Nghiên cứu ứng dụng công nghệ oxy hoá trong muối nóng chảy (MSO) để xử lý chất thải plastic dạng PVC

Trên cơ sở các kết quả thu được qua quá trình xử lý thử nghiệm chất thải PVC điển hình cho loại thải hữu cơ chứa clo, xây dựng qui trình vận hành cho hệ thống MSO và đánh giá khả năng ứn

Bộ Khoa học & công nghệ Viện năng l−ợng nguyên tử việt nam

Báo cáo tổng kết khoa học và công nghệ đề tài

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ô-xy hóa trong muối nóng chảy để xử lý chất thải

Bé khoa häc vµ c«ng nghÖ ViÖn n¨ng l−îng nguyªn tö viÖt nam

những người tham gia đề tài

Các tổ chức phối hợp thực hiện đề tài

đường kính của các bọt bền tối đa

thời gian lưu bọt khí

đường kính của bọt khí

lượng thức hóa học

lượng oxy dư

hiệu quả của quá trình

hiệu quả phân hủy

hiệu quả cháy (oxy hóa)

hệ số tỉ lệ tương đương

số đếm trên một giây

molten salt oxidation total organic carbon oxygen transfer rate superficial air velocity gas holdup

maximum stable bubble diameter resident time

bubble diameter stoichimetric excess air process efficiency destruction and removal eficiency combustion efficicency

equivalent ratio count per second

Tóm tắt

Đề tài:”Nghiên cứu ứng dụng công nghệ oxy hóa trong muối nóng chảy (MSO)

để xử lý chất thải plastic dạng PVC” nhằm đạt 3 mục tiêu Xây dựng hệ thống MSO qui mô phòng thí nghiệm với các thiết bị chủ yếu để tạo cơ sở cho việc đánh giá khả năng phân hủy của công nghệ Trên cơ sở các kết quả thu được qua quá trình xử lý thử nghiệm chất thải PVC điển hình cho loại thải hữu cơ chứa clo, xây dựng qui trình vận hành cho hệ thống MSO và đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ ở qui mô bán công nghiệp

Trong quá trình thiết lập cơ sở cho các nghiên cứu công nghệ, hệ thống thử nghiệm MSO đã được hoàn chỉnh với việc điều chỉnh thay thế và bổ sung một phần thiết bị trong hệ thống Việc điều chỉnh lại hệ thống được chế tạo theo thiết kế lý thuyết đã khắc phục được một số khiếm khuyết về phân bố vùng nhiệt, công tác nạp thải và tháo muối nhằm đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật trong quá trình vận hành và các tiêu chí khoa học trong nghiên cứu giải pháp MSO

Các kết quả thử nghiệm đã chứng tỏ hiệu quả phân hủy clo gần như tuyệt đối của công nghệ MSO Sự phát thải HCl và Cl2 hầu như không có hoặc không đáng kể trong mọi điều kiện vận hành Các kết quả cũng cho thấy sự phát thải HCl và Cl2 phụ thuộc vào thời gian lưu thải trong vùng phản ứng chứa muối lỏng và bản chất của môi trường muối nóng chảy Trong khi công nghệ MSO chứng tỏ hiệu quả rất cao khi xử lý clo thì với tính chất cố hữu của công nghệ sự phát thải CO lớn là một vấn đề cần có các biện pháp tích cực giải quyết nó

Các thử nghiệm cũng đã được thực hiện trong cả hai môi trường muối đơn (Na2CO3) và hỗn hợp muối nóng chảy (Na2CO3 – K2CO3) So sánh các kết quả thử nghiệm tại hai môi trường khác nhau cho thấy khả năng giảm chi phí vận hành do tiết kiệm được năng lượng cung cấp cho quá trình khi sử dụng hỗn hợp muối nóng chảy trong công nghệ MSO

Dựa trên các thông số vận hành và kết quả khảo sát hiệu quả khoa học của công nghệ nói chung và của hệ thống thử nghiệm nói riêng, qui trình vận hành có tính chất hướng dẫn đã được thiết lập

Từ các kết quả nghiên cứu đã có thể đánh giá sơ bộ khả năng ứng dụng của công nghệ MSO để xử lý các chất thải hữu cơ chứa clo ở qui mô bán công nghiệp

Abstract

The project:” Study on application of molten salt oxidation (MSO) for PVC plastic wastes treatment” should aim three followings Installation of lab-scale MSO unit with essential compositions builds up foundation for the estimation of waste destruction efficiency of the technology Based on the results of testing PVC - the chlorinated organic wastes on the lab-scale unit, the ability of the technology application at pilot-scale level will be primary estimated

The adjustment and correction of some compositions in the lab-scale unit theoretically designed during experiment overcame the shortages by design and fabrication such as heat distribution regime, feeding wastes and draining spent salt These solutions adapt to the technical requirement of operation as well as scientific requirement of the research on MSO process

PVC waste treatment was tested on the MSO lab-scale unit in different conditions of operation temperature, superficial air velocity related to air/oxygen feeding rate, waste feeding rate The testing results showed that destruction efficiency

of chlorine in MSO technology is almost absolute HCl and Cl2 emission was insignificant in different operation conditions HCl and Cl2 emission depend on resident time and nature of molten salt However, with inherent attributes of MSO technology emission of CO is not avoided in processing waste treatment Therefore, finding out active solutions for reduction CO emission is essential to complete the technology

The experiments also were carried in conditions of single molten salt (Na2CO3) and molten (Na2CO3 – K2CO3) eutectic The comparison of efficiency of these tests gives idea of using molten salt eutectic to reduce operation cost in MSO technology

Based on operation parameters and scientific verification results during experiments, the introductory procedure of waste treatment by MSO process was built

up Thereby primary estimation of development of the technology in pilot-scale was given

I.3/ Các nghiên cứu ứng dụng công nghệ 11

Mso trên thế giới để xử lý chất thải nguy hại

I.4/ Cơ sở khoa học của các yếu tố ảnh hưởng 12

đến hiệu quả phản ứng trong quá trình mso

i.5/ các kết quả thực nghiệm ở nước ngoài và 15

và các giả thuyết phân tích quá trình mso

I.5.1/ Kết quả thử nghiệm của phòng thí nghiệm Đại học 15

Maryland, Mỹ

I.5.2/ Kết quả thử nghiệm của phòng thí nghiệm MSO ở 16

KAERI, Hàn Quốc

I.5.3/ Kết quả thử nghiệm của phòng thí nghiệm LLNL, Mỹ 16

I.6/ mục tiêu của xử lý thử nghiệm pvc trên 17

Hệ thống mso

i xây dựng, hoàn thiện hệ thống thử nghiệm 20

mso với công suất 0,3- 0,5kg/giờ

I.2.3/ Hệ nạp liệu và cấp oxy/không khí 22

I.2.6/ Bộ hỗ trợ tháo muối 25

I.3/ phân tích các phần được sửa đổi và thay thế 25

I.3.1 Bổ sung Bộ hỗ trợ tháo muối 26

I.3.2/ Điều chỉnh vùng nhiệt và bổ sung Hệ điều khiển nhiệt độ 27

I.3.3/ Điều chỉnh Hệ nạp thải và cấp oxy/không khí 27

I.4/ Đánh giá hệ thống thử nghiệm MSO 28

công suất 0,3- 0,5kg/giờ

Ii/ đánh giá hiệu quả xử lý và xây dựng qui trình 29

vận hành hệ thống thử nghiệm mso công suất

0,3-0,5kg/giờ

II.2/ thiết lập qui trình thử nghiệm 28

thải pvc để đánh giá hiệu quả xử lý

II.2.2/Yếu tố chiều cao cột chất lỏng- muối nóng chảy 30

II.3.2/ Thử nghiệm xử lý PVC trong môi trường 41 hỗn hợp muối nóng chảy

II.3.2.1/ Qui trình thử nghiệm và phương pháp đo 41 II.3.2.2/ Kết quả và bình luận 43

II.3.3 So sánh hiệu quả phân hủy clo tại hai môi trường 43 muối đơn và hỗn hợp muối nóng chảy

II.4/ QUI trình vận hành hệ thống thử nghiệm mso 44

Iii/ đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ Mso 46

để xử lý thải hữu cơ chứa Clo ở qui mô bán

Phần a: mở đầu I/ tổng quan và cơ sở lý thuyết

I.1/ thực trạng chát thảI nghuy hại và các giải pháp xử lý ở việt nam

[1] Một điều tất yếu sẽ xảy ra cùng với sự phát triển công nghiệp và mở rộng các hoạt động kinh tế trong từng quốc gia đó là lượng chất thải ngày càng gia tăng và

điều này dẫn đến sự gia tăng về khả năng gây ô nhiễm cao cho môi trường Các chất thải có tiềm năng gây ô nhiễm cao cho môi trường chủ yếu từ các chất thải nguy hại là sản phẩm của các quá trình chế biến hóa chất, hoạt động y tế, công nghiệp, nông nghiệp, các nhà máy năng lượng và các nguồn thải rác đô thị

Các kết quả khảo sát và thống kê thực trạng sự phát sinh các chất thải nguy hại

ở Việt Nam cũng chỉ ra đây là nguồn ô nhiễm nghiêm trọng và ngày càng lớn Theo dự báo đến năm 2010 với sự tăng mạnh dân số trong các đô thị và với sự phát triển thêm nhiều ngành công nghiệp cũng như các cơ sở y tế tiếp tục được hiện đại hóa, lượng chất thải nguy hại sẽ tăng gấp 3 lần Nguồn phát sinh chất thải nguy hại lớn nhất là các cơ

sở công nghiệp (với 130.000tấn/năm theo thống kê năm 2004) và các bệnhviện (với 21.000tấn/năm theo thống kê năm 2004) Ngoài ra nông nghiệp cũng là nguồn phát sinh chất thải nguy hại Trung bình hàng năm nước ta chi khoảng 100 triệu US$ để nhập khẩu một lượng thuốc bảo vệ thực vật khoảng 6500 - 9000 tấn dưới dạng thành phẩm hoặc nguyên liệu Con số trên chưa tính đến còn có một lượng rất lớn các loại thuốc bảo vệ thực vật nhập lậu trái phép qua biên giới Việt Trung Theo thống kê sơ bộ trong năm 2001 nước ta có khoảng 26 kho thuốc bảo vệ thực vật tồn đọng quá hạn sử dụng và lượng thuốc bảo vệ thực vật cần tiêu hủy trong phạm vi toàn quốclà 200 tấn

