Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng than mùn cưa

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC<br /> VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG<br /> ĐẾN CHẤT LƯỢNG THAN MÙN CƯA<br /> Hoàng Thị Huyền Bích* (1)<br /> Trịnh Văn Tuyên<br /> Đặng Thị Thùy Nguyên<br /> Phạm Quang Huy<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Than mùn cưa được sản xuất bằng phương pháp nhiệt phân trong điều kiện hiếm khí, tại nhiệt độ khoảng<br /> 450oC. Trong quá trình sản xuất than mùn cưa, độ ẩm của nguyên liệu, thời gian cacbon hóa, nhiệt độ cacbon<br /> hóa… cũng ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng sản phẩm của than. Giá trị nhiệt trị của sản phẩm thu được cao<br /> khi độ ẩm của nguyên liệu đầu vào thấp. Hàm lượng cacbon tăng theo thời gian cacbon hóa, hàm lượng này<br /> có thể cao hơn nếu sản phẩm được bảo quản tốt để không hút hơi ẩm vào sản phẩm. Nhiệt độ là yếu tố ảnh<br /> hưởng lớn và quyết định đến hàm lượng cacbon, nhiệt độ càng cao thì hàm lượng cacbon của than sẽ giảm<br /> dần. Nhiệt độ 450oC là phù hợp để tiến hành cacbon hóa để than mùn cưa đạt hàm lượng cacbon cao (87%).<br /> Từ khóa: Than mùn cưa, độ ẩm, thời gian cacbon hóa, nhiệt độ cacbon hóa.<br /> <br /> <br /> 1. Đặt vấn đề 2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu<br /> Việt Nam hiện nay có khoảng trên 300 làng nghề 2.1. Đối tượng nghiên cứu<br /> chế biến gỗ (làng nghề gỗ), với gần 50% số làng nghề Mùn cưa được thu gom tại các làng nghề chế biến gỗ<br /> này tập trung tại vùng Đồng bằng sông Hồng [4]. tại Hà Nội, chủ yếu là ở làng nghề chế biến gỗ ở huyện<br /> Các làng nghề này sử dụng một lượng gỗ nguyên liệu Thạch Thất, Đan Phượng. Mùn cưa mua về được sàng<br /> tương đối lớn để sản xuất các mặt hàng phục vụ nhu lọc, đảm bảo kích cỡ hạt đồng đều (≤5mm). Độ ẩm<br /> cầu trong nước và xuất khẩu, đồng thời lượng chất thải mùn cưa tốt nhất cho sản xuất thanh củi mùn cưa là<br /> rắn của các làng nghề chế biễn gỗ (chủ yếu là gỗ vụn, 10 - 14%, trong khi đó mùn cưa trong xẻ gỗ thường xẻ<br /> gỗ mảnh, mùn cưa, dăm bào) cũng tăng lên. từ cây tươi nên có độ ẩm từ 18 - 35%. Do đó, mùn cưa<br /> Bên cạnh đó, nhu cầu sử dụng năng lượng của Việt được đưa qua hệ thống sấy khô. Sau khi sấy khô, mùn<br /> Nam gia tăng cùng tốc độ tăng trưởng kinh tế và phát cưa được đưa vào hệ thống máy ép thanh định hình<br /> triển công nghiệp. Nhiên liệu đốt được sản xuất từ theo phương pháp gia nhiệt. Mục đích của quá trình<br /> biomass trong đó có than mùn cưa có thể thay thế một ép thanh là biến các loại mùn cưa gỗ tạp (keo, mỡ, bồ<br /> số nhiên liệu chất đốt hiện nay như dầu, than đá, củi đề, bạch đàn...) thành thanh gỗ cứng, tương đương<br /> tươi... dễ sử dụng, góp phần rất lớn trong việc giảm với các loại gỗ cứng trong tự