cơ sở lý thuyết ép củi trấu

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.0. ƯU ĐIỂM CỦA CỦI TRẤU SO VỚI CÁC LOẠI NHIÊN LIỆU KHÁC:

 Tiết kiệm hơn:
- Củi trấu cháy triệt để, khi đốt sinh nhiệt tốt, nhiệt lượng khoảng 3900 kcal/kg, do trong
trấu thành phần chất xơ chiếm 75%, dễ bén lửa, khi cháy không có khói và mùi tỏa ra rất
dễ chịu.
- Giá củi trấu rẻ hơn so với các loại nhiên liệu khác, giá củi trấu khoảng 1300 đ/kg trong
khi giá than đá khoảng 5000 đ/kg.
- So với củi khô: nhiệt lượng của củi khô khoảng 2100 kcal/kg. Như vậy, 1kg củi trấu ≈
1,86 kg củi khô. So với than đá: nhiệt lượng của than đá khoảng 5500 kcal/kg. Như vậy,
1kg củi trấu ≈ 0,71 kg than đá.

 Hạn chế ô nhiễm môi trường:
- Củi trấu là sản phẩm vừa giảm thiểu được lượng chất thải ra môi trường, vừa đảm bảo tỉ
lệ ô nhiễm khi sử dụng là không đáng kể, không những vậy tàn tro của củi trấu sau khi
đốt có chứa trên 80% là silic oxít (SiO 2), hiện nay có thể tận dụng cho rất nhiều lĩnh vực
(về mặt này nhiều doanh nghiệp sản xuất gạch và gốm đã bán lại cho nông dân tàn tro sử
dụng trong việc cải tạo đất) như vậy xét về mặt môi trường củi trấu hoàn toàn là sản phẩm
tiện ích cho môi trường trong sạch.

 Ví dụ thực tế ở một số lò hơi sử dụng củi trấu:
- Tiêu hao nhiên liệu than đá cho lò hơi công suất 1 tấn hơi là 106 kg/giờ. Tiêu hao nhiên
liệu củi trấu cho lò hơi công suất 1 tấn hơi là 195 kg/giờ. Giá thành nhiên liệu than là
5.000 đ/kg, nhiên liệu củi trấu là 1300 đ/kg. Chi phí cho lò hơi công suất 1 tấn hơi đối với
nhiên liệu than là 106x5000 = 530.000 đ/giờ, đối với hiên liệu củi trấu là: 195x1300 =
253.500 đ/giờ. Chênh lệch chi phí nhiên liệu cho lò hơi công suất 1 tấn/giờ là: 276.500
đ/giờ. Tiết kiệm nhiên liệu cho lò hơi công suất 1 tấn khi chuyển từ đốt than sang đốt củi
trấu là: (276.500/530.000)*100% = 52 %.

3.1. ĐẶC ĐIỂM CỦA VỎ TRẤU:
3.1.1. Cấu tạo của vỏ trấu:
- Vỏ trấu do hai lá của gié lúa là vảy lá và mày hoa tạo thành. Cả hai phần này được ghép
liền với nhau theo nếp dọc bằng một nếp gấp cài vào nhau. Phần trên của hai mảnh của vỏ
trấu chuyển thành đoạn cuối của vỏ trấu và cuối cùng kết thúc thành một cái râu (awn).
- Thành phần hóa học của vỏ trấu gồm:
+ Xenlulô: chiếm nhiều nhất khoảng (26 – 35)%, là hợp chất cao phân tử có công
thức cấu tạo là (C6H10O5)n.
+ Hemi – Xenlulô: chiếm khoảng (18 – 22)%, là hợp chất hóa học tương tự như
xenlulô nhưng có kích thước phân tử nhỏ hơn và không có cấu trúc chặt chẽ cũng như độ
bền hóa lý thấp hơn xenlulô.
+ Lignin: chiếm khoảng (25 – 30)%, là hợp chất cao phân tử có cấu trúc vô định
hình khác với xenlulô. Lignin tồn tại ở 3 trạng thái: thủy tinh (biến dạng là biến dạng đàn
hồi), dẻo (biến dạng không thuận nghịch), lỏng dính.
+ SiO2: chiếm khoảng 20%

H2.3.0. Hàm lượng vỏ trấu trong hạt lúa.
3.1.2. Các đặc tính đặc trưng của vỏ trấu:
- Tuỳ theo từng loại trấu mà trấu có chiều dài từ (5 – 10)mm, chiều ngang bằng (1/2 - 1/3)
chiều dài.
- Góc nghỉ của trấu từ (35 – 50)0 tuỳ theo ẩm độ và điều kiện nhiệt độ môi trường.