đặc biệt trong đó có khoảng 10 tấn DDT

Các chất thải nguy hại đáng quan tâm nhất là các chất thải hữu cơ chứa clo, các chất thải chứa kim loại nặng, các chất thải phóng xạ và pha trộn, các hoá chất độc và

đặc biệt là các chất PCBs và POP Lượng các chất thải kể trên chiếm một tỉ lệ khá cao

Ví dụ lượng chất thải PVC, PP, PTEF v.v trong y tế chiếm 10,1%; trên toàn quốc hiện

có 9 điểm chứa các hoá chất độc; lượng dầu có chứa PCBs trong công nghiệp điện ước tính có thể lên đến 4.000-5.000 tấn Tuy nhiên hầu hết các loại chất thải nguy hại cho

đến nay vẫn chưa được xử lý triệt để Một nhận định rằng Việt Nam hiện đang thiếu công nghệ xử lý các chất độc hại cũng như các công nghệ thích hợp cho từng loại thải

Các giải pháp xử lý chất thải rắn nói chung kể cả chất thải nguy hại ở Việt Nam chủ yếu là chôn lấp (50%) sau đó là giải pháp đốt (25%) Các giải pháp đốt được sử dụng trong y tế nhiều nhất Hiện tổng số lò đốt sử dụng trong y tế là 51 trong đó có 47

lò được nhập khẩu Hầu hết các lò đốt ngoại đều không được nhập khẩu đồng bộ do đó việc xử lý rác thải y tế đã gây ra ô nhiễm từ các nguồn thải thứ cấp Bộ y tế đã ban hành các tiêu chuẩn cho phép sử dụng đối với lò đốt rác thải y tế thông thường nhưng khống chế đối với thải nguy hại Các chất thải rắn nguy hại trong công nghiệp chủ yếu

được cất giữ tạm thời để chờ xử lý Một vài nơi sử dụng lò đốt rác cho chất thải công nghiệp nhưng chỉ tập trung ở phía Nam Tuy nhiên hầu hết các lò đốt này đều không thể đáp ứng xử lý thích hợp các loại chất thải nguy hại Một số Viện nghiên cứu và công ty đã và đang tìm kiếm các công nghệ để giải quyết các chất thải đặc biệt nhậy cảm như PCBs và POP Hướng nghiên cứu tập trung vào các giải pháp đốt trên các hệ thống lò xi măng hay lò 2 tầng có xúc tác và giải pháp hoá học khử clo

I.2/ công nghệ mso và các ưu điểm

Một phương pháp truyền thống có hiệu quả cao để xử lý các chất thải là phương pháp đốt trong các hệ thống lò đốt rác Quá trình trong lò đốt rác (lò đốt) là một quá trình oxy hóa có ngọn lửa có khả năng biến đổi bằng nhiệt các chất thải từ thể rắn sang các thể lỏng, hơi hay ở thể rắn khác (thay đổi về cấu tạo và thành phần) nhằm làm giảm đáng kể về khối lượng, thể tích và mức độ độc hại của các chất thải đó Các sản phẩm cháy hay nói cách khác là thành phần trong dòng khí phát ra từ lò đốt phụ thuộc rất nhiều vào hiệu quả cháy hay sự oxy hoá hoàn toàn trong lò đốt và bản chất của chất thải được đốt Mặc dù lò đốt là biện pháp xử lý chất thải nhưng nó cũng có thể biến thành một nguồn phát thải vào môi trường gây ô nhiễm cho một vùng rộng lớn hơn do hiệu ứng phát tán của dòng khí ra Điều này có thể xảy ra khi hệ thống lò đốt không kiểm soát được quá trình cháy, không kiểm soát được dòng phát thải ra bên ngoài Sự gây ô nhiễm môi trường từ các lò đốt có thể là các hạt bụi, các oxit ni tơ, lưu huỳnh và cacbon, các khí axit, các kim loại nặng, và đặc biệt là các hydrocacbua, dioxin/furan Tiềm năng phát ra dioxin từ các lò đốt là bởi nguyên nhân không thể phân hủy hết clo trong các chất thải hữu cơ chứa clo bằng quá trình đốt có ngọn lửa Do đó, các nhà nghiên cứu xử lý môi trường trên thế giới đã và đang tập trung tìm kiếm các giải pháp

có thể xử lý triệt để các chất thải chứa clo

Một trong những công nghệ được coi như giải pháp hữu hiệu trong tương lai, công nghệ oxy hóa trong muối nóng chảy (MSO) đã chứng tỏ có nhiều ưu điểm vượt trội so với giải pháp lò đốt rác truyền thống MSO là một quá trình xử lý thải bằng nhiệt mạnh mẽ không có ngọn lửa có thể phân hủy gần như hoàn toàn đa dạng các chất thải mà chỉ phát ra một khối lượng nhỏ thải thứ cấp không nguy hại Môi trường trong quá trình MSO là môi trường tạo điều kiện cho sự oxy hóa hoàn toàn và các phản ứng hóa học xảy ra nhanh chóng do đó dem lại hiệu quả phân hủy rất cao đối với các chất nguy hại và phóng xạ đặc biệt là các chất thải hữu cơ dẫn xuất clo Công nghệ MSO đã

được đánh giá là không có tiềm năng sinh ra dioxin/furan do khả năng phân hủy clo chứa trong chất thải gần như triệt để (hiệu quả > 99,999%)

Có thể tóm tắt nguyên lý hoạt động của công nghệ MSO trong sơ đồ tổng thể dưới đây [2]:

H.1: Sơ đồ nguyên lý của công nghệ MSO

Quá trình vận hành của hệ thống (H 1) gồm các bước cơ bản sau đây: các chất thải được xé nhỏ và được nạp vào dưới đáy của một thùng lò phản ứng có chứa muối kiềm nóng chảy tại nhiệt độ trong khoảng từ 700-950C (tùy thuộc vào nhiệt độ nóng chảy của từng loại muối kiềm) Các chất thải được đẩy vào lò bởi một dòng khí mà nó cũng có mục đích cung cấp oxy cho quá trình oxy hóa Lớp muối được gia nhiệt trước khi khởi động lò; khi lò đang ở chế độ vận hành thì nhiệt lượng của sự oxy hóa cháy sẽ

tự hỗ trợ cho quá trình

Trong thùng lò, các phản ứng hóa học thiết yếu hoặc bao trùm lên cả quá trình

là các chất hữu cơ chứa C, H, O, N, S, Cl, P v.v được oxy hóa bằng nhiệt trong lớp muối nóng chảy để sinh ra khí thải gồm CO2,, H2O, N2, O2, và các chất vô cơ khác

được tạo thành như sunfat, phốt phát, và clorua

Khí thải được chuyển qua một van đổi hướng để giữ lại hoặc tẩy đi các hạt muối

bị cuốn theo và sau đó đến hệ thống xử lý thải khí để tiếp tục tẩy đi bất kỳ một hạt nhỏ nào trước khi phát thải ra khí quyển Trong hệ thống này không cần thiết có các thiết bị rửa axit do các thành phần axit được hấp thụ bởi muối kiềm nóng chảy

Sau một thời gian vận hành lớp muối nóng chảy sẽ tích lũy một lượng đáng kể clorua natri, muối sunfat, phốt phát và các chất vô cơ khác mà các thành phần này ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý Do đó tro và các chất vô cơ phải được thải ra khi tổng của tất cả các chất nhiễm bẩn được phân hủy chiếm ít nhất 60% trọng lượng

Các muối nóng chảy đã sử dụng có thể được tái chế bằng các biện pháp rửa bởi nước và axit, tiếp theo là kết tủa Việc sử dụng lại các muối được tái chế sẽ giảm chi phí vận hành

Quá trình oxy hóa trong muối nóng chảy có hàng loạt các ưu điểm sau đây:

1) Hiệu quả phân hủy rất cao có thể lên tới 99.999% Các chất thải đưa vào trong quá trình được nhiệt phân ở nhiệt độ >400oC Môi trường trong hệ thống oxy hoá muối nóng chảy là môi trường đa pha và tạo điều kiện cho sự hình thành các ion oxy do đó xúc tác cho quá trình oxy hóa Ngoài ra môi trường lỏng tạo ra sự tương tác mật thiết giữa các chất thải với oxy và các chất tham gia phản ứng thúc đẩy quá trình hoàn thành một cách nhanh chóng

2) Trong dòng thải không có các thành phần axit do được trung hòa bởi môi trường kiềm Hầu hết các hạt bụi lớn đều được giữ lại trong lớp chất lỏng Điều này làm giảm nhẹ cho hệ thống xử lý khí thải

3) Quá trình oxy hoá trong muối nóng chảy không sinh ra các thành phần độc thứ cấp như dioxin/furan do clo được phân hủy gần như tuyệt đối

4) Quá trình muối nóng chảy cung cấp một môi trường truyền nhiệt ổn định với một lượng nhiệt thích hợp để chống lại sự xung nhiệt Một môi trường nhiệt như vậy đảm bảo được nhiệt độ đồng đều và thúc đẩy thời gian tiếp xúc đồng đều giữa các chất tham gia phản ứng ban đầu và do đó đảm bảo các phản ứng được thực hiện hoàn toàn

5) Nhiệt độ trong môi trường MSO thấp hơn nhiều so với lò đốt nên sự phát ra NOx

được giảm đáng kể; tiết kiệm được năng lượng và do đó làm giảm chi phí đầu tư cũng như vận hành

6) Môi trường trong MSO là môi trưòng lỏng nên giữ lại hầu hết các bụi lớn Do không cần có nhiên liệu phụ trợ nên lượng bụi trong khí thải ra rất ít làm giảm nhẹ hệ thống

xử lý tiếp theo Hệ thống không có cấu trúc phức tạp do đó chi phí bảo dưỡng không cao

Tuy nhiên quá trình oxy hoá trong muối nóng chảy cũng có hai nhược điểm chính sau đây:

1) Vật liệu chế tạo lò phản ứng là loại vật liệu phải chịu được nhiệt độ cao và sự ăn mòn của môi trường muối đặc biệt là muối NaCl Vật liệu tối ưu đối với hệ thống này

là Inconel 600, hợp kim của niken và crom với thành phần niken >60% Do đó vật liệu

là một vấn đề trong công nghệ MSO bởi yêu cầu chi phí cao

2) Quá trình oxy hoá muối nóng chảy bị giới hạn với các chất có giá trị nhiệt thấp như sỏi, đá, đất mùn Các chất thải có hàm lượng nước cao cần phải được thêm vào một số chất có giá trị nhiệt cao Các chất thải có độ tro lớn và có thành phần clo rất cao cũng

là sự bất lợi cho hiệu quả phân hủy do việc làm tăng độ nhớt trong lớp nóng chảy và phát thải các oxit cacbon Ngoài ra do cấu tạo và công nghệ, công suất của lò không cao

