Phát minh máy rang trống gia nhiệt gián tiếp và việc nhận ra tầm quan trọng của đối lưu trong truyền nhiệt đã tạo điều kiện cho sự phát triển của các loại máy rang mới. Trong những máy rang sử dụng hoàn toàn khí nóng, trống quay không còn là một bộ phận cần thiết. Thay vào đó, buồng rang có thể cố định, với hạt cà phê được khuấy động bằng cơ học hoặc nhờ luồng không khí đi qua máy.
Hệ thống tái tuần hoàn luồng khí nóng đóng vai trò quan trọng trong sự thành công thương mại của máy rang khí nóng, bao gồm cả máy rang trống gia nhiệt gián tiếp. Các hệ thống này xử lý khí thải bằng cách loại bỏ lớp vỏ lụa và khói, sau đó đưa khí nóng quay lại trống rang hoặc buồng đốt. Điều này giúp giảm năng lượng cần thiết để làm nóng hạt cà phê. Trong trường hợp không có hệ thống tái tuần hoàn, máy rang dựa trên khí nóng sẽ tiêu thụ nhiên liệu nhiều hơn so với máy rang trống cổ điển. Một hệ thống tái tuần hoàn có thể giảm mức tiêu thụ năng lượng khoảng 25% (Nogueira và Koziorowski 2020).
Hệ Thống Xử Lý Khí Thải (Afterburner)
Ban đầu, các máy rang tuần hoàn khí nóng sử dụng hệ thống xử lý khí thải (afterburner) để làm sạch luồng khí thải. Khí thải từ máy rang cà phê chứa các hạt bụi, lớp vỏ lụa, và nhiều hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (Volatile Organic Compounds, viết tắt là VOC), bao gồm các hợp chất chứa nitơ và lưu huỳnh (De Monte và cộng sự 2003). Đây là những chất gây ô nhiễm nghiêm trọng, và ở nhiều nơi, các quy định pháp luật yêu cầu máy rang phải được trang bị hệ thống xử lý khí thải để đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn về môi trường. Máy rang tích hợp hệ thống tuần hoàn và xử lý khí thải trở nên phổ biến sau Chiến tranh Thế giới thứ hai, khi nhu cầu giảm chi phí năng lượng và hạn chế ô nhiễm ngày càng tăng (Bersten 1993).
Hệ thống xử lý khí thải không chỉ giúp loại bỏ các chất ô nhiễm mà còn ngăn ngừa các mùi khói trong khí thải làm ảnh hưởng đến chất lượng hạt cà phê. Bên cạnh đó, afterburner có thể hoạt động như nguồn nhiệt bổ trợ cho máy rang. Một bằng sáng chế năm 1971 của nhà sản xuất Đức Gothot mô tả chiếc máy rang đầu tiên sử dụng buồng đốt kép vừa làm nhiệm vụ xử lý khí thải, vừa cung cấp nhiệt năng cho quá trình rang (Arndt và Naves 1973).
Nếu hệ thống có sử dụng cyclone, quy trình thường diễn ra như sau:
- Dòng khí thải đi qua cyclone: Cyclone tách các hạt rắn lớn ra khỏi khí thải bằng cách tạo ra một cột không khí quay mạnh. Lớp vỏ lụa và bụi sẽ bị đẩy ra ngoài nhờ lực ly tâm, còn khí thải tiếp tục đi vào hệ thống xử lý tiếp theo.
- Xử lý khí thải trong afterburner: Sau khi qua cyclone, khí thải chủ yếu chứa VOC và một lượng nhỏ bụi mịn. Lúc này, khí thải được đốt cháy ở nhiệt độ cao trong afterburner, thường từ 450°C đến 700°C, để oxi hóa hoàn toàn các chất độc hại và giảm thiểu ô nhiễm.
- Hoàn lưu: Khí thải đã qua xử lý được tái tuần hoàn hoặc sử dụng nhiệt dư cho các mục đích khác, như làm nóng không khí đầu vào hoặc làm mát sản phẩm.
Nhờ các cải tiến này, máy rang tuần hoàn khí nóng và hệ thống xử lý khí thải đã trở thành tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp rang cà phê, mang lại hiệu quả năng lượng cao hơn và giảm thiểu tác động đến môi trường. Các hệ thống xử lý khí thải của máy rang cà phê hiện đại đóng vai trò quan trọng trong việc giảm ô nhiễm, tiết kiệm năng lượng, và nâng cao chất lượng hạt cà phê.