3.1.3. Đặc diểm chung về lý hóa tính của vỏ trấu:

Vỏ trấu

Tro trấu (RHA)

Đốt cháy vỏ trấu

Vỏ trấu được Carbon hóa (CRH)
H2.3.1. Một số hình ảnh về vỏ trấu

- Vỏ trấu không cháy dễ dàng với ngọn lửa trần trừ khi có không khí thổi qua. Vỏ trấu có
khẳ năng chống ẩm và mục rữa nên nó là vật liệu cách nhiệt tốt.
- Tro trấu chứa nhiều SiO 2 gây nên hiện tượng ăn mòn các loại lò sử dụng vỏ trấu làm
chất đốt.


+ Bảng thành phần hóa học của tro trấu (RHA):
Thành phần hóa học
SO2
K2O
Na2O
CO
MO
Fe2O3
P2O5
SO3
Cl

%
86 - 97.3
0.58 - 2.5
0.0 - 1.75
0.2 - 1.5
0.12 - 1.96
trace - 0.54
0.2 - 2.85

0.1 - 1.13
trace - 0.42

- Vỏ trấu khó xử lý vì cồng kềnh và bụi bặm. Vỏ trấu có góc nghỉ khoảng 40 0 ÷ 450 điều
đó ảnh hưởng đến khả năng chảy của nó. Ví dụ như trong máng thức ăn chăn nuôi là rất
khó khăn.
- Khối lượng riêng của vỏ trấu thấp khoảng (70 ÷ 110)kg/m 3 do đó đòi hỏi không gian lớn
để lưu trữ và vận chuyển và điều này là không kinh tế.
+ Bảng khối lượng riêng của một số loại chất đốt:
Tính chất
Loose
Vibrated
Bricketed or pelleted
Ground

Vỏ trấu
73-112
122-145
180
230-400

Tro trấu
96-192

Rơm

Gỗ
300-900

- Khi đốt cháy vỏ trấu tạo ra một lượng tro khoảng (17 ÷ 26)% cao hơn rất nhiều so với

gỗ [(0,2 ÷ 2)%] và than đá (12,2%). Dẫn đến có một khối lượng lớn tro trấu cần phải được
xử lý.


+ Hàm lượng tro trong một số loại chất đốt:
Tính chất
Chất dễ bay hơi
Cacbon
Tro

Vỏ trấu
64.7
15.7
19.6

Rơm
69.7
11.1
19.2

Gỗ
85
13
2

- Trấu có giá trị nhiệt lượng trung bình cao (khoảng 3410kcal/kg). Do đó, nó là một
nguồn năng lượng tái tạo tốt.
- Tro trấu có nhiệt độ nóng chảy thấp nên tạo ra xỉ.
3.1.4. Tính chất hóa học của vỏ trấu:
- Thành phần hóa học của vỏ trấu:

+ Thành phần các nguyên tố hóa học (%):
Nguyên tố hóa hóc
C
H
O
N
S

Vỏ trấu
38.7
5
36
0.5
0.1

Rơm
37.7
5
37.5
0.6
-

Gỗ
48
6.5
43
0.5
-

+ Thành phần hóa học của vỏ trấu (%):

Vỏ trấu

Xenlulô

Hemi – Xenlulô

Lignin

Lemont

29.20

20.10

30.70

ROK 14

33.47

21.03

26.70

CP 4

25.89

18.10

31.41

Pa Potho

35.50

21.35

24.95

Trung bình

31.02

20.15

28.44

* Lemont, ROK 14, CP 14, Pa Potho: là 4 giống lúa mẫu.