nhiên. Khối lượng riêng<br /> thiểu chi phí nhiên liệu cho khách hàng đồng thời của mùn cưa là 300 kg/m3, sau khi ép thành thanh củi<br /> giảm thiểu ô nhiễm môi trường do tận dụng được mùn cưa có khối lượng riêng khoảng 1.200 - 1.400 kg/<br /> nguồn mùn cưa, dăm bào thải bỏ. Than mùn cưa có m3. Thanh củi mùn cưa sẽ được cho vào lò cacbon hóa<br /> giá thành rẻ, nhiệt trị cao, thời gian cháy lâu đặc biệt thành than mùn cưa trong điều kiện yếm khí.<br /> không độc hại và ô nhiễm môi trường nên được người Mẫu thanh củi mùn cưa tiến hành thí nghiệm có<br /> tiêu dùng trong nước và trên thế giới ưa chuộng.<br /> nhiệt trị: 4921 kcal/kg; hàm lượng cácbon: 20,46%;<br /> Than mùn cưa được sản xuất bằng phương pháp độ ẩm: 3,9%; độ tro: 1,27%; hàm lượng lưu huỳnh:<br /> nhiệt phân trong điều kiện hiếm khí, tại nhiệt độ 0,0617%.<br /> khoảng 450oC [1,2]. Nghiên cứu này tiến hành xác<br /> 2.2. Phương pháp nghiên cứu<br /> định những ảnh hưởng của độ ẩm nguyên liệu, thời<br /> gian cacbon hóa, nhiệt độ cacbon hóa đến chất lượng a. Phương pháp thực nghiệm<br /> sản phẩm than mùn cưa nhằm đưa ra bộ thông số Quá trình thực nghiệm được tiến hành trong hệ<br /> công nghệ tối ưu. thiết bị gồm lò cacbon hóa R đảm bảo tính kín, không<br /> <br /> Viện Công nghệ môi trường<br /> 1<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Chuyên đề II, tháng 8 năm 2017 51<br /> ôxy xâm nhập. Mẫu củi mùn cưa được cho vào lò, tiến<br /> hành cacbon hóa tại nhiệt độ T trong khoảng thời<br /> gian t, với độ ẩm W. Sau đó ngắt điện lò cacbon hóa,<br /> làm nguội buồng lò xuống khoảng 40oC và mở cửa lấy<br /> mẫu. Mẫu sản phẩm sau khi cacbon hóa được để trong<br /> tủ hút đến khi nguội hẳn thì cho vào túi nilông kín<br /> lưu giữ để đem đi phân tích. Các thí nghiệm được tiến<br /> hành với độ lặp lại là 3 lần/thí nghiệm.<br /> ▲Hình 1. Hiệu suất thu hồi than<br /> Các thí nghiệm được tiến hành lần lượt như:<br /> - Để tiến hành khảo sát ảnh hưởng của thời gian<br /> đến chất lượng sản phẩm than: cố định T= 450oC, độ Hàm lượng cacbon của mẫu than mùn cưa tăng<br /> ẩm thanh củi mùn cưa ≤ 8%, trong dải thời gian t= theo thời gian cacbon hóa (Hình 2), hàm lượng cacbon<br /> 5 - 45 phút. thấp nhất là 39,86% (khi cacbon hóa được 5 phút) sau<br /> đó tăng lên 85,12 % (khi cacbon hóa được 30 phút)<br /> - Để tiến hành khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến và cao nhất là 89,16% (khi cacbon hóa 45 phút). Hàm<br /> chất lượng sản phẩm than: Cố định mức thời gian t = lượng này có thể cao hơn nếu sản phẩm được bảo quản<br /> 30 phút, độ ẩm thanh củi mùn cưa ≤ 8% và thay đổi tốt để không hút hơi ẩm vào sản phẩm.<br /> nhiệt độ T ở các mức từ 300 - 550oC.<br /> - Để tiến hành khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm đến<br /> chất lượng sản phẩm than: cố định nhiệt độ T= 450oC<br /> và thời gian t= 30 phút, thay đổi độ ẩm W của nguyên<br /> liệu đầu vào.