Chuyên đề ô nhiễm không khí KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ TẠI CÁC LÒ ĐỐT CHẤT THẢI RẮN ĐÔ THỊ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TPHCM KHOA MÔI TRƯỜNG Chuyên đề ô nhiễm không khí KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ TẠI CÁC LÒ ĐỐT CHẤT THẢI RẮN ĐÔ THỊ GVHD: TS. Tô Thị Hiền Nhóm sinh viên Nguyễn Đăng Khoa 1022140 Trần Huỳnh Vân Nhi 1022208 Lý Tiểu Phụng 1022227 Lê Nguyễn Thế Phương 1022228 Võ Nguyễn Ngọc Quỳnh 1022243 Trần Hoài Thanh 1022261 KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ TẠI CÁC LÒ ĐỐT CHẤT THẢI RẮN ĐÔ THỊ 1. Giới thiệu Chất thải rắn đô thị (Municipal solid waste - MSW) vẫn là một vấn đề lớn ở các xã hội hiện đại, mặc dù những nổ lực đáng kể nhằm phòng ngừa, cắt giảm, tái sử dụng và tái sử dụng. Hiện nay, việc đốt các chất thải rắn đô thị trong kế hoạch chuyển chất thải thành năng lượng là một trong những phương án quản lý chính ở hầu hết các nước phát triển. Công nghệ thu hồi năng lượng từ MSW đã được triển khai qua nhiều năm và tạo ra những thiết bị kiểm soát ô nhiễm không khí (APC) bảo đảm rằng việc bốc hơi tuân theo những giới hạn nghiêm ngặt ở các nước phát triển. Đề tài này cho thấy vai trò của việc thiêu đốt trong các quá trình WtE trong việc quản lý MSW, thấy được tổng quan công nghệ MSWI và các thiết bị APC dùng để làm sạch khí phát thải. Trọng tâm chính là các chất khí chủ yếu gây ô nhiễm không khí, như dioxins và furans. Cuối cùng, tác động của sự phát thải của các chất khí gây nguy hiểm cho sức khoẻ cũng được xem xét ngắn gọn. 2. Đóng góp của công nghệ MSWItrong các hệ thống hiện đại quản lý chất thải rắn Phân loại chất thải hiện hành ở liên minh châu Âu, theo chỉ thị 2008/98/EC, và ở các nước phát triển khác dựa theo những lựa chọn đó để quản lý chất thải: phòng ngừa, tái sử dụng, tái chế, thu hồi theo hướng khác (như thu hồi năng lượng) hoặc tuỳ ý sử dụng. Thực vậy, các hệ thống hiện đại đi theo các phương pháp luận khác nhau thông thường với mục đích càng nhiều càng có thể hướng tới các giải pháp bền vững toàn cầu. Công cụ đánh giá vòng đời sản phẩm (Life Cycle Assessment - LCA) từng được sử dụng để ước tính tải trọng môi trường tiềm ẩn của các chiến lược quản lý chất thải khác nhau, từ các quan điểm môi trường, kinh tế và năng lượng. Các phép tính này cho thấy các bãi chôn lấp chất thải rắn thậm chí nếu khí được thu hồi và các dung dịch được thu lấy và xử lý, thì vẫn nên tránh, vì các nguồn trong chất thải kém khả năng sử dụng (Sundqvist, 2005). Những phương pháp môi trường đan xen nhau như thiêu đốt, tái chế vật liệu, phân huỷ kỵ khí hoặc ủ phân. Thiêu đốt là một quá trình đốt cháy ở nhiệt độ cao cho phép oxy hoá hoàn toàn các chất thải rắn, lỏng và khí. Các hệ thống đốt cháy này rất phức tạp có liên quan đồng thời đến nhiệt và sự thay đổi khối lượng, phản ứng hoá học, các dòng lưu chất. Một phương trình chung, dại diện cho việc đốt cháy các chất thải trong không khí, có thể theo dạng sao (Jekins et al., 1998): Quan trọng để ý rằng phương trình kinh nghiệm trình bày ở (1) là chưa hoàn chỉnh vì nó chỉ bao gồm 15 nguyên tố và một chất thải thật sự có thể bao gồm nhiều hơn, vài trong số chúng được tìm thấy ở dạng vết, các phân tử có chỉ số x1 tới x15 có thể thay đổi rộng rãi, n1 tương ứng độ ẩm trong chất thải, n2 lên quan đến số lượng của không khí (xem như là hỗn hợp 2 cấu tử O2 và N2) sử dụng khi đốt cháy, (1+e) là mức dư của không khí có liên quan đến số lượng hệ số tỷ lượng , thường khoảng từ 1.2 đến 2.5 (phụ thuộc vào chất đó là khí, lỏng hay rắn) (BREF, 2006), n3 tới n15 tương ứng đến hệ số tỷ lượng của các chất khác nhau có thể tìm thấy như các chất tạo thành, giữa nhiều chất khác có thể giải phóng trong việc phát thải. Nếu như vật liệu đốt được thể hiện bằng một công thức đơn giản hơn, như CuHvOwNxSy, thì phương trình cháy sẽ đơn giản hơn và thể hiện bằng cân bằng Trong phạm vi xử lý các chất thải rắn bằng phương pháp nhiệt, hình 1 cho thấy sự khác biệt theo quan điểm nhiệt phân, hoá khí và đốt cháy tính đến số lượng không khí hiện tại. Hình 1. Phân loại các công nghệ nhiệt phân cho việc xử lý MSW (dựa theo DEFRA, 2007). Các quá trình nhiệt phân này tương ứng rất nhiều công nghệ khác nhau theo hướng xử lý chất thải và thu hồi năng lượng. Trong đốt cháy, năng lượng giải phóng qua các phản ứng oxy hoá, và thu hồi trực tiếp từ các dạng khí hình thành. Hiện nay, việc đốt chất thải rắn đô thị nhằm chuyển chất thải thành năng lượng đã được xác nhận là một giải pháp thân thiện với môi trường và là sự thay đổi phổ biến cho các bãi chôn lấp chất thải rắn, trong khi cho phép thu hồi một phần lớn năng lượng chứ trong MSW. Thực tế, MSWI có một vài ưu và nhược điểm được trình bày trong bảng 1. Tuy nhiên, các vấn đề chính liên quan đến những quá trình này là có thể một lượng lớn khí phát thải có thể gây ra những rủi ro sức khoẻ môi trường (Moy et al., 2008) và các chất thải nguy hại vẫn còn sau khi đốt như tro bay hoặc phần còn lại kiểm soát ô nhiễm không khí (Quina et la., 2008a,b). MSW phát sinh từ hộ gia đình và các chất thải tương tự trong tự nhiên và các cấu thành, thường được thu thập và quản lý bằng hoặc trên danh nghĩa nhà chức trách đô thị, và bao gồm các vật liệu như giấy, nhựa các loại, hàng hoá, thuỷ tinh và dụng cụ nhà ở. Hình 2 cho thấy cấu thành đặc trưng của MSW thường liên quan đến các dòng thải này, dựa trên gentil et al. (2009), và các thông tin được bào cáo bởi các cơ quan môi trường từ Portugal (APA) và từ USA (EPA) cho tài liệu tham khảo năm 2009. Bảng1. Ưu và nhược điểm của việc thiêu đốt chất thải rắn đô thị