- Độ ẩm của vỏ trấu:
Độ ẩm tương đối (%)
10
20
30
40
50
60
70

80
90

Độ ẩm cân bằng (%)
Vỏ trấu
Rơm
3.7
5.4
6.8
7.9-8.1
9.1 -9.5
5.5
10.1 -10.8
6.3
10.8 - 11.8
9.5
11.6 - 12.9
12.5
14 - 15.3
21

Gỗ
3.5
5
6
7.5
9
10
12
14.5

18

3.2. NGUYÊN LÝ ÉP CỦI TRẤU:
- Củi trấu được tạo ra từ vỏ trấu bằng cách ép các vỏ trấu lại với nhau dưới áp suất ép cao
và được kết dính lại với nhau nhờ chất lignin có trong vỏ trấu (chiếm từ 25% – 30%).
Chất lignin này sẽ chuyển sang trạng thái lỏng dính ở nhiệt độ khoảng (200 – 220) 0C giúp
kết dính các vỏ trấu lại với nhau.
- Trong quá trình ép do ma sát giữa vỏ trấu và các chi tiết máy cũng như ma sát giữa các
vỏ trấu với nhau sẽ sinh ra nhiệt làm chảy chất lignin. Ngoài ra, để cung cấp thêm nhiệt
làm chảy chất lignin thì người ta còn gắn thêm một bộ gia nhiệt lắp vào khuôn ép.
- Như vậy, theo nguyên lý ép này thì nguyên liệu đầu vào không cần phải thêm chất kết
dính nào nhưng sản phẩm gỗ đầu ra vẫn cứng tự nhiên và bề mặt được cacbon hóa.
3.3. ÁP SUẤT ÉP CẦN THIẾT:
- Để xác định được áp suất ép thì phải xác định được khối lượng riêng của vật liệu đầu
vào (vỏ trấu) và khối lượng riêng của sản phẩm đầu ra (củi trấu).

 Khối lượng riêng của vỏ trấu:
ρ1 = (70 ÷ 110) kg/m3 → chọn ρ1 = 90 (kg/m3)

 Khối lượng riêng của gỗ:
ρ2 = (480 ÷ 1280) kg/m3 → chọn ρ2 = 1000 (kg/m3)

 Tỷ số nén:
- Tỷ số nén được xác định theo công thức sau:


ε = = ≈ 11
ρ1 = và ρ2 =

- Ta có:

Trong đó:

+ m1, m2: khối lượng vật liệu đầu vào, khối lượng sản phẩm đầu ra.
+ V1, V2: thể tích đầu vào, đầu ra của khuôn ép.
- Khi ép thì cứ 1kg vỏ trấu vào thì sẽ cho ra khoảng 1kg củi trấu nên có thể xem m 1 = m2.
Khi đó:
ε= =

 Xác định áp suất ép:
- Áp suất ép ứng với mỗi khối lượng riêng xác định của vỏ trấu được xác định theo biểu
đồ sau:

H3.5.0.Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa áp suất và khối lượng riêng
(Bossel, 1984)
- Từ biểu đồ trên với khối lượng riêng của sản phẩm thu được là: ρ ≈ 1000 kg/m3. Ta
chọn áp suất ép là: Pmax ≈ 75 bar.
3.4. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ ÉP ĐÙN:


3.4.1. Khái niệm về ép đùn vật liệu:
- Ép đùn vật liệu là một trong những phương pháp sử dụng rất phổ biến ở các nhà máy xí
nghiệp, nhất là ở các nhà máy sản xuất gạch (nhà máy gạch, nhà máy sản xuất thức ăn cho
tôm, nhà máy cao su…) thì máy ép đùn đóng một vai trò rất quan trọng.
- Mỗi nhà máy, xí nghiệp sản xuất mỗi sản phẩm và máy đùn ép các loại vật liệu khác
nhau tùy theo sản phẩm của nhà máy. Ở đây ta chỉ xét máy ép đùn vật liệu là vỏ trấu.
Theo ý nghĩa của nó thì ép đùn được hiểu là từ vỏ trấu ban đầu sau khi qua máy đùn (máy
đùn vít xoắn, xilanh đẩy…) ta sẽ thu được sản phẩm có hình dạng và chiều dài mong
muốn.
3.4.2. Ép định hình:
- Để tăng độ bền cho vật thể rời ta dùng phương pháp ép (nén chặt) trong không gian kín,

dưới tác dụng của áp suất bên ngoài cho đến khi thu được một khối có độ chặt và nó
không thể tự tách rời nhau được.
- Khi ép cần có kèm theo sự nghiền nát và sự di chuyển tương đối giữa các chất và có sự
trộn lẫn nhau. Do đó, xảy ra sự biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi. Những yếu tố quyết
định quá trình ép sản phẩm phân tán có thể chia thành 2 nhóm:

 Yếu tố đặc trưng cho tính cơ lý:
- Môđun ép: đặc trưng cho khả năng của sản phẩm khi bị nén chặt dưới tác dụng của áp
suất (bỏ qua tổn thất do ma sát), yếu tố này không đổi và phụ thuộc vào loại sản phẩm,
cấu trúc và kích thước của các hạt thành phần.
- Hệ số áp suất bền: là tỉ số giữa áp suất mặt bên của vật liệu ép với áp suất tác dụng thẳng
đứng.
- Độ ẩm, nhiệt độ, thành phần và kích cỡ của hạt sản phẩm.