I.3/ Các nghiên cứu ứng dụng công nghệ MSO trên thế giới để xử

lý chất thải nguy hại

Từ thập niên 70 của thế kỷ trước, International Rockwell (Mỹ) đã thử nghiệm công nghệ MSO với các chất thải nguy hại như một số các chất độc hoá học và thuốc trừ sâu (DDT, malathion) với hiệu quả phân hủy rất cao Sau thành công của Rockwell

là hàng loạt các thử nghiệm trên hệ thống MSO ở qui mô phòng thí nghiệm và bán công nghiệp đã được thực hiện trong nhiều phòng thí nghiệm trên nước Mỹ như ETEC, LLNL, ORNL và Rockwell

[3].Hệ thống MSO của LLNL (Laurence Livermore National Laboratory) ở qui mô phòng thí nghiệm bao gồm một lò phản ứng, hệ xử lý sơ bộ và nạp thải, hệ thống

xử lý khí thải, hệ thống tái sinh muối Ngoài ra ở đây còn có hệ thống đo đạc phân tích

tự động khí thải và muối thải Phần lò phản ứng được làm bằng vật liệu đặc biệt (Inconel 600) có thể chịu được tốc độ ăn mòn lớn trong môi trường muối ở nhiệt độ cao Nguyên tắc vận hành trong thùng lò phản ứng là sự sủi bọt của các chất thải trong cột chất lỏng được chứa trong thùng lò mảnh Hệ xử lý khí thải chỉ bao gồm các phin lọc sơ bộ, phin lọc tuyệt đối và thiết bị trao dổi nhiệt để làm giảm nhiệt độ của khí thải trước khi được thải ra ngoài môi trường Hệ xử lý sơ bộ và nạp thải gồm thiết bị xé nhỏ chất thải, bộ cấp thải và thiết bị cấp oxy Hệ thống tái sinh muối có hai chức năng

là làm sạch muối trước khi được thải ra môi trường và có thể sử dụng lại để làm giảm lượng muối mới cần thay thế muối thải ra

Hệ thống này đã vận hành hàng trăm giờ trong hai năm (1995-1996) và các số liệu kỹ thuật có giá trị đã được thu thập Hầu hết các thành phần khí thải ra đã được xác định như O2,, CO, CO2, NOx, và toàn bộ cacbon hữu cơ Một nhận xét chung là nồng độ của CO và NOx trong khí thải phụ thuộc vào nhiệt độ vận hành và nồng độ clo trong muối Tuy nhiên mức độ ảnh hưởng của hai yếu tố này đến hiệu quả phân hủy không như nhau ảnh hưởng của nồng độ clo trong muối đến sự phát thải CO không thấy rõ như ảnh hưởng của nhiệt độ Các kết quả thử nghiệm cho thấy nồng độ CO trong khí thải giảm với sự tăng của nhiệt độ vận hành

Tíếp theo của thử nghiệm trên hệ thống nhỏ, LLNL đã tiếp tục thử nghiệm trên

hệ thống pilot-scale với hàng loạt các chất thải hữu cơ đại diện như toluen, dầu khoáng,

ethylene glycol, dimethyl sulforide, trimethyl phosphate, trichloroethylene và freon với hiệu quả rất cao Tổng lượng các bon hữu cơ (TOC) trong khí thải <1,0ppm, nồng độ

NOx khoảng 60 ppm điều này có khả năng đây chỉ là các vết của các hợp chất chứa nitơ Khoảng 45% nitơ trong hợp chất hữu cơ được chuyển đổi thành NOx

[4] Năm 2002, một nhóm nghiên cứu của trường Đại học Maryland (Mỹ) cũng

đã công bố thành công xử lý thử nghiệm chất thải clorua benzen trên hệ thống MSO Trong toàn bộ 57 thử nghiệm với các thông số vận hành khác nhau về nhiệt độ, lượng oxy cấp vào, tốc độ nạp thải, chiều cao cột muối nóng chảy, các kết quả cũng chỉ ra không phát hiện thấy HCl và các chất hữu cơ chứa clo trong khí thải từ lò phản ứng Các sản phẩm phụ sau xử lý là CO, CH4, C2H4 và C2H6 có nồng độ thay đổi phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ vận hành và mức độ cấp oxy Sự phát ra các chất thải thứ cấp nói trên giảm khi tăng nhiệt độ vận hành và mức độ hòa trộn oxy vào chất thải ban đầu

Từ năm 2001 Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Kỹ thuật Hóa Hạt nhân thuộc Viện Năng Lượng Nguyên tử Hàn Quốc (KAERI) cũng bắt đầu nghiên cứu công nghệ MSO Các kết quả thử nghiệm của nhóm nghiên cứu Hàn Quốc về MSO trong năm 2003 và

2004 một lần nữa đã khẳng định về tính ưu việt vượt trội của công nghệ này trong quá trình xử lý các chất thải nguy hại, hữu cơ chứa clo và chất thải pha trộn [5] Các chất thải PVC, PP, PTFE và nhựa trao đổi ion cùng với một số kim loại như Cd, Pb, Cr, Cs

đã được đưa vào trong một lò phản ứng hình trụ Inconel 600 để phân hủy bằng quá trình oxy hóa trong muối nóng chảy Đặc biệt là đối với chất thải PVC, đã được biết là nguồn đóng góp một khối lượng lớn vào sự phát ra các chất hữu cơ chứa clo từ quá trình xử lý trong lò đốt rác Nhưng các kết quả thử nghiệm xử lý PVC trên hệ thống thử nghiệm của nhóm nghiên cứu MSO tại KAERI đã cho thấy hàm lượng HCl phát thải không vượt quá 5ppm và không phát hiện ra các phân tử clo tự do trong suốt quá trình thử nghiệm

Sau khi thử nghiệm một số chất thải hữu cơ chứa clo trên hệ thống MSO - lò

đơn, một nhận định là do đặc thù của công nghệ nên thời gian lưu thải ít và nhiệt độ tương đối thấp dẫn đến sự phát thải CO còn cao (trang 126, Tạp chí:" Journal of Nuclear Science and Technology”, Vol 42, No.1, pp123-129, January 2005) [6] Để làm giảm sự phát thải CO, năm 2004 nhóm nghiên cứu của KAERI đã thiết lập thêm một lò thứ cấp trong hệ thống thử nghiệm MSO nhằm tăng thời gian phản ứng chuyển hóa CO thành CO2và có thể tăng nhiệt độ phản ứng cho quá trình oxy hóa tiếp theo chất thải sau khi ra khỏi bề mặt chất lỏng Trong hệ thống MSO - lò đôi, nhiệt độ của

lò sơ cấp được đưa vào thử nghiệm là từ 700-900oC, và nhiệt độ của lò thứ cấp là từ 900-950oC Kết quả đã cho thấy hàm lượng CO giảm hẳn sau khi ra khỏi lò thứ cấp

I.4/ cơ sở khoa học của các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả phản ứng trong quá trình Mso

Công nghệ MSO là một công nghệ dựa trên các quá trình phản ứng giữa các chất với oxy trong môi trường muối nóng chảy Môi trường nhiệt trong công nghệ

MSO là muối kiềm nóng chảy (mà thường được lựa chọn là muối Na2CO3) Thực chất của giải pháp oxy hóa trong muối nóng chảy để xử lý các chất thải hữu cơ là làm biến

đổi các chất hữu cơ thành các chất vô cơ và các chất vô hại do sự nhiệt phân có sự tham gia của oxy Trong quá trình MSO các chất cùng với oxy được cấp vào dưới đáy của một thùng hình trụ mảnh chứa Na2CO3 nóng chảy Sự tương tác giữa oxy và các chất diễn ra trong toàn bộ chiều cao của cột chất lỏng Các chất oxy hóa và bị oxy hóa sẽ dâng lên trên ở dạng các bọt bong bóng Điều này có nghĩa là quá trình phản ứng oxy hóa trong công nghệ MSO tương tự như quá trình trong cột lỏng sủi bọt khí – cột sủi bọt (bubble column)

[7] Bản chất của quá trình trong cột sủi bọt là khi mức độ hòa trộn giữa pha khí

và lỏng đủ lớn thì quá trình khuếch tán oxy từ pha khí đến pha lỏng là quá trình chuyển

động các phân tử oxy xuyên qua lớp bao của bọt khí đi vào pha lỏng để tiếp xúc với các chất tham gia phản ứng oxy hóa

Hiệu quả của quá trình oxy hóa dựa trên mức độ khuếch tán oxy từ pha khí sang pha lỏng thông qua sự sủi bọt Thông số đánh giá khối lượng oxy đi vào pha lỏng được biểu thị bằng tốc độ khuếch tán oxy OTR:

OTR = kla(Co* - Co) (1)

Trong dó: Co là nồng độ của oxy đã hòa tan trong khối chất lỏng

Co* là nồng độ của oxy tại lớp bao bọt khí

kl là hệ số truyền khối qua lớp bao bọt khí

a là diện tích bề mặt tiếp xúc giữa hai pha khí- lỏng

Do không thể đo được chính xác diện tích của bề mặt tiếp xúc (a) giữa 2 pha, người ta kết hợp tích số của 2 thông số kla là đại diện cho tốc độ khuếch tán oxy trên một đơn vị thể tích Để làm tăng tham số a có thể tăng dòng không khí vào lò phản ứng hoặc cũng có thể giảm kích thước bọt khí hay của các chất

Theo công thức (1) một thông số nữa ảnh hưởng đến OTR là Co* Khi nồng độ của oxy trên bề mặt tiếp xúc giữa 2 pha tăng thì rõ ràng là lượng oxy có khả năng đi vào pha lỏng tăng lên Co* được tính theo công thức dưới đây:

Co* = Po/ Ho (2)

Trong đó: Ho là hằng số Henry phụ thuộc tỉ lệ thuận với nhiệt độ của môi trường

Po là áp suất riêng phần của oxy trong pha lỏng

Nếu nhìn vào (2) có thể suy ra rằng Co* sẽ tăng khi giảm nhiệt độ môi trường và tăng Po Các biện pháp làm tăng áp suất riêng phần của oxy để tăng Co* là sử dụng oxy nguyên chất hoặc làm tăng áp suất tĩnh Pb của cột chất lỏng Và điều này phụ thuộc vào chiều cao của cột chất lỏng hay nói cách khác chiều cao của lò phản ứng theo công

thức: Pb = γ g h + 1 at (ở đây h là chiều cao của cột chất lỏng, γ là tỉ trọng của chất lỏng, g là gia tốc trọng trường)