<br /> Theo các tác giả Antal và cộng sự, Dominic và cộng<br /> sự, than mùn cưa được sản xuất bằng phương pháp<br /> nhiệt phân nhiệt độ thấp trong điều kiện hiếm khí, tại<br /> nhiệt độ khoảng 450oC nên trong nghiên cứu này chọn<br /> nhiệt độ thử nghiệm ở mức từ 300 - 550oC để đánh<br /> giá ảnh hưởng của nhiệt độ đến chất lượng sản phẩm ▲Hình 2. Hàm lượng cacbon của mẫu than mùn cưa ở các<br /> than. Đồng thời, trên cơ sở kết quả của các nghiên cứu khoảng thời gian khác nhau<br /> trước đó của Viện Công nghệ môi trường về điều kiện<br /> tối ưu trong quá trình cacbon hóa thành phần hữu cơ Giá trị nhiệt trị của sản phẩm than đạt 4.925 kcal/<br /> trong rác thải, trong vật liệu biomass, do đó chọn thời kg khi tiến hành cacbon hóa trong 5 phút, lúc này thời<br /> gian duy trì nhiệt độ cacbon hóa thường trong khoảng gian cacbon hóa chưa ảnh hưởng nhiều, mẫu thu được<br /> 5-45 phút để tiến hành thí nghiệm. chủ yếu vẫn là mẫu củi mùn cưa. Giá trị nhiệt trị của<br /> b. Phương pháp phân tích mẫu sản phẩm cao khi tiến hành cacbon hóa trong<br /> - Lấy mẫu và phân tích các chỉ tiêu của sản phẩm khoảng thời gian từ 30 - 45 phút, tương ứng 7.321 –<br /> than mùn cưa để đánh giá chất lượng than: Nhiệt 7.484 kcal/kg (Hình 3).<br /> trị, độ ẩm, hàm lượng cacbon, độ tro, hàm lượng lưu<br /> huỳnh.<br /> + Độ ẩm: TCVN 4196:1995.<br /> + Hàm lượng cacbon: ASTM D 3172 – 07ª.<br /> + Nhiệt trị: TCVN 200:2011<br /> + Tro: TCVN TCVN 173:2011<br /> + Hàm lượng lưu huỳnh: TCVN175:1995<br /> 3. Kết quả nghiên cứu<br /> ▲Hình 3. Giá trị nhiệt trị của mẫu than mùn cưa ở các<br /> 3.1. Ảnh hưởng của thời gian cacbon hóa đến khoảng thời gian khác nhau<br /> chất lượng sản phẩm than mùn cưa<br /> Mỗi giá trị thời gian trong dải từ 5 - 45 phút áp Độ ẩm của sản phẩm than càng giảm khi thời gian<br /> dụng cho mỗi mẫu thử nghiệm được duy trì trong điều cacbon hóa càng lâu, đến một thời gian nào đó thì giá<br /> kiện nhiệt độ không thay đổi 450°C trong thiết bị R. trị độ ẩm gần như không thay đổi. Khi cacbon hóa<br /> Thời gian cacbon hóa cũng ảnh hưởng lớn đến quá được 5 phút, độ ẩm mẫu than là 3,75%, sau thời gian<br /> trình: thời gian càng lâu thì hiệu suất sản phẩm thu hồi 30 phút, độ ẩm giảm xuống 2,21%, đến khi cacbon hóa<br /> càng thấp vì ngoài hơi nước, CO, CO2, các hợp chất dễ được 40 - 45 phút, độ ẩm còn 1,91%.<br /> bay hơi, các hợp chất hữu cơ khác cũng bị phân hủy do Mẫu sản phẩm than củi mùn cưa có độ tro thấp.<br /> nhiệt độ (Hình 1). Thời gian cacbon hóa càng lâu thì độ tro giảm. Độ<br /> <br /> <br /> 52 Chuyên đề II, tháng 8 năm 2017<br />  KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC<br /> VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ<br /> <br /> <br /> <br /> tro từ 1,26% (khi cacbon hóa được 5 phút) giảm đến<br /> 1,021% (khi cacbon hóa được 30 phút), đến khi cacbon<br /> hóa được 45 phút thì độ tro còn 1,016%.