Độ bền của viên nén hay đo lường chỉ số độ bền viên (Pellet Durability Index – PDI) là mối quan tâm của các nhà sản xuất viên sinh khối, bởi độ bền được coi là thước đo chất lượng viên.
Độ bền viên đánh giá theo phương pháp KSU Tumbler bằng máy ST136 PDI Tester hiện đang được sử dụng như là công cụ giúp các nhà máy sản xuất năng lượng sinh học có thông tin, phương pháp để đo lường độ bền của viên, các yếu tố ảnh hưởng (như: kích thước hạt, nhiệt độ tạo hình, hàm lượng độ ẩm, mật độ khối) về độ bền của viên thu được từ các loại sinh khối khác nhau.
ĐÁNH GIÁ VỀ ĐỘ BỀN CỦA VIÊN SINH KHỐI
Do mối đe dọa của biến đổi khí hậu, nhu cầu giảm phát thải khí nhà kính và giá dầu tăng cần phải tăng cường sử dụng sinh khối trong sản xuất năng lượng. Pelleting là một công nghệ hứa hẹn có thể chuyển đổi năng lượng sinh khối thành dạng hữu ích hơn thông qua dạng thức mật độ cao để dễ dàng xử lý, lưu trữ và vận chuyển. Bài viết này trình bày một số khía cạnh về các loại sinh khối được sử dụng rộng rãi trên thế giới để sản xuất viên và hiện trạng viên sản xuất ở Romania.
Ngoài ra, trong nghiên cứu này còn trình bày một số phương pháp được sử dụng để đo độ bền viên và ảnh hưởng của một số yếu tố (như: kích thước hạt, nhiệt độ tạo hình, hàm lượng độ ẩm, mật độ khối) về độ bền của viên thu được từ các loại sinh khối khác nhau, vì độ bền được coi là thước đo chất lượng viên.
GIỚI THIỆU
Các mối đe dọa của sự nóng lên toàn cầu do tăng lượng khí thải nhà kính, tăng giá nhiên liệu hóa thạch và nhu cầu độc lập về năng lượng đã dẫn đến nhu cầu ngày càng tăng và sự cần thiết sử dụng sinh khối trong sản xuất năng lượng.
Sinh khối là vật liệu sinh học còn sống và đã chết gần đây có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho sản xuất năng lượng và cũng có thể bao gồm các chất thải có khả năng phân hủy sinh học có thể đốt làm nhiên liệu [8].
Sinh khối là nguồn năng lượng tái tạo vì nguồn cung cấp nó không bị giới hạn. Cây cối và hoa màu là phát triển liên tục và chất thải sẽ luôn được tạo ra. Một số ưu điểm chính của việc sử dụng sinh khối để sản xuất năng lượng là: tính sẵn có cao do lượng sinh khối ngày càng tăng vĩnh viễn; giảm phát thải khí nhà kính; sự bền vững về môi trường; chi phí thu hồi thấp [9]. Việc sử dụng sinh khối giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch nhằm tăng đảm bảo nguồn cung, giúp duy trì sự ổn định trước những cú sốc giá có thể xảy ra và giảm nhập khẩu nhiên liệu hóa thạch [1] Sinh khối là nguồn lớn thứ ba trên thế giới để sản xuất điện năng và là nguồn chính để sản xuất năng lượng nhiệt [13].
Tạo viên là sự kết hợp của các bước tuần tự (Hình 1), trong đó sinh khối được nén dưới áp suất cao để thu được vật liệu đặc, gọi là viên. Quá trình ép viên cung cấp nhiều ưu điểm: mật độ năng lượng của nhiên liệu sinh học tăng lên giúp quá trình đốt cháy hiệu quả hơn; giảm việc xử lý nhiên liệu sinh học; chi phí lưu trữ và vận chuyển thấp hơn; sinh khối tổng thể được cải thiện chất lượng; độ ổn định và độ bền [11], mức bụi thấp hơn và giá trị gia nhiệt cao hơn; ô nhiễm thấp hơn [4].