Tóm lại chiều cao của cột chất lỏng và nhiệt độ môi trường có ảnh hưởng đến OTR của quá trình Tuy nhiên việc tăng chiều cao cột chất lỏng hay giảm nhiệt độ của môi trường không có nghĩa là hoàn toàn có lợi cho hiệu quả của quá trình oxy hoá

Điều này sẽ được xem xét thêm dưới đây

Một yếu tố nữa cũng ảnh hưởng đến hiệu ứng khuyếch tán pha khí vào pha lỏng,

đó là vận tốc khí bề mặt Vs của dòng khí trong lưu thể Nói một cách chính xác Vs là vận tốc của bọt khí chuyển động dâng lên trong cột chất lỏng Sự tăng vận tốc Vs dẫn

đến tăng sự chuyển động hỗn loạn trong môi trường phản ứng và do đó tăng sự hòa trộn của pha khí theo cả hai hướng- hướng trục và hướng tâm Tuy nhiên các nghiên cứu thực nghiệm về động học trong lò phản ứng MSO [8] cho thấy rằng: sự tăng tiếp theo của Vs >0,15m/s khiến cho dòng sinh ra hiện tượng giống như dòng bị nút làm giảm sự hình thành liên tục các tiểu xoáy trong môi trường lỏng kết quả là làm yếu sự khuyếch tán theo hướng trục Các tiểu xoáy có tác dụng làm tăng sự tương tác liên tục giữa các nguyên tố trong dòng và do đó làm tăng sự hòa trộn pha trong hệ thống đa pha Như vậy tại điều kiện vận tốc Vs>0,15m/s hiệu ứng khuyếch tán của pha khí không tăng lên với sự tăng hơn nữa của vận tốc khí do hiện tượng tương tự như dòng bị nút trong lò phản ứng MSO

Như đã nói ở trên quá trình khuếch tán oxy thông qua cơ chế sủi bọt Các bọt khí được tạo thành sẽ chiếm chỗ trong lòng chất lỏng và dâng lên tới bề mặt thoáng của chất lỏng Mức độ phân bố các bọt khí (pha khí) trong pha lỏng ảnh hưởng đến quá trình phản ứng Người ta đưa ra một đại lượng để biểu thị cho mức độ phân bố của pha khí trong pha lỏng bằng một thông số GH được gọi là hệ số nghẽn khí Thông số này

được đo bằng tỉ số giữa thể tích của phần pha khí chiễm giữ so với thể tích của phần pha lỏng Thông số GH cũng được đo dựa trên hiệu số áp suất theo chiều cao của lò phản ứng và mật độ pha khí và pha lỏng trong dòng do sự phân bố khác nhau của pha khí trong pha lỏng Và bởi vì người ta mong muốn tăng sự phân bố của pha khí vào pha lỏng do đó GH là một yếu tố quan trọng cần thiết để làm tăng tối đa sự khuếch tán oxy Tuy nhiên đại lượng GH quá lớn hay nói cách khác thời gian lưu tb của các bọt quá lớn lại gây bất lợi cho quá trình Điều này là vì nếu chiều cao cột chất lỏng quá lớn tức là

GH tăng và kéo theo tb tăng lên nhiều thì các phân tử phía trên gần bề mặt sẽ bị “đói” oxy và do đó quá trình khuếch tán oxy sẽ giảm

Đại lượng GH và tb còn chịu ảnh hưởng của kích thước bọt db đặc biệt là trong môi trường có độ nhớt như môi trường muối nóng chảy Các bọt nhỏ có khuynh hướng dâng lên chậm hơn so với các bọt lớn và do đó làm tăng thời gian lưu tb của bọt và hệ

số nghẽn khí GH Các thực nghiệm cho thấy trong môi trường có độ nhớt kích thước của bọt >3mm được ưa chuộng hơn các bọt nhỏ

Hệ số nghẽn khí GH cũng phụ thuộc vào nhiệt độ và độ nhớt của môi trường Các nghiên cứu đã cho thấy khuynh hướng tăng lên của GH với nhiệt độ là do khuynh hướng giảm sức căng bề mặt và độ nhớt của môi trường muối khi nhiệt độ tăng trong lò phản ứng Mặt khác cũng có thể giải thích sự tăng của GH cùng với sự tăng nhiệt độ có thể là do sự giảm kích thước của các bọt bền vững tối đa Dbmax Nhiệt độ tăng làm cho quá trình phân rã các bọt khí tăng nhanh theo hàm số mũ, kết quả làm giảm Dbmax Do

Dbmax tỉ lệ nghịch với độ nhớt và tỉ lệ thuận với mật độ của môi trường lỏng nên khi nhiệt độ tăng dẫn đến mật độ của pha lỏng tăng Mật độ của pha lỏng tăng sẽ làm tăng lực nâng tác động lên các bọt khí kết quả sẽ gây ra sự tăng của GH Như vậy trên quan

điểm tính đến yếu tố hệ số nghẽn khí GH thì nhiệt độ tăng lại có lợi cho quá trình phản ứng theo cơ chế sủi bọt

Tóm lại từ hai cơ sở phân tích trên có thể nhận định rằng các yếu tố ảnh hưởng

đến cơ chế phản ứng trong quá trình MSO là yếu tố chiều cao cột chất lỏng, nhiệt độ phản ứng, vận tốc khí bề mặt mà liên quan đến tốc độ nạp không khí và lượng không khí được cấp vào Tuy nhiên các yếu tố ảnh hưởng này lại cần phân tích để lựa chọn ra các thông số vận hành tối ưu cho công nghệ MSO

I.5/ các kết quả thực nghiệm trên hệ thống mso ở nước ngoài

và các giả thuyết phân tích quá trình mso

I.5.1/ Kết quả thử nghiệm của phòng thí nghiệm Đại học Maryland, Mỹ

Báo cáo kết quả xử lý thử nghiệm clorua benzen (C6H5Cl) trên hệ thống MSO của trường Đại học Maryland đã có kết luận về khả năng phân hủy rất cao clo của công nghệ oxy hóa trong muối nóng chảy Họ nhận định rằng trong quá trình oxy hóa

C6H5Cl thông thường, HCl là sản phẩm chủ yếu được phát hiện ra Nhưng khi xử lý

C6H5Cl trên hệ thống MSO thì không phát hiện ra bất cứ một sản phẩm nào chứa clo

Điều này chứng tỏ rằng toàn bộ clo chứa trong chất thải đã được hấp thụ trong môi trường muối nóng chảy Họ cho rằng clo đã được hấp thụ bởi các phản ứng bề mặt của

sự oxy hóa trong môi trường kiềm hoạt hóa cao Báo cáo cũng cho rằng do không phát hiện được bất kỳ sản phẩm nào chứa clo trong dòng phát thải nên có thể sự hấp thụ trực tiếp clo trong mạch liên kết với chất thải bởi muối kiềm là một phản ứng quan trọng thậm chí chiếm ưu thế trong sự oxy hóa chất thải Và kết luận này là cơ sở để giải thích

đúng cho quá trình MSO đối với các chất thải chứa clo khác (trang 54, Báo cáo:” Thermal Treatment of Chlorobenzen using Molten Salt Oxidation”)

Bên cạnh nhận định về khả năng xảy ra trong quá trình phân hủy clo, nhóm nghiên cứu cũng đã đưa ra các phân tích về kết quả đo đạc các sản phẩm phụ khác như

CH4, C2H4, C6H6 và CO trong dòng khí thải Qua thực nghiệm và nghiên cứu, một nhận xét rằng sự tạo thành các sản phẩm trên trong quá trình đốt clorua benzen có ngọn lửa khác với quá trình MSO Sự tạo thành CH4, C2H2 được quan sát thấy tại nhiệt độ từ 400-

700oC trong quá trình oxy hóa có ngọn lửa Ngược lại trong quá trình MSO sự tạo thành CH4, C2H4, C6H6 và CO lại được phát hiện tại nhiệt độ cao lên đến 1000oC (trang

41, Báo cáo:” Thermal Treatment of Chlorobenzen using Molten Salt Oxidation”) Từ

đó có thể dự đoán rằng sự tạo thành CO có liên quan đến sự hiện diện clo trong môi trường muối nóng chảy (điều này đã được Rockwell và LLNL khẳng định trong các kết quả nghiên cứu của họ) Kết quả đo đạc cũng chỉ ra sự phát thải các sản phẩm chưa

được oxy hóa hoàn toàn trong đó có CO sẽ giảm khi tăng nhiệt độ và tăng mức độ hòa trộn của oxy vào chất thải (trang 43, Báo cáo:” Thermal Treatment of Chlorobenzen using Molten Salt Oxidation”)

I.5.2/ Kết quả thực nghiệm của phòng thí nghiệm MSO ở KAERI, Hàn Quốc

Kết quả thực nghiệm của phòng thí nghiệm MSO ở KAERI rất tương dồng với các kết quả nghiên cứu của các phòng thí nghiệm ở Mỹ Một giả thuyết về khả năng loại trừ axit HCl và Cl2 ra khỏi dòng phát thải từ công nghệ MSO là đặc trưng quan trọng của công nghệ này khi sử dụng muối cacbonat natri bởi sự giữ lại các khí axit trong môi trường muối theo phản ứng sau (trang716, Tạp chí” The Canadian Journal of Chemical Engineering, Vol.81, June-August 2003”)

CaHbXc + (C/2)Na2CO3 +(a+ (b-c)/2) O2 →(a+c/2) CO2 + b/2H2O + NaX

Các số liệu thử nghiệm của nhóm nghiên cứu này một lần nữa lại chứng minh cho giả thuyết mối quan hệ giữa hàm lượng clo đưa vào quá trình với sự phát thải CO Mặt khác họ cho rằng sự phát thải CO liên quan đến hàm lượng chất dễ bay hơi được chứa trong thải Điều này thấy rõ khi so sánh sự phát thải CO trong 2 quá trình xử lý PVC và xử lý cao su Khi xử lý PVC (với hàm lượng clo>46%, hàm lượng chất dễ bay hơi chiếm >90%) sự phát thải CO thay đổi rất lớn với thời gian và nồng độ tại đỉnh