Ưu điểm của thiết kế này là không cần thu gom xử lý lớp vỏ lụa, nhưng nhiệt độ 800°C cao hơn đáng kể so với mức cần thiết trong các afterburner hiện đại. Để giảm nhiệt độ khí thải từ lò đốt xuống mức phù hợp cho quá trình rang, không khí lạnh được thêm vào, và lượng khí nóng dư thừa được thải ra ngoài. Buồng rang trong thiết kế này thường là dạng cố định, giúp kiểm soát tốt hơn quá trình rang nhưng yêu cầu hiệu suất nhiệt cao từ hệ thống đốt.
Trong thiết kế này, khí thải từ trống (9) đi qua một cyclone (11) để loại bỏ các vật liệu rắn cỡ lớn (vỏ lụa, mảnh vỡ,..) trước khi được tuần hoàn trở lại buồng đốt – với nhiệt độ đủ cao để đốt cháy VOC trong khí thải. Để đưa các khí rất nóng từ đầu đốt (có thể lên đến 800°C) xuống nhiệt độ có thể sử dụng cho quá trình rang, không khí lạnh có thể được đưa vào qua miệng hút (17) và các khí nóng dư chảy ra ống xả (27). Nhiều máy rang hiện đại, bao gồm cả dòng ‘Jupiter’ hiện nay của Probat, hoạt động theo cùng một nguyên tắc.
Cyclone sử dụng lực ly tâm để tách các hạt rắn khỏi luồng khí thải và có thể loại bỏ từ 96% đến 99% lớp vỏ lụa và các hạt lớn (Fernandes 2019). Tuy nhiên, để loại bỏ VOC còn lại, vẫn cần có hệ thống afterburner.
Làm sạch khí rang
Hệ thống afterburner hoạt động bằng cách đốt cháy khí thải ở nhiệt độ cao, thường từ 450°C đến 700°C, để giảm đáng kể lượng VOCs và hạt nhỏ. Ví dụ, trong một nghiên cứu trên máy Gothot Rapido, lượng carbon trong khí thải giảm từ 158 mg/m³ xuống 54 mg/m³ ở 450°C, và chỉ còn 15 mg/m³ khi nhiệt độ tăng lên 700°C (Clarke 1987). Nếu khí thải không qua xử lý trước khi tái tuần hoàn, các hợp chất còn lại có thể gây mùi khói, ảnh hưởng đến hương vị cà phê. Tuy nhiên, khi đã qua afterburner, lượng VOC còn lại rất nhỏ, không đủ để gây hấp thụ vào hạt cà phê. Ngày nay, các afterburner hiện đại có thể sử dụng chất xúc tác như palladium để giảm nhiệt độ hoạt động xuống khoảng 370°C, giảm tiêu hao năng lượng mà vẫn đảm bảo hiệu quả xử lý (Sullivan et al 2012).
Trong hệ thống tuần hoàn, khí thải được làm sạch trước khi quay lại buồng rang. Điều này giúp giảm thiểu năng lượng tiêu thụ (đến 80% so với các thiết kế thông thường có afterburner (Loring 2020)). Trong các máy không sử dụng hệ thống tuần hoàn, nhiệt thải có thể được tận dụng qua các bộ trao đổi nhiệt để làm nóng không khí đầu vào hoặc tiền xử lý cà phê xanh. Cách này giúp tiết kiệm năng lượng đến 25% và rút ngắn thời gian rang (Nogueira và Koziorowski 2020). Ngoài ra, nhiệt thải còn có thể được sử dụng để vận hành các hệ thống khác như làm mát hoặc cung cấp nhiệt cho thiết bị phụ trợ.
Các hệ thống xử lý khí thải, đặc biệt là sự kết hợp giữa afterburner và tuần hoàn khí nóng, không chỉ mang lại hiệu quả năng lượng cao mà còn giảm đáng kể tác động môi trường. Thiết kế thông minh, ứng dụng công nghệ xúc tác, và tận dụng nhiệt thải là những yếu tố quan trọng giúp nâng cao hiệu quả và tính bền vững trong quá trình rang cà phê.