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TPHCM

KHOA MÔI TRƯỜNG

Chuyên đề ô nhiễm không khí

KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ TẠI CÁC LÒ ĐỐT CHẤT THẢI

RẮN ĐÔ THỊ

GVHD: TS Tô Thị Hiền

Nhóm sinh viên

KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ TẠI CÁC LÒ ĐỐT

CHẤT THẢI RẮN ĐÔ THỊ

1 Giới thiệu

Chất thải rắn đô thị (Municipal solid waste - MSW) vẫn là một vấn đề lớn ở các xã hộihiện đại, mặc dù những nổ lực đáng kể nhằm phòng ngừa, cắt giảm, tái sử dụng và tái sửdụng Hiện nay, việc đốt các chất thải rắn đô thị trong kế hoạch chuyển chất thải thànhnăng lượng là một trong những phương án quản lý chính ở hầu hết các nước phát triển.Công nghệ thu hồi năng lượng từ MSW đã được triển khai qua nhiều năm và tạo ranhững thiết bị kiểm soát ô nhiễm không khí (APC) bảo đảm rằng việc bốc hơi tuân theonhững giới hạn nghiêm ngặt ở các nước phát triển Đề tài này cho thấy vai trò của việcthiêu đốt trong các quá trình WtE trong việc quản lý MSW, thấy được tổng quan côngnghệ MSWI và các thiết bị APC dùng để làm sạch khí phát thải Trọng tâm chính là cácchất khí chủ yếu gây ô nhiễm không khí, như dioxins và furans Cuối cùng, tác động của

sự phát thải của các chất khí gây nguy hiểm cho sức khoẻ cũng được xem xét ngắn gọn