điểm rất cao lên đến 3000ppm Trong khi đó, sự phát thải CO ổn định hơn với thời gian

và nồng độ thấp hơn nhiều (đỉnh điểm <1500ppm) từ quá trình xử lý cao su (với hàm lượng chất dễ bay hơi chiếm 25,7%, hàm lượng cố định cacbon chiếm 74,3%) Báo cáo

đã nhận định đây là một đặc tính quan trọng của công nghệ MSO (trang 715, Tạp chí

”The Canadian Journal of Chemical Engineering, Vol.81, June-August 2003”) Quá trình oxy hóa trong môi trường muối nóng chảy phụ thuộc cả vào bản chất của chất thải Trong một báo cáo khác về các kết quả thực nghiệm nhựa trao đổi ion trên hệ thống MSO lò đôi, cũng đưa ra kết luận về sự phát thải CO giảm khi tăng nhiệt độ và tăng lượng oxy dư Eo vào quá trình

I.5.3/ Kết quả thực nghiệm của phòng thí nghiệm LLNL, Mỹ

Như mục I.2 đã nêu, các kết quả thực nhgiệm của LLNL cũng đã đưa ra kết luận

về khả năng phân hủy rất cao các hợp chất hữu cơ của công nghệ MSO Kết quả của họ cũng cho thấy sự ảnh hưởng rõ rệt của nhiệt độ đến nồng độ CO trong khí thải Một báo cáo khác về xử lý thử nghiệm các chất thải pha trộn có nồng độ clo rất cao (80%)

đã đưa ra ý kiến về một yếu tố ảnh hưởng lớn đến sự phát thải CO là lượng không khí cấp vào [9] Sự phát thải CO ở đây khi xử lý methylchlorofon lên đến 10.000ppm khi lượng không khí cấp vào bằng với lượng lý thuyết S0 Nhưng với lượng không khí đưa

vào lớn hơn 20% so với S0 (nghĩa là lượng không khí dư Eo = 20%) thì nồng độ CO giảm trong khoảng từ 2000ppm trở xuống Điều này cho thấy sự phát thải CO trong công nghệ MSO là một vấn đề Tuy nhiên trong hệ thống MSO này khí thải chứa CO với nồng độ cao được tiếp tục đưa đến hệ xúc tác để chuyển hóa CO do đó nồng độ cuối cùng của CO được thải ra môi trường đã giảm xuống <100ppm

Tóm lại các kết quả thử nghiệm trên thế giới đã cho thấy quá trình trong MSO rất khác biệt với quá trình đốt thông thưòng Các khí axit HCl không ngự trị trong dòng khí thải, sự phát thải CO giảm khi tăng nhiệt độ vận hành Điều này có thể là do các phản ứng bề mặt trong môi trường kiềm hoạt hoá lớn; sự hiện diện của clo trong môi trường muối nóng chảy Một giả thuyết khác cho rằng hiệu quả truyền nhiệt cao trong môi trường phản ứng ảnh hưởng đến sự phát thải CO Khi khảo sát lò đốt rác tầng sôi, với hiệu quả truyền nhiệt cao hơn lò đốt khác, nồng độ CO tại nhiệt độ vận hành 700oC cao hơn tại nhiệt độ từ 800-900oC Do đó họ cho rằng ảnh hưởng của hiệu quả truyền nhiệt đến hiệu quả cháy rất lớn khi nhiệt độ vận hành >700oC

I.6/ mục tiêu của xử lý thử nghiệm PVC trên hệ thống MSO

Polyvinyl clorua (PVC) là một dạng cao phân tử tổng hợp được tạo ra bởi các liên kết hóa học giữa các monome vinyl clorua (C2H3Cl: CH2=CHCl) Các monome vinyl clorua được điều chế từ etylen thuộc dãy đồng đẳng aken là các hydro cacbua chưa no có liên kết đôi C=C Phản ứng thế clo vào hydro trong etylen tiến hành ở nhiệt

độ cao (200-600oC) cho sản phẩm vinyl clorua PVC là một loại chất dẻo (plastic) chủ yếu chứa clo (có thể lên đến >50%) và một số các chất phụ gia để tăng độ mềm dẻo của vật liệu

Các sản phẩm được chế tạo từ PVC đã rất thông dụng trong hàng thập kỷ qua trên toàn thế giới ở Việt Nam, các sản phẩm bằng PVC được sử dụng trong xây dựng, công nghiệp và y tế Do các tính chất hóa học của clo nên PVC được coi như là tiềm năng gây nguy hiểm cho con người Đặc biệt khi PVC được đốt, các sản phẩm phụ của quá trình đốt luôn có yếu tố tạo thành các chất gây ung thư và nguy hiểm cho con người cả đến thế hệ sau

Các chất thải từ các vật dụng bằng PVC được liệt vào các chất thải đặc biệt nguy hại bởi chứa nhiều clo và khó xử lý triệt để Việc xử lý PVC trong các hệ thống lò đốt

có tiềm năng sinh ra dioxin/furan Các kết quả thử nghiệm và thống kê đã chỉ ra sự

đóng góp của quá trình xử lý PVC vào việc phát ra dioxin từ các lò đốt chiếm ưu thế so với các quá trình xử lý các chất thải plastic khác Nồng độ dioxin phát ra từ quá trình

đốt PVC lớn gấp 10 lần so với các quá trình đốt PS, PE, PTEF v.v Các nghiên cứu thực nghiệm đã chứng minh rằng không thể xử lý triệt để chất thải PVC trên hệ thống lò đốt

do không thể phân hủy hết clo được chứa trong thải Trong quá trình đốt PVC, sự phân hủy diễn ra 2 giai đoạn Trước tiên các sản phẩm được thoát ra là khí axit clohyđric (HCl) và có thể một phần các phân tử clo (Cl2) tự do Các sản phẩm chứa clo sau đó có thể phản ứng với các hyđrocacbua để tạo thành các chất tiền tố của dioxin/furan

Công nghệ MSO đã đ−ợc khẳng định không sinh ra dioxin/furan khi xử lý các chất thải chứa clo do khả năng phân hủy gần nh− tuyệt đối clo Vì vậy việc lựa chọn chất thải PVC làm đối t−ợng xử lý thử nghiệm sẽ có tính thuyết phục rất cao khi khẳng

định −u điểm v−ợt trội này của công nghệ MSO

Để đánh giá −u điểm v−ợt trội của công nghệ MSO cần thiết đánh giá khả năng phân hủy clo của công nghệ thông qua nồng độ HCl và Cl2 đ−ợc phát thải trong quá trình Hiệu quả phân hủy clo của quá trình (PE) đ−ợc xác định theo công thức sau [10]:

Một mục tiêu nữa khi đánh giá công nghệ là đánh giá hiệu quả xử lý hay còn gọi là hiệu quả cháy (CE) của công nghệ đối với chất thải nguy hại hữu cơ dựa trên khả năng biến đổi hoàn toàn hay không hoàn toàn CO thành CO2 Nồng độ cacbon chứa trong chất thải đ−ợc oxy hóa trong quá trình đốt thành CO và CO2 Nếu quá trình oxy hóa xảy ra hoàn toàn tức là hiệu quả cháy gần nh− tuyệt đối khi toàn bộ nồng độ các bon đ−ợc oxy hóa thành cacbonic Điều này phụ thuộc vào điều kiện vận hành (nhiệt

độ, nồng độ oxy) và bản chất của chất thải Hiệu quả cháy CE đ−ợc xác định nh− sau:

CE =

CO CO

CO

C C

II/ Mục tiêu và nội dung của đề tài

Nh− trên đã giới thiệu công nghệ oxy hóa trong muối nóng chảy (MSO) đã đ−ợc

thẩm định và có kết luận dựa trên hàng trăm kết quả nghiên cứu thử nghiệm hàng loạt các loại chất thải nguy hại khác nhau trong các phòng thí nghiệm trên thế giới Để ứng

dụng công nghệ tiên tiến, an toàn với môi trường vào lĩnh vực xử lý chất thải ở Việt Nam cần có một chương trình nghiên cứu nghiêm túc nhằm: (1) thẩm tra lại hiệu quả

khoa học của công nghệ đối với các chất thải nguy hại đặc biệt là các chất thải có tiềm

năng gây ra ô nhiễm cao; (2) và đánh giá trình độ kỹ thuật, năng lực kinh tế có khả

năng đáp ứng các yêu cầu của công nghệ Đề tài:” Nghiên cứu ứng dụng công nghệ

oxy hóa trong muối nóng chảy (MSO) để xử lý chất thải plastic dạng PVC” được xây dựng mang một ý nghĩa là sự khởi đầu để tìm hiểu công nghệ MSO và đặt nền tảng cho chương trình nghiên cứu tiếp theo trong khi chưa có sự nghiên cứu cụ thể nào về công

nghệ này ở Việt Nam

Nội dung nghiên cứu của đề tài được đặt ra để nhắm tới 3 mục tiêu:

1 Hoàn thiện hệ thống MSO qui mô phòng thí nghiệm với công suất xử lý 0,5kg/giờ

0,3-2 Đánh giá sơ bộ hiệu quả xử lý của hệ thống thử nghiệm MSO đối với thải plastic dạng PVC

3 Xây dựng qui trình vận hành hệ thống thử nghiệm MSO công suất 0,3-0,5kg/giờ

Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, các thiết kế cho một hệ thống thử nghiệm MSO với các thiết bị chủ yếu đã được thực hiện trong đề tài cấp cơ sở năm 2004 Dựa trên các mẫu thiết kế đã được phê chuẩn, hệ thống thử nghiệm cần được xây dựng và hoàn thiện tạo cơ sở thực hiện các mục tiêu nghiên cứu công nghệ

Với tiêu chí mang tính toàn cầu là tìm kiếm các giải pháp kỹ thuật thân thiện với môi trường, các nhà khoa học môi trường trên thế giới đã và đang tập trung vào nghiên cứu các công nghệ xử lý môi trường một cách triệt để và an toàn Mục tiêu thứ hai của

đề tài cũng chính là mục tiêu quan trọng nhất nhằm thẩm tra khả năng xử lý triệt để của công nghệ MSO đối với các chất thải nguy hại và khó xử lý như PVC

Từ các kết quả thu được trong quá trình thử nghiệm dựa trên cơ sở kỹ thuật thực tế của hệ thống thiết bị công nghệ, qui trình vận hành công nghệ được thiết lập Điều này

là cơ sở để đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ vào xử lý các loại chất thải hữu cơ chứa clo khác ở qui mô lớn ngoài phòng thí nghiệm Nó cũng là cơ sở để tiếp tục nghiên cứu công nghệ với mức độ sâu rộng hơn

