CHƯƠNG 8 XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT

CHƯƠNG 8 XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT

Chương 8

XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN

BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT

Xử lý CTR bằng phương pháp nhiệt nhằm mục đích giảm đáng kể thể tích CTR và thu hồi năng lượng nhiệt, là một trong những thành phần quan trọng trong hệ thống quản lý tổng hợp CTR

I XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT :

Xử lý CTR bằng phương pháp nhiệt là quá trình sử

dụng nhiệt để chuyển hóa chất thải từ dạng rắn sang dạng khí, lỏng và tro đồng thời giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt

Các hệ thống xử lý CTR bằng nhiệt được phân loại

dựa trên nhu cầu sử dụng không khí bao gồm:

 Quá trình đốt được thực hiện với một lượng oxy (khôngkhí) cần thiết vừa đủ để đốt cháy hoàn toàn CTR gọi làquá trình đốt hoá học Quá trình đốt được thực hiện với

dư lượng không khí cần thiết được gọi là quá trình đốt dư

khí

 Quá trình đốt không hoàn toàn CTR dưới điều kiện thiếu không khí và tạo ra các khí cháy như cacbon

monooxide (CO), hydrogen (H2) và các khí hydrocacbon gọi là quá trình khí hoá

 Quá trình xử lý CTR bằng phương pháp nhiệt trongđiều kiện hoàn toàn không có oxy gọi là quá trình nhiệt

phân

 Xử lý CTR và CTRNH (chất thải y tế, thuốc bảo vệ thực vật, chất thải nhiễm dầu…) bằng phương pháp đốt là một phương pháp hiệu quả và hiện nay được sử dụng khá phổ biến.

 Ưu điểm:

- Chất thải được xử lý triệt để (90 – 95%)

- Có thể xử lý tại chỗ, tiết kiệm chi phí và các rủi ro trong vận chuyển

- Thu hồi năng lượng: nhiệt của quá trình có thể tận dụng vào nhiều mục đích như chạy máy phát điện,

sản xuất nước nóng

- Phương pháp này chỉ cần một diện tích đất tương đối nhỏ trong khi phương pháp chôn lấp cần phải có một diện tích rất lớn

- Hiệu quả xử lý cao đối với các loại chất thải hữu cơ

chứa vi trùng lây nhiễm (chất thải y tế), cũng như các loại chất thải nguy hại khác (thuốc bảo vệ thực vật, dung môi hữu cơ, chất thải nhiễm dầu )

- Kỹ thuật này phù hợp đối với chất thải trơ về mặt hoá học, khó phân huỷ sinh học

- Tro, cặn còn lại chủ yếu là vô cơ, trơ về mặt hoá học

 Nhược điểm:

- Không phải tất cả các CTR đều có thể đốt được thuận lợi, ví dụ như chất thải có hàm lượng ẩm quá cao hay các thành phần không cháy cao

- Vốn đầu tư ban đầu cao hơn so với các phương pháp xử lý khác bao gồm chi phí đầu tư xây dựng lò, chi phí vận hành và xử lý khí thải lớn

- Đòi hỏi năng lực kỹ thuật và tay nghề cao

- Yêu cầu nhiên liệu đốt bổ sung

- Gây ô nhiễm môi trường không khí, nếu không kiểm soát tốt, nhất là đối với những chất thải có chứa các kim loại Pb, Cr, Cd, Hg, Ni, As

- Lò hoạt động sau một thời gian phải ngừng để bảo

dưỡng, làm gián đoạn quá trình xử lý

- Tro và bùn sinh ra từ hệ thống xử lý khí thải phải được xử lý theo công nghệ đóng rắn hoặc chôn lấp an toàn

II QUÁ TRÌNH ĐỐT CHẤT THẢI RẮN:

Là quá trình oxy hoá khử xảy ra giữa chất đốt với oxy không khí ở nhiệt độ cao

Chất thải + O2  sản phẩm cháy + Q (nhiệt)