 Các yếu tố đặc trưng cho điều kiện ép:
- Áp suất riêng.
- Ma sát giữa sản phẩm và dụng cụ ép, đại lượng này phụ thuộc vào thành phần, tính chất
của sản phẩm và trạng thái bề mặt của dụng cụ ép.
- Hình dáng bánh ép, dụng cụ ép và tương quan kích thước của nó.
- Chế độ ép có thể là ép chu kỳ hoặc ép liên tục.


- Hệ số bề mặt của vật liệu ép trực tiếp chịu áp suất ép, phụ thuộc vào số bề mặt trực tiếp
mà quá trình ép có thể tiến hành được, hệ số cụ thể như sau:
+ Một mặt: áp suất nén chặt tác dụng vào một bề mặt của vật liệu ép
+ Hai mặt: áp suất nén chặt tác dụng lên 2 bề mặt đối diện của vật liệu ép
+ Nhiều mặt: áp suất nén chặt tác dụng lên 3 đến 6 mặt của vật liệu ép
 Hệ số nén chặt đối với tiết diện ép là không đổi được xác định theo công thức:
β=
Trong đó:

Y: khối lượng toàn thể tích vật ép (kg).
Yn: khối lượng thể tích cốt vật chất (kg).
 Đặc trưng cơ bản của quá trình đông và liên kết của vật liệu là sự phụ thuộc giữa sự
tăng áp suất và hệ số nén chặt của vật chất.
 Nói chung ép 2 phía sẽ giảm được áp suất ép từ 10 đến 20% so với ép một phía. Ép 2
phía sẽ thu được sản phẩm theo chiều cao đồng đều hơn, cải tiến được nhiều về chất
lượng sản phẩm.
3.4.3. Các phương pháp ép đùn được sử dụng trong công nghiệp hiện nay:
- Hiện nay có 2 công nghệ ép đùn được sử dụng phổ biến, đó là:
• Pittông ép.
• Vít đùn.

 Sử dụng Pittông ép:
- Cấu tạo:

H2.3.2. Pittông ép


+ Pittông – xylanh

+ Trục dẫn hướng

+ Khuôn ép

+ Điện trở nhiệt

+ Động cơ điện

+ Phễu cấp liệu

+ Vít tải

- Các ưu và nhược điểm của công nghệ Pittông ép:
 Có ít chuyển động tương đối giữa pittông và nguyên liệu. Do đó, độ mài mòn
của pittông giảm đáng kể.
 Là công nghệ hiệu quả nhất về chi phí.
 Một số kinh nghiệm vận hành đã đạt được bằng cách sử dụng các loại nguyên
liệu khác nhau.
 Độ ẩm của nguyên liệu ≤ 12% sẽ cho kết quả tốt nhất.
 Chất lượng của sản phẩm giảm xuống khi tăng năng suất mà năng lượng tiêu thụ
không đổi.
 Lớp bên ngoài của sản phẩm không được Cacbon hóa. Và sản phẩm tạo ra hơi
giòn.

 Sử dụng Vít đùn:
- Cấu tạo:

H 2.3.3. Vít đùn
+ Phễu cấp liện

+ Vít đùn

+ Xylanh

+ Khuôn ép

+ Điện trở nhiệt

+ Động cơ

- Các ưu và nhược điểm của công nghệ Vít đùn:
 Sản phẩm ra là liên tục và đồng nhất.


