sau:
a) Ép liên tục – vật liệu đưa vào và sản phẩm ra liên tục. Loại này được
thể hiện nhờ máy ép kiểu vít. Thiết bị này hoạt động theo kiểu chuyển
động tròn, vật liệu được dịch chuyển nh
ờ cánh vít và dọc theo buồng
ép kiểu hở.
b) Ép xung – vật liệu được ép từg phần nhỏ nhờ đầu ép của thiết bị ép.
Quá trình ép vật liệu xảy ra theo chu trình, vì vậy trong thanh nhiên liệu
vật liệu được xếp theo từng lớp. Phương pháp nà được sử dụng trong máy
ép liểu pít tông và máy ép khuôn.
c) Ép một pha – vật liệu được ép chỉ trong một lần. Loại này áp dụng

trong máy ép kiểu thủy lực.
d) Ép hai pha – vậ
t liệu được ép hai lần. Loại này áp dụng trong máy ép
kiểu thủy lực.

Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
19

Hình 2.3 Sơ đồ quá trình ép vật liệu theo tính năng của máy[5]
a) kiểu ép vít; b),c),d) kiểu pít tông
1. Thiết bị ép 3. Vỏ buồng ép 5. Đầu ép trên
2. Vật liệu ép 4. Sản phẩm sau ép 6. Đầu ép dưới
g. Chiều dài thanh nhiên liệu( sau 01 chu kỳ ép )
l. Chiều rộng thanh nhiên liệu; S, S1, S2 – Hành trình ép
Thiết bị dùng để tạo thanh nhiên liệu là thiết bị làm thay đổi thể tích vật liệu
môt cách rất nhanh. Dưới tác dụng của ngoại lực, áp suất và nhiệt độ tăng lên
làm giải phóng chất lignin trong vật liệu, liên kết các thành phần tế bào tạo
thành thanh theo khuôn mẫu.
Chúng ta có thể phân loại các kiểu máy tạo thanh như sau:
• Máy tạo thanh nhiên liệu kỉểu thủy lực
• Máy tạo thanh nhiên liệu kỉểu pít tông
• Máy tạo thanh nhiêu liệu kiểu trục vít
• Máy tạo thanh nhiêu liệu kiểu trục
2.3.1 Máy ép thanh nhiên liệu kiểu thủy lực
Thiết bị tạo thanh nhiên liệu kiểu thủy lực được chia làm 02 nhóm:
- Loại buồng ép hở
- Loại buồng ép kín

Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
20
Loại này phụ thuộc vào kích thước buồng và đầu ép. Thiết bị tạo thanh
nhiên liệu thủy lực cho ta dải năng suất làm việc có thể đạt được là rất lớn từ
hàng chục đến hàng trăm kg/h.
Nă
ng suất thiết bị còn phụ thuộc mật thiết vào đặc tính của vật liệu cần ép
như: độ ẩm, độ mịn và tỷ trọng.
• Máy ép thanh nhiên liệu kiểu thủy lực buồng hở hình 2.4

Hình 2.4 Kết cấu máy tạo thanh nhiên liệu kiểu thủy lực buồng hở [5]
1. Buồng nạp liệu 6. Đầu ép thứ cấp
2. Đầu ép sơ cấp 7. Buồng ép
3. Van điều chỉnh áp lực 8. Cơ cấu thủy lực
4. Tủ điện điều khiển 9. Đầu kẹp thanh nhiên liệu
5. Bơm thủy lực
Loại máy tạo thanh nhiên liệu kiểu thuỷ lực b kính buồng hở
(hình2.4),
đường kính buồng ép khoảng 50 ÷ 100mm, chiều dài thanh nhiên liệu dài không
quá 02 lần đường kính.
Tuy nhiên loại máy này có hạn chế về thủy lực học nên năng suất máy ép
không được lớn, không vượt quá 300kg/h.
Hình 2.5 và hình 2.6 dưới đây giới thiệu về nguyên lý và quy trình làm việc
của máy tạo thanh nhiên liệu dạng thủy lực kiểu buồng hở.
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện

năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
21


Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý kết cấu máy tạo thanh nhiên liệu thủy lực buồng hở[5]
1. Thiết bị cấp liệu( vít tải) 6. Buồng cấp liệu
2. Đầu ép sơ cấp 7. Buồng ép
3,4,8. Sylanh thủy lực 9. Đầu kẹp thanh nhiên liệu
5. Đầu ép thứ cấp