Sản phẩm cuối cùng của quá trình đốt bao gồm: bụi,

NOx, CO, CO2, SOx, THC, HCl, HF, Dioxin / Furan, hơi nước và tro

Dioxin là tên gọi chung của một nhóm hàng trăm các hợp chất hóa học tồn tại bền vững trong môi trường cũng như trong cơ thể con người và các sinh vật

khác Trong nhóm hóa học đó, thành phần độc nhất là TCDD (2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin) Dioxin là sản phẩm phụ của nhiều quá trình sản xuất chất hóa học công nghiệp liên quan đến clo như các hệ thống đốt chất thải, sản xuất hóa chất và thuốc trừ sâu và

dây chuyền tẩy trắng trong sản xuất giấy

Furan, có hai vòng benzen liên kết với một nguyên tử oxi, được tạo ra khi gỗ (đặc biệt là gỗ thơng) được chưng cất Furan là một chất lỏng trong suốt, khơng màu, rất dễ bay hơi và dễ cháy, cĩ điểm sơi gần với nhiệt độ phịng Nĩ là một chất độc và cĩ thể cịn là chất gây ung thư.

1 Các nguyên tắc cơ bản của quá trình cháy

Để đạt được hiệu quả cao, quá trình cháy phải tuân thủ theo nguyên tắc “3 T”:

 Nhiệt độ (Temperature)

Nhiệt độ phải đủ cao bảo đảm đốt cháy hoàn toàn không

 Độ xáo trộn (Turbulence)

CTR phải được xáo trộn mạnh trong lò để tiếp xúc tốt với nhiệt và oxi

 Thời gian lưu cháy (Time)

Thời gian lưu cháy đủ lâu để phản ứng cháy xảy ra hoàn toàn ( đ/v CTNH tối thiểu 2 giây)

2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy

Thành phần cơ bản của chất thải là C + H + O + N + S +

A + W = 100%

Trong đó C, H, O, N, S, A, W là phần trăm theo trọng

lượng của các nguyên tố cacbon, hydro, oxy, nitơ, lưu

huỳnh , tro và độ ẩm trong chất thải

Aûnh hưởng của hệ số cấp khí

Còn gọi là hệ số dư không khí (α) là tỉ số giữa lượng không khí thực tế và lượng không khí lý thuyết

Hệ số cấp khí được biểu hiện bằng công thức sau:

α = Vtt /Vlt

buồng đốt

toàn chất thải

Aûnh hưởng của không khí dư tới nhiệt độ buồng đốt

 Để đảm bảo đốt triệt để CTR thì cần cấp dư khí, (α >1) nhưng nếu đưa không khí lạnh vào trong lò nhiều sẽ làm nguội lò, nhiệt độ giảm, gây tổn thất nhiệt

Các lò đốt hiện nay thường cấp dư khí trong khoảng

1,051,1

 Từ biểu đồ cho thấy, khi đốt thiếu khí, nhiệt độ đốt cao nhưng quá trình cháy diễn ra không hoàn toàn, còn khi

đốt dư khí thì quá trình đốt diễn ra hoàn toàn nhưng nhiệt độ buồng đốt thấp

Chất thải Lượng không khí lý thuyết (m 3 không khí / kg chất thải)

3,3

Nhu cầu cấp khí của một số chất thải

 Nhiệt trị:

Nhiệt trị của CTR là lượng nhiệt sinh ra khi đốt hoàn toàn một đơn vị khối lượng CTR (kcal/kg)

 Nhiệt trị của nhiên liệu rắn, lỏng tính theo công thức của Mendeleep:

Q (kcal/kg) = 81C + 300H – 26 (O- S) – 6(9A + W)

(Vì thành phần của clo, flo và nitơ thấp nên được bỏ qua trong tính toán nhiệt trị)

Trong đó: C, H, O, S, A, W là phần trăm trọng lượng của các nguyên tố cacbon, hydro, oxy, lưu huỳnh, tro, ẩm

trong chất thải

 Nhiệt trị tính theo công thức Dulông:

Q(kJ/kg) = 2.326 [145.4C + 620 (H O) + 41S]

8 1

3 Một số công nghệ đốt chất thải điển hình:

a Đặc thù của công nghệ đốt chất thải:

- Có khả năng phá hủy toàn bộ các độc chất hữu cơ

trong CTR nguy hại và đưa chúng trở lại dạng các

nguyên tố hợp thành ban đầu qua đó giảm thiểu hoặc loại bỏ hoàn toàn các độc tính của chúng

- Hạn chế thể tích của CTR nguy hại cần phải thải bỏ vào môi trường đất bằng cách biến đổi các chất rắn và lỏng thành dạng tro