<br /> Hàm lượng lưu huỳnh của sản phẩm than không<br /> cao, đều nhỏ hơn tiêu chuẩn của FAO (0,302%) [3].<br /> Hàm lượng lưu huỳnh có xu hướng giảm dần khi<br /> thời gian tăng. Hàm lượng lưu huỳnh từ 0,615% (khi<br /> cacbon hóa được 5 phút) giảm đến 0,01% (khi cacbon<br /> hóa được 30 phút), đến khi cacbon hóa được 45 phút<br /> thì hàm lượng lưu huỳnh còn 0,008%. ▲Hình 5. Giá trị nhiệt trị của mẫu than mùn cưa ở các<br /> Theo tiêu chuẩn của FAO, mẫu than mùn cưa có khoảng nhiệt độ khác nhau<br /> nhiệt trị: 7200 – 7764 Kcal/kg, hàm lượng cacbon từ<br /> 81,1-83% , độ ẩm: ≤ 4%, độ tro: ≤2,1%, hàm lượng lưu cacbon hóa tại 400oC độ ẩm giảm xuống còn 2,43% và<br /> huỳnh: 0,302% [3], so sánh với các mẫu thử nghiệm thì đạt 1,99% (khi cacbon hóa tại 550oC).<br /> các mẫu tiến hành cacbon hóa trong khoảng thời gian Độ tro của các mẫu đầu ra khi thay đổi nhiệt độ<br /> từ 30 – 45 phút đạt tiêu chuẩn của FAO, tuy nhiên nếu không cao (từ 1,31-1,18%), đạt mức giới hạn của tiêu<br /> tính đến cả hiệu suất thu hồi sản phẩm than và hiệu chuẩn FAO (1,5-2,1%). Hàm lượng lưu huỳnh của sản<br /> quả kinh tế thì nên tiến hành quá trình cacbon hóa ở phẩm đều nhỏ hơn tiêu chuẩn của FAO (0,302%) [3].<br /> thời gian 30 phút là phù hợp. So sánh với tiêu chuẩn của FAO thì các mẫu tiến<br /> 3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ cacbon hóa đến chất hành cacbon hóa trong khoảng nhiệt độ từ 430 – 470oC<br /> lượng sản phẩm than mùn cưa đạt tiêu chuẩn, trong đó mẫu than được cacbon hóa ở<br /> Mỗi giá trị nhiệt độ trong dải từ 300 - 550°C áp nhiệt độ 450oC có giá trị nhiệt trị, hàm lượng cacbon<br /> dụng cho mỗi mẫu thử nghiệm được duy trì trong 30 cao nhất, độ tro, độ ẩm, hàm lượng lưu huỳnh thấp<br /> phút trong thiết bị R. nhất. Các thí nghiệm được tiến hành với độ lặp lại 3<br /> Khi nhiệt độ từ 300 – 370oC thì hàm lượng cacbon lần, cho kết quả đồng đều. Chính vì thế, nhiệt độ tối ưu<br /> tăng mạnh từ 47,56 - 70,98% , khi nhiệt độ từ 400 - để cacbon hóa thanh củi mùn cưa thành than là 450oC.<br /> 450oC thì hàm lượng cacbon đạt giá trị cao từ 74,32 3.3. Ảnh hưởng của độ ẩm nguyên liệu đến chất<br /> - 87%, khi nhiệt độ tăng cao hơn từ 470 - 550oC, hàm lượng sản phẩm than mùn cưa<br /> lượng cacbon bắt đầu giảm từ 85,03 - 81,78%. Qua đó Để tiến hành khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm đến<br /> cho thấy rằng nhiệt độ 430 - 500oC là phù hợp để tiến chất lượng sản phẩm than chúng tôi cố định nhiệt độ<br /> hành quá trình cacbon hóa với than mùn cưa nhằm cacbon hóa T= 450oC và thời gian lưu t=30 phút, thay<br /> đạt hàm lượng cacbon cao (Hình 4). đổi độ ẩm của nguyên liệu đầu vào.