Hình 2.6 Quy trình làm việc của máy tạo thanh nhiên liệu thủy lực buồng hở[5]
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
22
I. Thiết bị nạp liệu, nạp liệu đầy vào buồng cấp liệu và bắt đầu quá trình ép
vật liệu.
II. Sy lanh thủy lực đứng dịch chuyển đầu ép sơ cấp đi xuống và bịt kín mặt
trên của buổng ép.
III. Sylanh thủy lực ngang dịch chuyển đầu ép thứ cấp đi vào buồng ép.
IV. Lực ép khoảng 100Mpa làm cho vật liệu thay đổi thể tích và biến dạng,
đồng thời vật liệu bị ép đi qua đầu kẹp được định hình và tạo thành thanh nhiên
liệu.
Loại máy này có ưu điểm là: kết cấu không quá phức tạp, tuy nhiên có hạn
chế là năng suất không cao mà giá thành thiết bị tương đối lớ
n từ đó dẫn tới
thành sản phẩm không có tính cạnh trang.
* Máy tạo thanh nhiên liệu thủy lực kiểu buồng kín

Đặc tính kỹ thuật: Loại thiết bị tạo thanh nhiên liệu bằng thủy lực buồng
kín có cơ cấu lớn hơn loại buồng hở.
Thể tích buồng ép khoảng 500 ÷ 4.000dm
3
. Năng suất có thể đạt tới 200 ÷
400 kg/h. Loại này thường dùng cho ép phế liệu gỗ và giấy.

Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
23
Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý và kết cấu máy tạo thanh nhiên liệu kiểu thủy lực
buồng kín[5]
1. Cấp liệu bằng cơ khí 6. Buồng cấp liệu
2. Đầu ép sơ cấp 7. Cơ cấu đẩy sản phẩm
3,4,8,9. Sylanh th
ủy lực 8. Cơ cấu đóng mở cửa ra
liệu
5. Đầu ép thứ cấp


Hình 2.8 Quy tình hoạt động của máy tạo thanh nhiên liệu thủy lực kiểu
kín[5]
Trên hình 2.8 thể hiện các công đoạn tròn 01 quy trình tạo thanh nhiên liệu
đối với máy ép thủy lực kiểu buồng kín:
I. Thiết bị cấp liệu vào đầy buồng cấp liệu.
II. Sylanh thủy lực đứng đẩy đầu ép sơ cấp xuống vật liệu và bịt kín phần
trên buồng ép.
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
24
III. Sylanh ngang đẩy đầu ép thứ cấp chuyển động và ép vật liệu vào phần
trên khuôn ép, đồng thời cơ cấu gạt sản phẩm lần trước ra khỏi phần dưới
khuôn ép.
IV. Sau khi ép xong, đầu ép thứ cấp được sylanh thủ
y lực ngang kéo trở lại
vị trí ban đầu, đồng thời khuôn ép cũng được trở lại vị trí ban đầu. Chuẩn bị
cho hành trình ép tiếp theo.
Đây là loại thiết bị làm việc theo chu kỳ và 02 công đoạn, công đoạn ép sơ
bộ từ trên xuống và công đoạn ép ngang. Sản phẩm của thiết bị là thanh ép có
kích thước lớn, nhất là loại buồng kín. Loại máy này có ưu và nhược điểm:
-
Do áp lực của thiết bị thủy lực có hạn, nên thanh nén có độ tỷ trọng
thấp nên thường dùng ép kiện phục vụ cho vận chuyển và bảo quản.
- Tiêu thụ năng lượng ít hơn so với các loại máy ép hiện đại.
- Hao mòn thiết bị nhỏ nhưng chi phí đầu tư cao.