- Trong quá trình cháy, các chất hữu cơ dạng rắn hoặc

lỏng sẽ bị chuyển đổi sang pha khí Các khí này đến một nhiệt độ nào đó sẽ bị phân hủy thành các nguyên tử thành phần

- Các thành phần khí bền vững sinh ra từ việc đốt các hợp chất hữu cơ chủ yếu là CO2 và hơi nước Tuy nhiên, tùy thuộc vào thành phần của CTR, một lượng nhỏ CO, NOx, HCl, và các khí khác có thể được hình thành Các chất khí này là nguyên nhân tiềm ẩn gây nguy hại sức khỏe con người và môi trường

b Các hệ thống lò đốt:

 Hệ thống lò đốt CTR chưa phân loại:

 Hệ thống lò đốt CTR đã phân loại:

 Đốt hở thủ công :

- CT được đổ hoặc vun thành đống trên mặt đất rồi đốt

- Quá trình đốt không triệt để

- Ô nhiễm môi trường không khí

- Nguy hiểm

- Tiện lợi cho đốt các chất nổ như thuốc nổ TNT,

dynamite (cần trang bị các thiết bị phụ trợ để quá trình đốt được an toàn)

 Đốt bằng các thiết bị chuyên dụng:

 Lò đốt một cấp:

- CT được đốt trên ghi lò

- Khí thải thoát ra qua đường ống khói

- Khí thải không đạt tiêu chuẩn quy định

Lò đốt một cấp

 Lò đốt nhiều cấp:

- CT được đốt trong lò có nhiều buồng đốt: buồng đốt

sơ cấp và buồng đốt thứ cấp

- CT được đốt triệt để

- Khí thải ra môi trường đạt tiêu chuẩn quy định

Lò đốt chất thải rắn nhiều cấp

 Lò đốt chất lỏng:

Lò đốt chất lỏng gồm một thùng sắt chịu nhiệt hình trụ, một lớp vật liệu nền như cát sillic, đá vôi và các vật liệu gốm…, một đĩa đỡ dạng lưới sắt và một miệng cấp khí Lớp vật liệu nền sẽ được “lỏng hoá” nhờ khí nén ở áp suất cao

Chất thải nguy hại lỏng được đốt trực tiếp trong lò đốt bằng cách phun vào vùng ngọn lửa hay vùng cháy của lò

Ưu điểm:

- Đốt đựơc nhiều chất thải lỏng nguy hại

- Không yêu cầu lấy tro thường xuyên

- Thay đổi nhiệt độ nhanh chóng theo tốc độ nhập liệu

- Chi phí bảo trì thấp

 Lò đốt thùng quay:

- Có dạng hình trụ nằm ngang, nghiêng hoặc thẳng đứng

- Tốc độ quay: 0,5 – 1 vòng/phút

- Thời gian lưu của CTR trong lò: 0,5 – 1,5 giờ, lượng chất thải nạp vào chiếm 20% thể tích lò

- Nhiệt độ trong lò có thể lên đến 1400 0 C

- Kích thước cơ bản: Đường kính: 1,5 – 3,6m, chiều dài: 3 – 9m,

Đường kính/ chiều dài = 1/4

Lò đốt thùng quay

Ưu điểm:

- Aùp dụng cho cả chất thải rắn và lỏng

- Có thể đốt riêng chất lỏng và chất rắn hoặc đốt kết hợp

- Không bị nghẹt gi (vỉ lò) do quá trình nấu chảy

- Có thể nạp chất thải ở dạng thùng hoặc khối

- Linh động trong cơ cấu nạp liệu

- Cung cấp khả năng xáo trộn chất thải và không khí cao

- Lấy tro liên tục mà không ảnh hưởng đến quá trình cháy

- Kiểm soát được thời gian lưu của chất thải lỏng trong TBị

- Có thể nạp chất thải trực tiếp mà không cần phải xử lý sơ bộ gia nhiệt chất thải

- Có thể vận hành ở nhiệt độ trên 1400 0 C

Nhược điểm:

- Chi phí đầu tư cao

- Vận hành phức tạp

- Yêu cầu lượng khí dư lớn do thất thoát qua các khớp nối

- Thành phần tro trong khí thải ra cao

 Lò đốt tầng sôi:

Ưu điểm

- Có thể xử lý cả ba dạng chất thải rắn, lỏng và khí

- Thiết kế đơn giản và hiệu quả nhiệt cao

- Nhiệt độ khí thải thấp và lượng khí dư yêu cầu nhỏ

- Hiệu quả đốt cao do bề mặt tiếp xúc lớn

- Lượng nhập liệu không cần cố định

Nhược điểm

- Khó tách phần không cháy được

- Lớp dịch chuyển phải được tu sửa và bảo trì

- Lớp đệm có khả năng bị phá vỡ

- Cần khống chế nhiệt độ đốt vì nếu cao hơn 8500C có khả năng phá vỡ lớp đệm

- Chưa được sử dụng nhiều trong xử lý chất thải nguy hại

III HỆ THỐNG NHIỆT PHÂN

 Nhiệt phân là quá trình phân hủy hay biến đổi hóa học CTR ở nhiệt độ cao trong điều kiện không có

oxy

 Sản phẩm cháy thu được : H2, CO, khí axit, tro.

Các giai đoạn cơ bản của quá trình đốt chất thải trong lò nhiệt phân:

Quá trình gồm 2 giai đoạn :

- Giai đoạn 1 : Khí hóa các thành phần dễ bay hơi : hơi nước, khí cháy

- Giai đoạn 2 : đốt các thành phần bay hơi ở điều kiện phù hợp để tiêu huỷ hết các cấu tử nguy hại

Ưu điểm

- Quá trình nhiệt phân xảy ra ở nhiệt độ thấp (so với các công nghệ đốt khác) do vậy tăng tuổi thọ của vật liệu chịu lửa, giảm chi phí bảo trì

- Bụi kéo theo trong lúc đốt giảm do đó giảm thiết bị thu hồi bụi

- Thể tích chất thải giảm đáng kể

- Các chất bay hơi có giá trị kinh tế có thể được ngưng tụ để thu hồi

- Phần hơi không ngưng tụ, cháy được coi như nguồn

cung cấp năng lượng

- Thời gian đốt lâu hơn so với công nghệ đốt thùng

quay

IV HỆ THỐNG KHÍ HÓA:

Quá trình hóa hơi thành khí là quá trình đốt các loại vật liệu trong điều kiện thiếu oxy Quá trình hoá hơi thành khí là quá trình đốt CTR chứa hàm lượng

cacbon cao nhằm tạo ra nhiên liệu đốt giàu cabon monoxide, hydrogen, và một vài cacbon no (chủ yếu là CH4) Nhiên liệu đốt này có thể sử dụng được với động cơ đốt trong, tua bin chạy bằng khí, nồi hơi…

Quá trình khí hóa gồm 5 phản ứng cơ bản sau:

V CÁC HỆ THỐNG KIỂM SOÁT Ô NHIỄM MÔI

TRƯỜNG CHO CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT:

1 Kiểm soát ô nhiễm không khí:

Các chất ô nhiễm không khí được tạo ra có liên quan trực tiếp đến thành phần chất thải được đốt Các chất ô nhiễm cần kiểm soát là: NOx, SO2, CO, O3, chì và bụi

- NOx : hình thành từ phản ứng giữa nitơ không khí và oxi dưới tác dụng của nhiệt và từ phản ứng cháy giữa oxi với nitơ hữu cơ có trong nhiên liệu NOx gồm 2 dạng là NO và NO2

- SO2 : hình thành từ quá trình đốt các nhiên liệu có chứa lưu huỳnh

- CO : hình thành khi đốt vật liệu chứa Cacbon trong điều kiện thiếu oxi

- Bụi: hình thành từ quá trình cháy không hoàn chỉnh của nhiên liệu hay từ đặc tính vật lý của vật liệu không cháy

2 Thiết bị kiểm soát, xử lý ô nhiễm không khí:

Chia thành 4 loại :

- Lắng tĩnh điện, lọc vải để tách bụi

- Tách ly nguồn thải, kiểm soát quá trình đốt, xử lý khí (kiểm soát NOx)

- Tách ly nguồn thải, tháp rửa khí hoặc lọc khô (kiểm tra SO2 và hơi acid)

- Kiểm soát quá trình đốt (kiểm soát CO và THC)

3 Hiệu quả loại trừ chất thải:

E: Hiệu quả loại trừ chất thải

Wvào: Nồng độ chất ô nhiễm đầu vào

Wra: Nồng độ chất ô nhiễm đầu ra