<br /> Giá trị nhiệt trị của sản phẩm thu được cao khi<br /> độ ẩm của nguyên liệu đầu vào thấp do khi độ ẩm<br /> của nguyên liệu cao thì sẽ mất thêm thời gian để sấy<br /> nguyên liệu. Mẫu có độ ẩm nguyên liệu thấp (1,5%)<br /> thì sản phẩm than có giá trị nhiệt trị (7.366kcal/kg)<br /> cao hơn hẳn so các mẫu có độ ẩm cao hơn. Mẫu có độ<br /> ẩm nguyên liệu từ 2,1 - 3,9% thì sản phẩm than có giá<br /> trị nhiệt trị từ 7.330 - 7.320 kcal/kg, khi độ ẩm nguyên<br /> liệu tăng lên 12,4% thì giá trị nhiệt trị của than giảm<br /> ▲Hình 4. Hàm lượng cacbon của mẫu than mùn cưa ở các xuống còn 5.830 kcal/kg.<br /> khoảng nhiệt độ khác nhau<br /> Hàm lượng cacbon của các mẫu có độ ẩm nguyên<br /> <br /> Giá trị nhiệt trị của sản phẩm than đạt 4.921 kcal/<br /> kg khi tiến hành cacbon hóa ở nhiệt độ 300oC. Giá<br /> trị nhiệt trị của sản phẩm thu được cao khi tiến hành<br /> cacbon hóa trong khoảng nhiệt độ từ 400 – 500oC<br /> đạt 6.595 - 7.134 kcal/kg. Khi nhiệt độ tăng lên 550oC<br /> thì nhiệt trị của mẫu than giảm xuống 6.342 kcal/kg<br /> (Hình 5).<br /> Độ ẩm của sản phẩm giảm khi nhiệt độ quá trình<br /> cacbon hóa tăng, đến khoảng nhiệt độ tầm 400oC thì<br /> giá trị độ ẩm gần như không thay đổi. Khi cacbon ▲Hình 6. Giá trị nhiệt trị của mẫu than mùn cưa khi thay<br /> hóa tại nhiệt độ 300oC, độ ẩm mẫu than là 5,65%, khi đổi độ ẩm nguyên liệu đầu vào<br /> <br /> <br /> Chuyên đề II, tháng 8 năm 2017 53<br /> liệu thấp từ 1,5 - 3,9% tương tự nhau khoảng >85%, Hàm lượng cacbon của mẫu than mùn cưa tăng<br /> các mẫu còn lại có hàm lượng cacbon thấp hơn, thấp theo thời gian cacbon hóa. Độ ẩm, độ tro, hàm lượng<br /> nhất là mẫu có độ ẩm nguyên liệu 12,4%. lưu huỳnh của sản phẩm than càng giảm khi thời gian<br /> Độ ẩm của sản phẩm thấp do độ ẩm của nguyên cacbon hóa càng lâu. Các mẫu tiến hành cacbon hóa<br /> liệu đầu vào thấp, các mẫu còn lại có độ ẩm cao hơn, trong khoảng thời gian từ 30 - 45 phút đạt tiêu chuẩn<br /> cao nhất là mẫu có độ ẩm nguyên liệu đầu vào 12,4%. của FAO, tuy nhiên nếu tính đến cả hiệu suất thu hồi<br /> Độ tro của sản phẩm tăng dần khi độ ẩm của nguyên sản phẩm than và hiệu quả kinh tế thì nên tiến hành<br /> liệu đầu vào cao. Mẫu có độ ẩm nguyên liệu thấp từ 1,5 quá trình cacbon hóa ở thời gian 30 phút là phù hợp.<br /> - 3,9% thì độ tro của sản phẩm thấp từ 1,011 - 1,021%. So sánh với tiêu chuẩn của FAO thì các mẫu tiến<br /> Khi độ ẩm của nguyên liệu tăng lên 8,6 - 12,4% thì độ hành cacbon hóa trong khoảng nhiệt độ từ 430 –<br /> tro của sản phẩm tăng lên 1,443 - 1,797%. 470oC đạt tiêu chuẩn, trong đó mẫu than được cacbon<br /> Hàm lượng lưu huỳnh của sản phẩm không cao, hóa ở nhiệt độ 450oC có giá trị nhiệt trị (7451 Kcal/<br /> hàm lượng lưu huỳnh có xu hướng tăng dần khi độ ẩm kg) , hàm lượng cacbon (87%) cao nhất, độ tro, độ ẩm,<br /> nguyên liệu tăng. Mẫu có độ ẩm nguyên liệu thấp từ hàm lượng lưu huỳnh thấp nhất.