Dự kiến đề tài được thực hiện trong thời gian 1,5 năm với kinh phí 150.000.000đ Phần B dưới đây sẽ trình bày cụ thể các kết quả của nội dung nghiên cứu đã được

đặt ra trong đề tài

Phần B: kết quả nghiên cứu

i xây dựng, hoàn thiện hệ thống thử nghiệm mso với công suất 0,3-0,5kg/giờ

I 1/ đặt vấn đề

Vấn đề đặt ra đối với hệ thống thử nghiệm MSO là dù ở mức độ qui mô nhỏ vẫn phải mô phỏng đúng các đặc trưng của công nghệ để qua đó thẩm tra chính xác tính ưu việt của công nghệ này Dựa trên các bản thiết kế hệ thống thử nghiệm MSO công suất 0,3-0,5kg/giờ đã được phê chuẩn trong đề tài cấp cơ sở năm 2004, hệ thống sau khi

được chế tạo cần vận hành thử và điều chỉnh nhằm hoàn chỉnh công nghệ ở qui mô phòng thí nghiệm và có thể đáp ứng các nội dung nghiên cứu của đề tài

I.2/ mô tả hệ thống thử nghiệm mso công suất 0,3-0,5kg/giờ

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thử nghiệm MSO được thể hiện trong hình vẽ dưới đây:

H.2: Sơ đồ hệ thống thử nghiệm MSO công suất 0,3-0,5kg/giờ

Không khí/ô xy

Thiết bị trao

đổi nhiệt

Lò phản ứng

Hệ cấp thải

ống dẫn thải

Nạp muối

Khí thải

ống dẫn muối thải

Lò nhiệt ống làm mát

Hệ thống thử nghiệm MSO công suất 0,3-0,5kg/giờ bao gồm các bộ phận sau (xem thêm Phụ lục I):

I.2.1/ Lò phản ứng

Quá trình MSO diễn ra trong vùng lò phản ứng theo nguyên tắc sủi bọt Do đó cấu trúc của lò phản ứng là một ống hình trụ mảnh có tỉ lệ giữa đường kính và chiều cao nhỏ Theo thiết kế [11], lò phản ứng của hệ thống thử nghiệm được kết hợp từ hai phần hình trụ, phần dưới 78mmx600mm và phần trên 110mmx350mm, là hai vùng phản ứng chính và vùng thứ cấp (H.3) Quá trình oxy hóa chất thải và các phản ứng trung hòa diễn ra trong vùng phản ứng chính chứa muối nóng chảy Sau đó các sản phẩm sinh ra được oxy hóa tiếp tục một cách hoàn toàn trong vùng thứ cấp Tổng chiều cao của toàn lò là 1000mm với chiều dày 10mm Lò được treo dọc bên trong lò nhiệt bằng một hệ thống neo đỡ chắc chắn nhưng cũng dễ tháo lắp Dưới đáy lò được hàn một đoạn ống để dẫn muối cần xả ra bên ngoài Theo thiết kế ban đầu ống xả muối dài 150mm đường kính trong 40 mm được đặt ngoài vùng nhiệt và có nắp đậy theo cơ cấu vặn zen Theo chế tạo, mặt dưới đáy lò và ống xả muối tiếp xúc trực tiếp với không khí lạnh Do đó để đảm bảo cho lò phản ứng không bị mất nhiệt trong quá trình đốt, phần

đáy lò được lắp một bộ phận bảo ôn hình vành khăn đường kính ngoài 400 mm và cao 200mm có thể tháo rời ra Nhưng trong quá trình làm việc thực tế bộ phận tháo muối

đã phải thay đổi thiết kế ống xả muối được cắt ngắn chỉ còn 70mm, bộ phận bảo ôn cũng được thay bằng một bộ hỗ trợ tháo muối khác với chiều cao 120mm Phần này sẽ

được mô tả chi tiết ở mục dưới đây

Các nghiên cứu ở nước ngoài cho thấy vật liệu chế tạo lò phản ứng cần là loại có hàm lượng niken cao Loại vật liệu Inconel 600 với hàm lượng niken > 60% rất thích ứng với công nghệ oxy hóa trong muối nóng chảy bởi có thể chịu được ăn mòn của muối NaCl ở nhiệt độ cao Tuy nhiên do giá thành của Inconel 600 rất đắt nên trong khuôn khổ của đề tài vật liệu chế tạo lò phản ứng chỉ là hợp kim của ni ken với nồng

độ 20% Đây cũng là khó khăn trong quá trình thử nghiệm, do tốc độ ăn mòn lớn trong khi lò phản ứng có độ bền không cao nên thùng lò đã phải sửa chữa 2 lần vì bị thủng

I.2.2/ Lò nhiệt

Lò nhiệt có tác dụng cung cấp nhiệt cho lò phản ứng bằng cách bức xạ nhiệt từ các cuộn dây đốt xung quanh (H.4) Lò nhiệt được tính toán và chế tạo với công suất tối đa 15kW có thể tạo ra vùng nhiệt có nhiệt độ lên tới 1200oC Dựa trên mẫu thiết kế ban đầu lò nhiệt được chia làm hai vùng nhiệt tương ứng với hai vùng phản ứng của lò phản ứng Hai vùng nhiệt được nối với hai nguồn cung cấp điện để có thể được điều khiển riêng rẽ bằng hệ kiểm soát nhiệt độ và bằng tay Nhưng thực tế việc chỉ phân chia hai vùng nhiệt đã cho thấy không hợp lý, điều này sẽ được phân tích ở mục sau

H.3: Cấu tạo lò phản ứng H.4: Cấu tạo lò nhiệt (lồng ngoài lò phản ứng)

Do đó trong thực tế các thử nghiệm đã được tiến hành với sự tạm thời phân chia lại vùng nhiệt thành 3 vùng như sau: vùng phản ứng thứ cấp được chia thành 2 vùng nhỏ - vùng trên và vùng giữa ; vùng thứ ba - vùng dưới - là vùng phản ứng chính Phần cách nhiệt bằng sợi gốm có chiều dày 20cm

I.2.3/ Hệ thống nạp liệu và cấp oxy/không khí

Hệ thống nạp liệu gồm một ống dẫn thải có đường kính 22mm, một ejector, van

đóng mở và phễu chứa thải ống dẫn thải được dẫn từ trên đỉnh lò xuống gần đáy lò Ngoài ra ống dẫn thải còn được lồng trong một ống đường kính 40mm dẫn khí lạnh (H.5) với mục đích làm mát ống dẫn thải để tránh phản ứng cháy chất thải trước khi chất thải chìm vào trong bể muối

Chất thải được nạp vào qua phễu chứa (H.6) và được dẫn xuống dưới đáy của lò phản ứng qua ống dẫn thải Không khí có vận tốc cao được đưa vào bộ ejector (H.6) có tác dụng tạo ra sức hút để hút các hạt thải rắn và cuốn các chất thải xuống vùng muối nóng chảy

Theo thiết kế, hệ cấp oxy/không khí gồm các ống dẫn và một thiết bị thổi khí bằng quạt ly tâm thấp áp Nhưng trong quá trình thử nghiệm quạt ly tâm thấp áp không thể đảm đương việc cấp khí vào sâu trong lò Do đó hệ cấp không khí đã được thay đổi

và thiết bị cấp khí đã được thay thế bằng một máy nén khí công suất 750W, 1HP Hệ thống cấp không khí này có hai mục đích:(1) cấp không khí có vận tốc cao tạo ra hiệu ứng hút và nén chất thải đi sâu xuống vùng phản ứng đồng thời lượng không khí này

cũng tham gia vào quá trình phản ứng oxy hóa trong lò phản ứng: (2) cấp không khí có vận tốc cao để tăng hiệu quả làm mát ống dẫn thải

H.5: Bộ ống dẫn thải + làm mát

I.2.4/ Hệ kiểm soát nhiệt độ:

Tương ứng với lò nhiệt được phân chia thành hai vùng, các bộ phận chính trong

hệ kiểm soát nhiệt độ gồm một đồng hồ chỉ thị nhiệt độ loại digital, một bộ khởi động

từ, hai bộ cặp nhiệt điện (sensor) Hệ điều khiển nhiệt độ có thể điều khiển nhiệt độ trong dải từ 1-1200oC Các sensor được đưa vào trong lò nhiệt sát vỏ ngoài của lò phản ứng tại các vị trí cuối vùng xử lý thứ nhất và cuối vùng xử lý thứ hai Nhiệt độ trong các vùng lò thông qua hai sensor này được hiển thị trên màn hình của bộ digital Để

đảm bảo nhiệt độ chính xác của vùng phản ứng chính, hệ kiểm soát nhiệt độ được lắp

đặt chỉ điều khiển tự động nhiệt độ của vùng dưới trong khi nhiệt độ vùng trên được

điều khiển bằng tay

Tuy nhiên do có sự thay đổi về việc phân chia vùng nhiệt như đã nói ở trên nên quá trình vận hành thử nghiệm thực tế là được thực hiện với hệ điều khiển nhiệt độ gồm ba sensor, ba đồng hồ chỉ thị và ba bộ khởi động từ tương ứng với việc điều khiển của ba vùng nhiệt Hình ảnh dưới đây cho thấy hai tủ điều khiển nhiệt độ được sử dụng trong quá trình thử nghiệm sau khi điều chỉnh lại các vùng nhiệt trong lò nhiệt

Hệ điều khiển nhiệt độ sau khi điều chỉnh lại vùng nhiệt

I.2.5/ Hệ thống xử lý khí thải

Hệ thống xử lý khí thải bao gồm hệ thống đường ống dẫn, quạt hút, một bộ trao

đổi nhiệt và một bộ phin lọc tuyệt đối

Khí thải ngay sau khi ra khỏi lò phản ứng theo ống dẫn đến bộ trao đổi nhiệt nhằm giảm nhiệt độ trước khí thải ra ngoài Bộ trao đổi nhiệt được chế tạo theo nguyên tắc trao đổi nhiệt gián tiếp nước- khí theo sơ đồ ngược chiều Tổng tiết diện trao đổi nhiệt là 0,18m2 Nhiệt độ của khí thải sau bộ trao đổi nhiệt được giảm xuống từ hơn

300oC xuống < 50oC

Bộ phin lọc tuyệt đối, được lắp ráp hai lớp giấy lọc loại HEPA, sẽ giữ lại các hạt nhỏ (>0,3 àm) bị cuốn theo dòng khí thải trước khi dòng khí này được đẩy ra ngoài

Quạt hút là loại quạt ly tâm công suất 300W có lưu lượng hút tối đa 60l/phút

I.2.6/ Bộ hỗ trợ tháo muối:

Trong qua trình thử nghiệm muối luôn ở dạng lỏng bên trong lò phản ứng Nhưng vì ống xả muối nằm ngoài vùng nhiệt do đó với động thái của muối nóng chảy muối trở thành một khối rắn trong lòng ống xả suốt thời gian vận hành lò Để tháo

được muối cần cung cấp thêm nhiệt cho ống xả để làm chảy khối muối bị đông cứng ở bên trong ống

Bộ hỗ trợ tháo muối được chế tạo nhằm cung cấp thêm nhiệt cho ống xả từ phía dưới đáy lò Nhiệt được đưa vào bằng một vòi đốt với nhiệt độ rất cao (>1000oC) để làm tăng nhiệt độ của ống xả lên đến 920oC trong thời gian 15 phút Bộ hỗ trợ tháo muối là một hộp hình vành khăn Đường kính ngoài là 400mm, đường kính trong 60mm Một vòi đốt riêng biệt được đưa từ ngoài vào hộp vành khăn qua một lỗ nhỏ sát

để tạo ra một vòng lửa ôm khít lấy đoạn ống xả Trong không gian hình vành khăn

được lót lớp vật liệu cách nhiệt để giữ nhiệt cho ống xả

I.3/ phân tích các phần được sửa đổi và thay thế

Hệ thống thử nghiệm MSO công suất 0,3-0,5kg/giờ đã được chế tạo theo thiết

kế tuy nhiên trong quá trình vận hành thử đã bộc lộ một số nhược điểm Dựa trên cơ sở thực tế khi tiến hành hàng chục các thí nghiệm, và sau khi trải qua thử nhiều giải pháp khác nhau, nhóm nghiên cứu đã hoàn chỉnh dần cấu trúc kỹ thuật của hệ thống Dưới

đây sẽ phân tích các phần được thay đổi hoặc bổ sung tạm thời:

I.3.1/ Bổ sung Bộ hỗ trợ tháo muối:

Công tác tháo muối nằm trong qui trình vận hành hệ thống MSO Sau một thời gian được sử dụng, muối đã bão hòa cần được thay mới để đảm bảo hiệu quả xử lý thải cao Công tác tháo muối được thực hiện khi muối trong lò phản ứng ở dạng lỏng

Theo thiết kế ban đầu, ống xả muối nằm dưới đáy nhô ra ngoài lò nhiệt và được

đậy kín bằng một nắp theo cơ cấu vặn zen Trong nhận thức ban đầu là trong quá trình vận hành toàn bộ muối trong lò được nung chảy khi nhiệt độ trong lò đạt đến điểm nóng chảy của nó Và theo nguyên tắc truyền nhiệt phần dưới đáy lò nhiệt độ vẫn cao

đủ cho muối nóng chảy Do đó nếu vẫn duy trì nhiệt độ cao thì khi cần tháo muối chỉ cần mở nắp đậy ống xả, muối có thể chảy ra Tuy nhiên do ống xả muối nằm ngoài vùng nhiệt nên muối ở đây luôn ở tình trạng đông cứng vì nhiệt độ không đủ cao hơn

854oC, các lần vận hành thử tháo muối đều thất bại vì mỗi lần mở nắp đậy không khí lạnh xung quanh ùa vào làm giảm nhiệt độ của ống xả muối kết quả là nhiệt độ tại vùng đáy lò bị giảm rất nhanh Vì vậy cần phải cung cấp thêm nhiệt cho ống xả để làm tăng nhiệt độ ở đây Bộ hỗ trợ tháo muối đã được thiết kế nhằm mục đích này Mặt khác để tiến hành tháo muối nhanh phần ống xả muối và cơ cấu nắp đậy cũng đã được sửa đổi Kết quả sau khi sử dụng bộ hỗ trợ tháo muối và điều chỉnh kết cấu, công tác tháo muối đã tiến hành rất thuận lợi

Bộ hỗ trợ tháo muối bao gồm vòi đốt

I.3.2/ Điều chỉnh vùng nhiệt và bổ sung tạm thời Hệ điều khiển nhiệt độ:

Theo thiết kế, lò nhiệt được chia ra làm hai vùng nhiệt tương ứng với hai vùng phản ứng Các thí nghiệm xử lý thải được tiến hành trên hệ thống này đã cho thấy chế

độ nhiệt phân bố trong lò phản ứng chưa hợp lý Với đặc thù của quá trình MSO, các chất thải được đưa vào trong một ống dẫn từ đỉnh lò xuống đáy lò Với cách nạp thải như vậy các chất thải khi được nạp vào tiếp xúc đột ngột với nhiệt độ rất cao trong ống dẫn ngay trên đỉnh lò Do đó ở đây đã sinh ra hiện tượng truyền ngược tức là một lượng thành phần chất dễ bay hơi trong thải phát ra và dội ngược trở lại trên đỉnh lò Để tránh hiện tượng phản ứng ngược, nhiệt độ ở trong ống dẫn và đặc biệt là ở ngay vùng

đỉnh lò phải thấp Trong khi đó vùng đỉnh lò cũng là vùng phản ứng thứ cấp nên cần có nhiệt độ cao để thúc đẩy quá trình oxy hóa thải thứ cấp sau khi thoát ra khỏi bề mặt muối nóng chảy Điều này dẫn đến vùng nhiệt trên tương ứng với vùng phản ứng thứ cấp cần được chia nhỏ thành hai vùng nhiệt để tiện cho việc điều khiển nhiệt độ theo yêu cầu Như vậy toàn bộ lò nhiệt đã được phân chia lại thành ba vùng nhiệt: vùng đỉnh

lò (gọi là vùng trên), vùng giữa và vùng dưới (tương ứng với vùng phản ứng chính) Cùng với sự điều chỉnh lại lò nhiệt, hệ kiểm soát nhiệt độ cũng cần được bổ sung thêm các thiết bị để có thể điều khiển tự động cả ba vùng nhiệt Do đó một hệ điều khiển mới gồm ba sensor, ba đồng hồ hiển thị (digital) và ba bộ khởi động từ đã được tạm thời thay thế Việc điều chỉnh lại vùng nhiệt và bổ sung hệ điều khiển không chỉ có ý nghĩa như đã nêu ở trên mà còn rất có ý nghĩa trong việc đánh giá ảnh hưởng của từng vùng nhiệt đến hiệu quả xử lý thải

I.3.3/ Điều chỉnh Hệ nạp thải và cấp oxy/không khí

Hệ nạp thải được chế tạo gồm 1 bộ ejector, ống dẫn thải đúp, 1 vít cấp liệu, 1 phễu chứa và 1 quạt thổi ly tâm thấp áp Quạt ly tâm được sử dụng với hai mục đích cấp oxy cho quá trình phản ứng trong lò và làm mát ống dẫn thải nhằm ngăn chặn các phản ứng không cần thiết xảy ra ngay tại vùng trên Hệ nạp thải đã được vận hành thử

và cho thấy rằng không thể đáp ứng được việc nạp thải cũng như làm mát vì những lý

do sau:

Do nhiệt độ trong lò rất cao nên khi nạp thải là các hạt nhựa rất nhỏ (3 - 5mm) bằng vít cấp liệu thủ công thì áp suất dương bên trong lò sẽ đẩy ngược các hạt nhựa trở lại, kết quả là các hạt nhựa cháy ngay trên đỉnh lò Điều này là vì lực ép từ vít cấp liệu vận hành bằng tay kém nên không thể đẩy các hạt nhựa xuống sâu trong lò Việc sử dụng quạt thấp áp để làm mát ống dẫn thải cũng hầu như không có hiệu quả Kết hợp hai yếu tố lại, nhóm nghiên cứu đã thay đổi thiết kế bằng một hệ nạp thải mới Quá trình nạp thải được thực hiện bằng một hệ nạp thải gồm lần lượt như sau: một phễu chứa, một van đóng mở, một ejector được nối đến một máy nén khí (áp lực lên đến 8kg/cm2, lưu lượng 7m3/giờ), bộ ống đúp dẫn thải, và một máy nén khí Bộ ống đúp là

bộ 2 ống lồng nhau, ống trong dẫn thải được liên kết với ejector, ống ngoài làm mát ống dẫn thải được nối với máy nén khí Đầu ra của máy nén khí được chia thành 2 đầu kết nối với ejector và ống làm mát Với áp lực cao máy nén khí đã tạo ra được dòng

khí có vận tốc lớn để hút các hạt nhựa rất nhẹ đưa sâu xuống đáy lò Mặt khác không khí do máy nén khí cấp vào cho ống làm mát có tốc độ cao sẽ tạo ra hiệu quả làm mát tốt hơn cho quá trình nạp thải

I.4/ Đánh giá hệ thống thử nghiệm MSO công suất 0,3-0,5kg/giờ

Hệ thống thử nghiệm MSO công suất 0,3-0,5kg/giờ được chế tạo theo thiết kế dựa trên cơ sở nguyên lý chung xử lý thải bằng giải pháp nhiệt và đặc trưng riêng của cơ chế phản ứng oxy hóa trong muối nóng chảy Hơn thế nữa trong quá trình làm việc thực tế, hệ thống đã được điều chỉnh và bổ sung nhằm hoàn chỉnh hơn cấu trúc hệ thống công nghệ MSO

Dựa trên các kết quả vận hành xử lý thử nghiệm thải PVC có thể đánh giá các

ưu điểm của hệ thống thử nghiệm MSO công suất 0,3-0,5kg/giờ như sau:

1 Với việc kết hợp hai vùng phản ứng, lò phản ứng đã đáp ứng được yêu cầu cần thiết

đánh giá khả năng xử lý toàn diện của công nghệ

2 Sự điều chỉnh lại các vùng nhiệt trong lò nhiệt đã cung cấp một môi trường nhiệt hợp lý cho việc quan sát ảnh hưởng của nhiệt độ trong từng vùng phản ứng đối với quá trình phân hủy các chất thải Thêm vào nữa, sự phân bố lại vùng nhiệt cũng tạo