Phế thải nông nghiệp là nguyên liệu sinh khối lớn nhất trên thế giới, xét về điều đó thì khoảng 1,5 Gt rơm từ cây ngũ cốc được sản xuất hàng năm trên toàn thế giới [2]. Sự suy thoái phân hủy của chúng có những hậu quả không mong muốn tiềm ẩn, chẳng hạn như phát thải khí nhà kính, vì vậy việc sử dụng chúng như một nguồn năng lượng tái tạo để sản xuất viên góp phần giảm thiểu CH4 phát thải từ đất và phát thải CO2 từ việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch [5]. Phế phẩm nông nghiệp, chẳng hạn như ống hút và thân cây ngũ cốc (lúa mì, gạo, lúa mạch đen và lúa mạch), vỏ trấu, lõi ngô, thân cây ngô, ngọn mía thường được sử dụng trong sản xuất viên.
Một số cây năng lượng bao gồm miscanthus, cỏ switchgrass, hướng dương, cải dầu, cây gai dầu, cây dương liễu, lúa miến và cỏ linh lăng có thể được sử dụng để sản xuất viên [8]. Viên cũng có thể được lấy từ các loại sinh khối còn sót lại khác nhau có nguồn gốc từ quá trình sản xuất dầu (dầu hướng dương, dầu, v.v.).
Ví dụ, viên từ bánh ô liu được sản xuất ở quy mô thương mại ở Địa Trung Hải các nước Đông Âu và được tiếp thị như một nguồn năng lượng khả thi [11].
Thị trường viên toàn cầu đã có sự tăng trưởng nhanh chóng và dự kiến sẽ tăng trưởng nhanh hơn trong thời gian tới [6]. Với sản lượng 11,5 triệu tấn vào năm 2013 (50% sản lượng toàn cầu sản xuất), Liên minh Châu Âu là nhà sản xuất viên gỗ lớn nhất trên toàn cầu [21]. Năm 2013, Năng lực sản xuất viên của Romania là 480.000 tấn, trong đó sản xuất được 360.000 tấn bởi bốn nhà sản xuất lớn. 120.000 tấn còn lại, với chất lượng thấp hơn đáng kể, đã được được sản xuất bởi các nhà sản xuất nhỏ để sử dụng trong gia đình. Năm 2014, sản lượng viên của Romania tăng khoảng 740.000 tấn/năm. Đến năm 2020, ước tính năng lực sản xuất viên của Romania sẽ đạt vượt quá 1,2 triệu tấn/năm [15].
PHƯƠNG PHÁP
Việc sử dụng một số loại sinh khối trong sản xuất năng lượng bị hạn chế do giá trị Tỉ trọng của chúng thấp. Ví dụ, mật độ rơm và cỏ nông nghiệp dao động trong khoảng 80–150 kg/m3, tương ứng là 150–200 kg/m3 đối với sinh khối gỗ. Để sử dụng năng lượng hiệu quả về mặt chi phí sản xuất, những vật liệu này phải được cô đặc. Sự gia tăng mật độ khối lượng sinh khối làm giảm chi phí và hạn chế về mặt kỹ thuật trong các hoạt động như nguyên liệu đầu vào, bảo quản, xử lý và vận chuyển nguyên liệu thô [19].
Độ bền là chất lượng vật lý quan trọng nhất của viên. Chất lượng viên thay đổi theo tính chất vật lý, hóa học và cơ học của các thông số tạo viên sinh khối (lực nén, nhiệt độ, v.v.) và với các điều kiện sau sản xuất (làm mát, bảo quản). Độ ẩm, kích thước hạt, nhiệt độ điều hòa hơi nước/làm nóng sơ bộ, bổ sung chất kết dính, là một số trong các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của viên
Độ bền được định nghĩa là khả năng của viên vẫn còn nguyên vẹn khi va đập và ma sát khi xử lý trong quá trình bảo quản và vận chuyển. Mật độ hạt thường được lấy làm thước đo độ bền, ví dụ: mật độ hạt cao dẫn đến độ bền cao [16].