2.3.2 Máy tạo thanh nhiên liệu kiểu pít tông (lệch tâm) cơ cấu biên tay
quay.
Máy tạo thanh nhiên liệu kiểu pít tông( cơ cấu biên tay quay) làm việc theo
nguyên lý cấp liệu và tạo ra sản phẩm liên tục. Chiều dài sản phẩm có thể điều
chỉnh. Máy tạo thanh nhiên liệu kiểu pít tông làm việc theo nguyên lý ép tạo
xung lên vật liệu. Tần số vòng quay của bánh đà khoảng 150 ÷ 200lần/phút. Vì
vậy nó tạo ra một lực xung động lên toàn bộ thiết bị. Vì vậy gá l
ắp, bắt chặt thiết
bị là rất cần thiết.
Năng suất của loại thiết bị này có thể đạt tới vài trăm đến vài ngàn kg/h.

Thiết bị loại này tạo ra thanh nhiên liệu hình trụ có đường kính từ 40 đến
120 mm,chiều dài đến 300 mm. Năng suất thiết bị từ 150 đến 2.500 kg/h, áp suất
ép đạt tới 200Mpa. Thanh nhiên liệu tạo bởi lực ép xung có kết cấu theo lớp từ
mộ
t vài đến một vài chục mm. Với kết cấu như vậy, thanh nhiên liệu loại này có
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
25
thể dễ dàng bẻ ra thành nhiều lớp( loại) với nhiều kích thước. Sơ đồ nguyên lý,
cấu tạo của máy ép loại này được thể hiện dưới hình 2.9 và hình 2.10 sau đây:







Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý máy tạo thanh nhiên liệu kiểu pít tông[5]
1. Cơ cấu trục khủyu hoặc lệch tâm 4. Thiết bị cấp liệu
2. Rãnh định hướng 5. Buồng cấp liệu
3. Đầu ép 6. Buồng ép

Hình 2.10 Sơ đồ cấu tạo máy tạo thanh nhiên liệu kiểu pít tông[5]
1. Tủ điểu khiển 6. Đầu ra nhiên liệu
2. Động cơ điện 7. Buồng ép
3. Dây đai truyền động 8. Cơ cấu ép
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh khối để thay thế điện
năng trong thiết bị ép thanh nhiên liệu từ phụ phế phẩm nông nghiệp
26
4. Bánh đai( bánh đà) 9. Bệ máy
5. Phễu cấp liệu







Hình 2.11 Quy trình hoạt động của máy tạo thanh nhiên liệu kiểu pít tông [5]

Quy trình hoạt động của máy ép tạo thanh nhiên liệu kiểu pít tông được
thể hiện như sau:
I. Vít cấp liệu vào buồng ép
II. Cơ cấu truyền động đẩy đầu ép vào buông cấp liệu
III. Vật liệu được dồn ép chặt vào buồng ép( khuôn ép)
VI. Cơ cấu truyền động kéo đầu ép về vị trí ban đầu để tiếp tục hành trình
tiếp theo.
Mỗi lần ép như vậy, lực ép lên tới 200MPa. Với tác d
ụng của áp suất ép và
lực ma sát lớn nhiệt độ lên tới 150
0
C.
Sau mỗi lần ép vật liệu dịch chuyển vào khuôn ép, ở đây vật liệu được kết
dính, ổn định về cơ lý tính, áp suất, nhiệt độ và hình dạng. Sau đó sản phẩm
được đẩy ra giàn đỡ có cơ cấu kẹp với chiều dài đến hàng chục mét nhằm mục
đích giữ nguyên hình dạng thanh nhiên liệu sau khi được ép. Trong quá trình

dịch chuyển trên giàn đỡ sản phẩm – thanh nhiên liệu được thoát ẩm ra môi