 Bề mặt ngoài của sản phẩm được Carbon hóa một phần tạo điều kiện thuận lợi
cho việc bắt lửa dễ dàng và đốt cháy. Lớp Carbon hóa này còn giúp bảo vệ sản
phẩm tránh được độ ẩm của môi trường xung quanh.
 Sản phẩm tạo ra có một lỗ tròn giúp đốt cháy tốt vì cung cấp đủ không khí trong
quá trình cháy.
 Máy chạy rất êm và không chịu rung sốc hoặc tải trọng đột ngột
 Máy hoạt động tốt hơn so với pittông ép vì không có các bộ phận qua lại và
bánh đà.
 Các bộ phận máy và dầu được bảo vệ khỏi bụi, nguyên liệu nhiễm bẩn chưa
được xử lý
 Yêu cầu năng lượng của máy là cao so với máy piston ép.
- Các loại máy có trên thị trường:

H2.3.4. Máy ép củi trấu của CTY TNHH SX - TM - DV - CHẾ TẠO MÁY NGỌC THÀNH
3.5. SO SÁNH CHỌN PHƯƠNG ÁN GIỮA MÁY ÉP KIỂU PITTÔNG VÀ MÁY
ÉP KIỂU VÍT:
(Nguồn: Biomass Briquetting: Technology and Practices – P.D. Grover & S.K. Mishra)

 Bảng so sánh giữa máy ép kiểu pittông và máy ép kiểu trục vít:
CHỈ TIÊU
Độ ẩm tối ưu của vật liệu
Độ mài mòn giữa các chi
tiết

PITTÔNG ÉP

VÍT ĐÙN

(10 – 15)%

(8 – 9)%

Thấp trong trường hợp của
pittông và khuôn ép

Cao trong trường hợp của
trục vít


Đầu ra của máy

Gián đoạn

Liên tục

(Trong các hành trình kép)
Năng lượng tiêu thụ

50 kWh/tấn

60 kWh/tấn

(1 - 1.2)g/cm³

(1 - 1.4)g/cm³

Thấp

Cao

Hiệu suất đốt cháy của sản
phẩm

Không tốt

Tốt

Khả năng Cacbon hóa

Không thể

Tốt

Phù hợp trong khí hóa

Không phù hợp

Phù hợp

Không đồng nhất

Đồng nhất

Khối lượng riêng của vật
liệu
Bảo trì

Tính đồng nhất của sản
phẩm

 Kết luận:
- Từ bảng so sánh trên cùng với tính khả thi của Công nghệ ép đùn kiểu trục vít mà nhóm
Sinh viên chọn thiết kế Máy ép đùn kiểu trục vít trong Đồ án Tốt nghiệp của mình.
3.6. CÁC YẾU TỐ ẨNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH ÉP ĐÙN:
3.6.1. Áp lực ép:
- Công nghệ ép được chia thành:
+ Nén áp lực cao.
+ Nén áp lực trung bình với một thiết bị gia nhiệt.
+ Nén áp suất thấp với chất kết dính.
- Nếu nguyên liệu được nén không có chất kết dính thì các hạt được kết dính với nhau
nhờ lực Vander Waal’s, lực hóa trị, lực tĩnh điện hoặc lồng vào nhau.

Có chất kết dính

Lực Vander Waal’s


Các hạt lồng vào nhau

Lực tĩnh điện

H.2.3.4. Một số loại liên kết.
3.6.2. Tính chất của vật liệu:
- Khả năng chảy loãng và độ kết dính (chất bôi trơn và chất kết dính có thể truyền các dặc
điểm này để kết dính vật liệu).
- Kích thước hạt (hạt quá mịn thì độ dính kết cao hơn dẫn đến khó khăn trong việc chảy

vật liệu).
- Lực bề mặt (quan trọng trong việc tăng độ bền).
- Tính kết dính.
- Độ cứng (hạt quá cứng dẫn đến khó khăn trong việc thiêu kết vật liệu).
- Phân bố hạt theo kích thước ( những hạt đủ mịn cần kết dính với những hạt lớn hơn để
tạo sự gắn kết chặt chẽ hơn).
3.6.3. Các phụ phẩm nông nghiệp phù hợp với quá trình ép:

 Độ ẩm thấp:
- Độ ẩm nên càng thấp càng tốt (khoảng 10÷15%), độ ẩm cao sẽ phải tốn một phần chi
phí trong việc sấy sơ bộ.

 Hàm lượng tro:
- Hàm lượng tro nhiều sẽ không tốt vì tro sẽ ngưng tụ trên các ống của các loại máy sưởi
và buồng đốt của lò hơi.
3.7. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ÉP CỦI TRẤU:

SÀNG

NGHIỀN

SẤY SƠ BỘ


ÉP

LÀM MÁT

ĐÓNG GÓI