Độ bền là một đặc tính được sử dụng để định lượng chất lượng của viên bằng cách đo phần trăm viên vỡ [14] và được đặc biệt quan tâm trong ngành công nghiệp viên gỗ và thương mại buôn bán. Khi viên được vận chuyển bằng xe tải và thổi vào phòng bảo quản với tốc độ cao, viên có độ bền thấp bị nghiền nát và biến thành mùn cưa. Độ bền thấp là nguyên nhân gây sự xáo trộn trong hệ thống nạp liệu, phát thải bụi và làm tăng nguy cơ hỏa hoạn nổ trong quá trình xử lý và bảo quản viên.
Trong số các phương pháp được sử dụng để xác định độ bền của viên nén, có: Ligno, Holmen, Dural, Tumbler.
Với máy kiểm tra Ligno (Hình 2), các viên nén tiếp xúc với những cú sốc do luồng không khí gây ra, và làm cho các hạt va chạm vào nhau và vào thành của thiết bị thử. Buồng thử nghiệm có hình kim tự tháp và luồng không khí đến từ bên dưới buồng. Một mẫu 100 g viên nén đã được lựa chọn được đặt trong buồng và luồng không khí 70 mbar được thổi vào trong 60 giây buồng thử nghiệm. Bụi được loại bỏ, các viên còn lại được cân và tính độ bền [14] là tỷ số giữa trọng lượng sau khi nhào lộn và trọng lượng trước khi nhào lộn, nhân với 100 [7,18].
Máy thử Dural là một máy mài tạo ra và áp dụng tác động và lực cắt nhất quán cho viên. Các lưỡi dao tác động và cắt liên tục lên các viên được đặt trong hộp. Đối với một thời gian thử nghiệm là 30 giây, lượng mẫu cần lấy là 100 g. Sàng lọc và tính toán độ bền tương tự như mô tả của máy thử Ligno [14].
Thiết bị Tumbler (thiết kế như hình dưới) đã được ASABE – American Society of Agricultural and Biological Engineers (Tiêu chuẩn S269.4) áp dụng. Hình chữ nhật kín hộp có kích thước bên trong 300x300x125 mm được trang bị vách ngăn dài 230 mm, rộng 50 mm trong hộp để tạo hiệu ứng nhào lộn. Vách ngăn được đặt đối xứng theo một đường chéo của một cạnh của hộp. Thùng quay trên một trục vuông góc với các cạnh của hộp [16]. Sau khi nhào 500 g viên trong 10 phút với tốc độ 50 vòng/phút, các viên được sàng (đường kính lỗ bằng 0,8 đường kính viên) và độ bền được tính như mô tả theo phương pháp Ligno.
Độ bền của viên nén cao khi giá trị tính toán vượt quá 80%, trung bình nếu giá trị là trong khoảng 70-80% và thấp đối với các giá trị dưới 70% [18]. Viên có độ bền cao hơn 97,5% được đo bằng thử nghiệm Tumbler được xác định được coi là nhiên liệu sinh học chất lượng cao [14, 16].
(*Xem thêm về Video hoạt động của máy đo chỉ số độ bền viên ST136 PDI Tester TẠI ĐÂY)
KẾT QUẢ
Fasina [3] đã tiến hành một nghiên cứu về tính chất vật lý của viên vỏ đậu phộng và tìm thấy Độ bền của viên ban đầu tăng theo độ ẩm, đạt giá trị tối đa là 90,3% ở độ ẩm 9,1% và giảm khi độ ẩm tăng trên 9,1%.
Trong số các biến thể khác, Miranda et. al. nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm (M) và mật độ khối (BD) đến độ bền (DU) của viên thu được từ 10 loại sinh khối: pyrenean gỗ sồi (PO), pyrenean sylvestris (PS), bột bần (CP), mùn cưa cây thông (SW), chồi nho (VS), cành ô liu (OB), rơm lúa mạch (BS), rơm lúa mì (WS), bã ô liu (OP) và bã đậu nho (GP) [12].
