Quản lý khí thải trong quá trình rang

Trong hoạt động rang cà phê quy mô thương mại, việc kiểm soát và xử lý khí thải không chỉ là vấn đề vận hành hiệu quả mà còn là yêu cầu bắt buộc để đảm bảo an toàn và giảm thiểu tác động đến môi trường. Từ trấu, khói cho đến các hợp chất dễ bay hơi phát sinh trong quá trình rang, tất cả đều cần được dẫn hướng và xử lý qua những hệ thống chuyên biệt như cyclone, ống khói, hoặc afterburner.

Bài viết này sẽ cung cấp một cái nhìn chi tiết về cơ chế hoạt động của các hệ thống đó, vai trò của chúng trong việc duy trì luồng khí ổn định, phòng cháy và nâng cao chất lượng không khí – đặc biệt cần thiết khi bạn bắt đầu xây dựng hoặc mở rộng xưởng rang của mình.

Cyclone

Trước khi cà phê được đưa ra thị trường, hạt nhân xanh phải trải qua một giai đoạn chế biến sau thu hoạch. Tại các nhà máy xay khô, vỏ trấu được loại bỏ, và hạt được phân loại theo kích thước và mật độ. Tuy nhiên, để bảo vệ hạt cà phê, lớp vỏ bạc hay còn gọi là vỏ lụa, mỏng như giấy vẫn được giữ lại. Lớp vỏ này bám chặt trên bề mặt hạt và chỉ rơi ra khi gặp ma sát trong quá trình rang.

Khi cà phê được rang trong trống quay, hạt nở ra, ma sát với nhau và lớp vỏ bạc bị bong ra. Chúng được cuốn theo dòng khí nóng và thoát ra khỏi máy rang qua hệ thống xả. Lớp vỏ này, khi đã rơi khỏi hạt, được gọi là trấu (chaff). Trấu không chỉ là một phụ phẩm cần loại bỏ, mà còn có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng nếu không được xử lý đúng cách – đặc biệt là nguy cơ tắc nghẽn, hỏa hoạn hoặc tích tụ chất bẩn trong ống khói.

Để thu gom trấu , hầu hết các máy rang thương mại hiện nay đều được tích hợp hệ thống cyclone – một thiết bị dùng lực ly tâm để tách trấu và các hạt rắn khỏi luồng không khí. Cyclone hoạt động rất hiệu quả, có thể loại bỏ từ 96% đến 99% trấu và các hạt bụi lớn khỏi khí thải (Fernandes, 2019). Tuy nhiên, vẫn còn một phần nhỏ trấu thoát ra ngoài theo luồng khí và đi lên ống khói.

Tuy nhiên, nếu không được vệ sinh và bảo trì định kỳ, lượng trấu còn sót lại có thể tích tụ dọc thành ống khói. Theo thời gian, các hạt trấu kết hợp với hơi dầu và nhựa sinh ra từ quá trình đốt sẽ tạo thành một lớp chất dính gọi là creosote – đây là một trong những nguyên nhân phổ biến gây cháy trong các hệ thống xả công nghiệp.

Tích tụ creosote và trấu thường xuất hiện ở đoạn ống nối giữa máy rang và cyclone.

Afterburner – Hệ thống Xử lý khói máy rang cà phê 

Afterburner – còn gọi là bộ đốt sau, là thiết bị được sử dụng để giảm thiểu ô nhiễm hạt mịn và khử mùi sinh ra trong quá trình rang cà phê. Thiết bị này hoạt động bằng cách làm nóng khí thải lên trên 600°C nhằm phân hủy khói và các hợp chất thơm bay hơi (volatile aromatic compounds – viết tắt là VOC). Nhờ đó, afterburner giúp giảm lượng khí thải độc hại và cải thiện đáng kể chất lượng không khí quanh cơ sở rang. Tuy nhiên, chúng cũng tiêu tốn lượng lớn nhiên liệu – thường gấp hai đến ba lần so với lượng khí gas cần để vận hành lò rang – từ đó làm tăng chi phí năng lượng cũng như dấu chân carbon của cơ sở.

Afterburner thường được lắp đặt ở vị trí “sau” lò đốt (đúng như tên gọi), và thường nằm trên mái nhà xưởng. Chúng cần được thiết kế để trung hòa lưu lượng khí, tuy nhiên, nếu không được lắp đặt và vận hành đúng cách, afterburner có thể ảnh hưởng đến luồng khí và tạo ra áp suất ngược.