điều kiện cho việc đánh giá hiệu suất làm việc của hệ thống Với sự thiết kế hợp lý

về công suất, lò nhiệt cũng đã được vận hành một cách an toàn không chỉ đối với lò

mà cả mạng cung cấp điện Thời gian cung cấp nhiệt không quá nhiều

3 Các hệ phụ trợ đã làm việc an toàn và đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật

Tuy nhiên các kết quả thu được trên hệ thống thử nghiệm chưa phải là kết quả tốt nhất Một điều tất yếu là hiệu quả phân hủy các chất thải phụ thuộc chủ yếu vào các thông số kỹ thuật vận hành Công nghệ MSO có những yêu cầu kỹ thuật cần phải đáp ứng được tính đặc thù của công nghệ Các vấn đề kỹ thuật liên quan đến nhiệt độ phân

bố trong vùng lò, quá trình nạp thải và mức độ cấp oxy/không khí đều phụ thuộc vào cấu trúc và thành phần các thiết bị trong hệ thống Trên quan điểm này có thể đánh giá lại những vấn đề còn hạn chế của hệ thống thử nghiệm như sau:

1 Như trên đã phân tích lò nhiệt cần phải được chế tạo sao cho nhiệt độ ở vùng đỉnh lò

có thể được điều khiển xuống thấp hơn ở các vùng dưới Điều này rất quan trọng cho quá trình nạp thải để không xảy ra sự bay hơi của các chất thải khi tiếp xúc ngay với nhiệt độ cao từ trên đỉnh lò Do đó một yêu cầu đối với lò nhiệt là cần phân bố các vùng nhiệt một cách hợp lý Mặt khác lò nhiệt cũng cần được chế tạo với công suất lớn hơn để cấp nhiệt cho lò phản ứng nhanh hơn Cùng với sự hoàn chỉnh hơn trong việc chế tạo lò nhiệt hợp lý, hệ kiểm soát nhiệt độ cũng cần được bổ sung thêm các thiết bị

để có thể điều khiển tự động cả ba vùng nhiệt Ngoài ra một hệ chỉ thị chính xác nhiệt

độ trong vùng phản ứng muối nóng chảy là rất cần thiết cho các thử nghiệm nghiên cứu công nghệ MSO

2 Hệ nạp thải mới chỉ đáp ứng được sự nạp các chất thải rắn ngắt quãng và công suất nhỏ Để nạp thải liên tục với công suất lớn hơn hệ nạp thải cần phải được cải thiện với

bộ cấp liệu liên tục, dẫn thải xuống sâu vùng muối nóng chảy và hiệu quả làm mát ống dẫn thải tốt hơn

3 Vấn đề cuối cùng là vật liệu chế tạo Vật liệu chế tạo lò phản ứng chưa đáp ứng được yêu cầu chịu được ăn mòn trong vùng nhiệt độ cao Vật liệu cần thiết để chế tạo lò phản ứng là Inconel 600 với nồng độ niken>60% Các bộ phận khác cũng cần phải

được chế tạo bằng loại thép không gỉ như SUS320

Ii/ đánh giá hiệu quả xử lý thải và xây dựng qui trình vận hành hệ thống thử nghiệm mso công suất 0,3-0,5kg/giờ

II.1/ Đặt vấn đề

Các xử lý thử nghiệm một loại chất thải điển hình cho chất thải hữu cơ chứa clo trên hệ thống thử nghiệm nhằm đánh giá hiệu quả xử lý của công nghệ MSO và của hệ thống thử nghiệm Từ đó qui trình vận hành được thiết lập trên cơ sở quá trình xử lý thử nghiệm thải có hiệu quả tốt nhất Bên cạnh yếu tố thiết bị công nghệ các điều kiện vận hành như nhiệt độ, chiều cao cột muối lỏng và lưu lượng oxy sẽ quyết định hiệu quả xử

lý thải Các thử nghiệm sẽ được tổ chức với các điều kiện vận hành khác nhau để xác

định điều kiện vận hành tối ưu cho một kết quả xử lý tốt nhất

II.2/ thiết lập qui trình thử nghiệm thải pvc để đánh giá hiệu quả xử lý

Từ những phân tích ở mục III phần A, có thể kết luận rằng các điều kiện vận hành như nhiệt độ, vận tốc bề mặt khí, chiều cao của cột chất lỏng và lượng oxy cấp vào cùng với tốc độ nạp thải liên quan đến mức độ hòa trộn oxy- chất thải là những yếu

tố quyết định hiệu quả của quá trình Dưới đây sẽ xét ảnh hưởng của từng yếu tố đến hiệu quả của quá trình MSO để thiết lập qui trình thử nghiệm

II.2.1/ Yếu tố nhiệt độ

Nhiệt độ là một yếu tố ảnh hưởng rất quan trọng đến hiệu quả xử lý thải trong quá trình đốt Trong quá trình MSO nhiệt độ tăng làm tăng hiệu quả oxy hóa do tăng quá trình vận chuyển oxy Khi nhiệt độ của môi trường muối nóng chảy tăng lên làm tăng mật độ của pha khí và giảm độ nhớt và sức căng bề mặt của pha lỏng Điều này dẫn đến kích thước các bọt khí db nhỏ hơn và làm tăng diện tích tiếp xúc giữa hai pha khí-lỏng (hệ số a) cũng như làm tăng hệ số vận chuyển khối lượng kl Kết quả là tốc độ

khuếch tán oxy OTR tăng lên Như vậy nhiệt độ trong môi trường lỏng tăng lên làm tăng GH và do đó thúc đẩy quá trình trong hệ thống 2 pha khí- lỏng Tuy nhiên theo như phân tích trên GH cần được khống chế do sự bất lợi trong quá trình khuếch tán oxy nếu GH tăng quá nhiều Ngoài ra sự tăng nhiệt độ lại làm giảm nồng độ oxy trên bề mặt tiếp xúc giữa 2 pha Mặt khác nhiệt độ quá lớn sẽ làm tăng sự tạo thành NOx Một điều nữa, do muối được lựa chọn ở đây là muối Na2CO3 cho nênnhiệt độ trong quá trình MSO không thể vượt quá 1000oC vì một lý do là tại nhiệt độ >1000oC muối Na2CO3 sẽ

bị phân ly thành các oxit theo phản ứng sau[4]:

Na2CO3 → Na2O + CO2 (1050oC) Nhiệt độ trong quá trình cần lớn hơn điểm nóng chảy của muối mà cụ thể ở đây

là đối với muối Na2CO3 phải >854oC Như vậy điều kiện nhiệt độ cho thử nghiệm trong quá trình MSO sẽ được thực hiện từ 870 - 1000 oC

II.2.2/ Yếu tố vận tốc khí bề mặt :

Như đã phân tích ở mục trên vận tốc Vs lớn làm tăng mức độ rối của dòng và do

đó tăng sự hòa trộn giữa hai pha Điều này dẫn đến tăng sự tiếp xúc giữa hai pha và kết quả tăng tốc độ khuếch tán Tuy nhiên sự tăng cao của Vs không có nghĩa là luôn cần thiết cho quá trình do đặc tính giống như nút dòng trong lò phản ứng MSO

Mối liên hệ giữa GH và Vs cũng đã được các nhà nghiên cứu khoa học ở KAERI chỉ ra bằng các thí nghiệm trên hệ thống MSO GH tăng nhanh theo sự tăng của Vs ở

điều kiện vận tốc khí <0,15m/s Khi Vs >0,15m/s thì GH cũng tăng chậm dần và tiến

đến đường tiệm cận khi Vs >0,22m/s Các kết quả nghiên cứu này sẽ được cân nhắc để thiết lập điều kiện vận hành trong thử nghiệm Vận tốc Vscó thể được lựa chọn cho quá trình thử nghiệm với các giá trị > 0,22m/s

II.2.3/ Yếu tố chiều cao cột chất lỏng- muối nóng chảy

Như trên đã phân tích, chiều cao cột chất lỏng ảnh hưởng đến quá trình khuếch tán oxy trong hệ thống hai pha khí-lỏng Chiều cao cột chất lỏng hay áp suất tĩnh tại bề mặt đáy của cột chất lỏng (PB = ρgh + 1 at) ảnh hưởng đến sự khuếch tán oxy thông qua áp suất riêng phần của oxy trong pha khí và ảnh hưởng đến nồng độ oxy trong pha lỏng Co* Việc tăng chiều cao h làm tăng áp suất riêng phần của oxy và do đó tăng Co* kết quả là tăng OTR của quá trình

Tuy nhiên tăng chiều cao cột chất lỏng cũng làm tăng GH và điều này như đã thấy có thể là điều bất lợi cho quá trình khuếch tán oxy Do đó việc chọn chiều cao cột chất lỏng rất quan trọng Các thử nghiệm ở nước ngoài đã kết luận chiều cao tối ưu của cột chất lỏng nằm trong khoảng 2-3 lần đường kính của lò phản ứng

II.2.4/ Yếu tố lượng oxy cấp vào

Rõ ràng là lượng oxy cấp vào sẽ làm tăng hệ số truyền khối kl và dẫn đến tăng OTR Mặt khác việc cấp nhiều oxy quá cũng lại ảnh hưởng không tốt đến quá trình xử

lý thải do làm giảm nhiệt độ vận hành và giảm thời gian lưu thải Bởi vậy yếu tố lượng oxy cần thiết cho quá trình cũng là một thông số cần thử nghiệm và lựa chọn

II.3/ Quá trình thử nghiệm và đánh giá hiệu quả xử lý:

Quá trình thử nghiệm xử lý PVC được thực hiện trong hai môi trường muối đơn

và hỗn hợp muối nóng chảy

II.3.1/ Thử nghiệm xử lý PVC trong môi trường muối đơn nóng chảy:

II.3.1.1/ Xác định đặc trưng của chất thải:

Các chất thải PVC là các dây truyền dịch đường kính 3 mm được thu thập từ bệnh viện E Sau khi được phân loại, rửa sạch các dây truyền PVC được cắt nhỏ với kích thước <5mm Trước khi các chất PVC này được đưa vào xử lý thử nghiệm các phân tích đặc trưng về lý tính và hóa tính đã được thực hiện Dưới đây là kết quả phân tích đặc trưng lý tính của mẫu thải PVC, (Các số liệu đo đạc xem Phụ lục II)

Bảng 1: Các đặc trưng lý tính của mẫu chất thải PVC

Độ ẩm tương đối

H (%)

Nồng độ chất dễ bay hơi

V (%)

Độ tro

A (%)

Nồng độ các bon C(%)

0,2 91 1,0 7,8

Việc phân tích các thành phần trong mẫu thải PVC được thực hiện trên máy huỳnh quang tia X đã chỉ ra thành phần Cl có mặt ở đây chiếm tỉ lệ rất cao so với các thành phần khác như Ca, Pb, Fe cho thấy trong Bảng 2 và H.7 dưới đây

Bảng 2: Thành phần hóa học trong mẫu chất thải PVC

Nguyên tố Diện tích đỉnh đặc trưng (cps) và sai số