<br /> 1,5 - 3,9% thì hàm lượng lưu huỳnh của sản phẩm thấp Hàm lượng cacbon của các mẫu có độ ẩm nguyên<br /> từ < 0,01 - 0,011%. Khi độ ẩm của nguyên liệu tăng lên liệu thấp thì cao hơn so với các mẫu có độ ẩm nguyên<br /> 8,6 - 12,4% thì hàm lượng lưu huỳnh của sản phẩm liệu cao. Giá trị nhiệt trị của sản phẩm thu được cao<br /> tăng lên 0,031 - 0,043%. khi độ ẩm của nguyên liệu đầu vào thấp do khi độ ẩm<br /> 4. Kết luận của nguyên liệu cao thì sẽ mất thêm thời gian để sấy<br /> Nghiên cứu đã cung cấp cơ sở dữ liệu về ảnh hưởng nguyên liệu. Độ ẩm của sản phẩm thấp do độ ẩm của<br /> của độ ẩm của nguyên liệu, thời gian cacbon hóa, nhiệt nguyên liệu đầu vào thấp. Độ tro và hàm lượng lưu<br /> độ cacbon hóa đến chất lượng sản phẩm của than mùn huỳnh của sản phẩm tăng dần khi độ ẩm của nguyên<br /> cưa. liệu đầu vào cao■<br /> <br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> 1. Tôn Xuân Phúc và cộng sự (2012), Làng nghề gỗ trong bối 3. Dominic, W.et al (2010), "Sustainable biochar to mitigate<br /> cảnh thực thi FLEG và REDD+ tại Việt Nam, Hà Nội. global climate change", Nature Communications, 1(5):56.<br /> 2 Antal, M.J. Jr., Croiset, E., Dai, X., DeAlmeida, C., 4. FAO (1987), Simple Technologies for Charcoal Making,<br /> Mok, W. S., Norberg, N. (1996), “High-yield biomass Food and Agriculture Organization of the United Nations,<br /> charcoal”, Energ. Fuel., 10(3), 652-658. Rome.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> STUDY THE FACTORS THAT AFFECT THE QUALITY OF SAWDUST<br /> CHARCOAL<br /> Hoàng Thị Huyền Bích, Trịnh Văn Tuyên<br /> Đặng Thị Thùy Nguyên, Phạm Quang Huy<br /> Institute of Environmental Technology<br /> ABSTRACT<br /> Sawdust charcoal have been produced by the method of pyrolysis under anaerobic condition at 450°C.<br /> During the production of sawdust charcoal, the humidity of material, carbonation time, and temperature of<br /> carbonation process,... also results in huge effects to the quality of products. The calorific value of products<br /> will be high when the humidity of input material is low. The amount of carbon increases during the process of<br /> carbonation and will increase more if the products are well-reserved, avoidance of humidity. Temperature is the<br /> key factor to the amount of carbon, the higher the temperature, the lower the amount of carbon. Temperature in<br /> 450°C is appropriate to undertake the carbonation for the higher amount of carbon for sawdust charcoal ( 87%).<br /> Keywords: Sawdust charcoal, moisture, time carbonization, carbonization temperature.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 54 Chuyên đề II, tháng 8 năm 2017<br />