Để duy trì luồng khí ổn định, Scott Rao khuyên rằng máy rang nên có quạt điều chỉnh được và afterburner nên được tích hợp hệ thống điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative). Quạt điều chỉnh cho phép người vận hành linh hoạt cân bằng luồng khí khi afterburner thay đổi áp suất trong ống khói, trong khi PID giúp duy trì nhiệt độ đốt ổn định, tránh tình trạng bật/tắt liên tục – vốn gây xáo trộn luồng khí mỗi lần khởi động lại.

Một số dòng máy rang sử dụng luồng khí tuần hoàn như Loring hoặc IMF được thiết kế để không cần đến afterburner. Chúng đưa khí thải quay trở lại vùng đốt để xử lý khói và mùi hôi, nhờ đó giảm thiểu tác động đến môi trường. Tuy nhiên, để làm được điều này, hệ thống đốt phải vận hành ở nhiệt độ rất cao. Ví dụ, dòng máy IMF trộn luồng khí 600–700°C từ vùng đốt với không khí phòng để đạt nhiệt độ thích hợp cho rang cà phê.

Đối với các cơ sở quy mô nhỏ, đặc biệt là những nơi rang mẻ dưới 6 kg, có thể cân nhắc lắp đặt hệ thống water scrubber – một phiên bản đặc biệt của cyclone sử dụng nước phun sương để thu giữ trấu, bụi mịn và hòa tan các hợp chất bay hơi có trong khí thải.

⤍ Xem thêm: Tuần hoàn khí nóng và xử lý khí thải

Phòng cháy trong xưởng rang

Cả creosote lẫn trấu đều là những chất dễ cháy cao. Đặc biệt, khi creosote bắt lửa, nó có thể tạo ra nhiệt độ hơn 1.000°C, đủ sức làm nóng chảy cả lớp lót kim loại trong ống khói. Khi trấu và creosote tích tụ bên trong đường ống xả, không chỉ làm tăng nguy cơ cháy mà còn khiến luồng khí thải bị cản trở, làm giảm hiệu quả thông gió và ảnh hưởng đến quá trình rang.

Để tránh tình trạng này, các xưởng rang cần xây dựng một lịch trình vệ sinh định kỳ, nhất là khi rang ở mức độ đậm (dark roast) hoặc sản lượng cao — vì khi đó, cặn bẩn sẽ tích tụ nhanh hơn đáng kể.

Hệ thống chữa cháy tích hợp

Trong trường hợp hiếm khi xảy ra cháy bên trong máy rang, phương án xử lý nhanh và hiệu quả nhất là trang bị một đường dẫn nước lắp trực tiếp vào mặt trước của máy. Ngoài ra, nên gắn thêm một đường nước vào cyclone, nơi cũng có khả năng phát sinh cháy do trấu tích tụ. Những tính năng này thường có sẵn ở các dòng máy rang lớn nhưng hiếm thấy ở các mẫu nhỏ.

Đường nước nên kết thúc bằng một đầu phun sương (spray nozzle) để có thể dập tắt lửa nhanh chóng mà không gây hại đến lồng rang. Nên kiểm tra định kỳ đầu phun và hệ thống cấp nước này vào để ngăn ngừa tình trạng bị tắc do khói hoặc trấu tích tụ.

Vệ sinh định kỳ – biện pháp hiệu quả nhất

Một trong những cách hiệu quả và cơ bản nhất để giảm thiểu rủi ro cháy nổ là đảm bảo ống khói được quét sạch thường xuyên, và hộp thu trấu không bao giờ bị quá đầy. Khi chọn mua máy rang, bạn nên ưu tiên các model có sẵn phần “cửa vệ sinh” (còn gọi là “clean-out” hoặc “sweep-out”) ở vị trí giao nhau giữa ống ngang và ống dọc, giúp việc làm sạch trở nên dễ dàng hơn.

Khi vệ sinh ống khói, nhân viên vận hành cần mang găng tay và mặt nạ phòng độc để tránh tiếp xúc hoặc hít phải các chất độc hại tích tụ trong hệ thống.

Cảm ơn bạn đã theo dõi loạt bài Hướng dẫn Rang cà phê từ PrimeCoffee. Tất cả nội dung đều được chúng mình tổng hợp và biên soạn kỹ lưỡng từ những nguồn tài liệu uy tín. Chúng mình khuyến khích bạn chia sẻ kiến thức này – nhưng vui lòng không sao chép hoặc tái bản dưới bất kỳ hình thức nào.