Viên có độ ẩm rất thấp (OP và GP), có độ bền thấp nhất, có thể đến do sự kết tụ không đủ. Hầu hết các viên có mật độ 582-700 kg/m3 đều có độ bền cao. Mật độ cao nhất thu được đối với chất thải nông nghiệp (OP và GP) cho thấy mức thấp nhất của độ bền.
Mật độ khối giảm khi viên giãn nở do độ ẩm tăng lên (Hình 4a). Đối với viên thân cây ngô và viên rơm lúa mì, tăng độ ẩm từ 9% lên 14% không ảnh hưởng đến độ bền, đồng thời tăng độ ẩm vượt quá 14% làm giảm độ bền (Hình 4b). Đối với viên bluestem lớn, việc tăng độ ẩm từ 9% lên 11% không ảnh hưởng đến độ bền nhưng độ bền giảm khi độ ẩm tăng trên 11%. Đối với viên thân cây lúa miến, độ bền ban đầu tăng theo độ ẩm và đạt giá trị tối đa 89,5% trong khoảng 14-16% hàm lượng ẩm.
Ishii và Furuichi [5] đã xác định độ ẩm tối ưu cần thiết cho quá trình sản xuất viên rơm rạ có nhiệt trị cao tương ứng với ảnh hưởng của kích thước hạt và nhiệt độ hình thành đến độ bền của viên nén rơm rạ. Độ ẩm ban đầu tối ưu là từ 13-20% ở nhiệt độ tạo hình là 60 hoặc 80oC. Độ bền của viên không được bị ảnh hưởng đáng kể bởi kích thước của ống rơm rạ (5, 10 và 20 mm). Sự tối ưu hóa điều kiện cung cấp viên nén rơm rạ chất lượng cao ≥12 MJ/kg cho nhiệt trị thấp hơn và độ bền trên 95% (Hình 5).
KẾT LUẬN
Sinh khối là một dạng năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường và việc sử dụng nó giúp giảm sự nóng lên toàn cầu. Viên nhiên liệu có thể được sản xuất từ nhiều loại nguyên liệu sinh khối khác nhau, bao gồm cả chất thải gỗ, chất thải nông nghiệp và cây năng lượng
Độ bền là thước đo chất lượng viên và nó bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. Những yếu tố này liên quan đến đặc tính sinh khối (độ ẩm, kích thước hạt), điều kiện sản xuất (nhiệt độ hình thành, sử dụng hơi nước, chất kết dính, lực nén và các đặc tính khác của thiết bị ép viên) và các điều kiện sau sản xuất (làm mát, bảo quản).
Mặc dù không phải tất cả các nước đều có đủ nguồn lực hoặc công nghệ cần thiết để sản xuất bột viên quy mô lớn, tuy nhiên trong thập kỷ qua thị trường viên nén đã biết đến xu hướng sự phát triển ngày càng tăng. Độ bền cao là rất quan trọng để xử lý, vận chuyển và lưu trữ viên nén.
Đây là nghiên cứu điển hình về ứng dụng thành tựu sản phẩm thiết bị khoa học công nghệ cao cho nghiên cứu và phát triển vật liệu trong lĩnh vực công nghiệp năng lượng tái tạo, viên sinh khối, được đội ngũ team R&D Công ty Thiết bị Ngày Nay trích dẫn tổng hợp từ nguồn thông tin dữ liệu khoa học mở, nhằm cung cấp góc nhìn, xu hướng tiếp cận cho các nghiên cứu ứng dụng trong nước, liên quan tới lĩnh vực xu hướng hiện nay về sản xuất viên sinh khối.
Thông tin như là nguồn tư liệu quý giúp các nhà máy, bộ phận nghiên cứu R&D tham chiếu, lựa chọn định hướng phương pháp nghiên cứu và phát triển quy trình sản xuất hiệu quả tối ưu nhất.
*Cần ghi rõ nguồn “thietbingaynay.com ” khi phát hành lại thông tin từ website này!