2 Đóng góp của công nghệ MSWItrong các hệ thống hiện đại quản lý chất thải rắn

Phân loại chất thải hiện hành ở liên minh châu Âu, theo chỉ thị 2008/98/EC, và ở cácnước phát triển khác dựa theo những lựa chọn đó để quản lý chất thải: phòng ngừa, tái sửdụng, tái chế, thu hồi theo hướng khác (như thu hồi năng lượng) hoặc tuỳ ý sử dụng.Thực vậy, các hệ thống hiện đại đi theo các phương pháp luận khác nhau thông thườngvới mục đích càng nhiều càng có thể hướng tới các giải pháp bền vững toàn cầu Công cụđánh giá vòng đời sản phẩm (Life Cycle Assessment - LCA) từng được sử dụng để ướctính tải trọng môi trường tiềm ẩn của các chiến lược quản lý chất thải khác nhau, từ cácquan điểm môi trường, kinh tế và năng lượng Các phép tính này cho thấy các bãi chônlấp chất thải rắn thậm chí nếu khí được thu hồi và các dung dịch được thu lấy và xử lý, thìvẫn nên tránh, vì các nguồn trong chất thải kém khả năng sử dụng (Sundqvist, 2005).Những phương pháp môi trường đan xen nhau như thiêu đốt, tái chế vật liệu, phân huỷ kỵkhí hoặc ủ phân

Thiêu đốt là một quá trình đốt cháy ở nhiệt độ cao cho phép oxy hoá hoàn toàn các chấtthải rắn, lỏng và khí Các hệ thống đốt cháy này rất phức tạp có liên quan đồng thời đếnnhiệt và sự thay đổi khối lượng, phản ứng hoá học, các dòng lưu chất Một phương trìnhchung, dại diện cho việc đốt cháy các chất thải trong không khí, có thể theo dạng sao(Jekins et al., 1998):

Quan trọng để ý rằng phương trình kinh nghiệm trình bày ở (1) là chưa hoàn chỉnh vì nóchỉ bao gồm 15 nguyên tố và một chất thải thật sự có thể bao gồm nhiều hơn, vài trong sốchúng được tìm thấy ở dạng vết, các phân tử có chỉ số x1 tới x15 có thể thay đổi rộng rãi,

n1 tương ứng độ ẩm trong chất thải, n2 lên quan đến số lượng của không khí (xem như làhỗn hợp 2 cấu tử O2 và N2) sử dụng khi đốt cháy, (1+e) là mức dư của không khí có liênquan đến số lượng hệ số tỷ lượng , thường khoảng từ 1.2 đến 2.5 (phụ thuộc vào chất đó

là khí, lỏng hay rắn) (BREF, 2006), n3 tới n15 tương ứng đến hệ số tỷ lượng của các chấtkhác nhau có thể tìm thấy như các chất tạo thành, giữa nhiều chất khác có thể giải phóngtrong việc phát thải Nếu như vật liệu đốt được thể hiện bằng một công thức đơn giảnhơn, như CuHvOwNxSy, thì phương trình cháy sẽ đơn giản hơn và thể hiện bằng cân bằng

Trong phạm vi xử lý các chất thải rắn bằng phương pháp nhiệt, hình 1 cho thấy sự khácbiệt theo quan điểm nhiệt phân, hoá khí và đốt cháy tính đến số lượng không khí hiện tại

Hình

1 Phân loại các công nghệ nhiệt phân cho việc xử lý MSW (dựa theo DEFRA, 2007).

Các quá trình nhiệt phân này tương ứng rất nhiều công nghệ khác nhau theo hướng xử lýchất thải và thu hồi năng lượng Trong đốt cháy, năng lượng giải phóng qua các phản ứngoxy hoá, và thu hồi trực tiếp từ các dạng khí hình thành

Hiện nay, việc đốt chất thải rắn đô thị nhằm chuyển chất thải thành năng lượng đã đượcxác nhận là một giải pháp thân thiện với môi trường và là sự thay đổi phổ biến cho các

3

bãi chôn lấp chất thải rắn, trong khi cho phép thu hồi một phần lớn năng lượng chứ trongMSW Thực tế, MSWI có một vài ưu và nhược điểm được trình bày trong bảng 1 Tuynhiên, các vấn đề chính liên quan đến những quá trình này là có thể một lượng lớn khíphát thải có thể gây ra những rủi ro sức khoẻ môi trường (Moy et al., 2008) và các chấtthải nguy hại vẫn còn sau khi đốt như tro bay hoặc phần còn lại kiểm soát ô nhiễm khôngkhí (Quina et la., 2008a,b).

MSW phát sinh từ hộ gia đình và các chất thải tương tự trong tự nhiên và các cấu thành,thường được thu thập và quản lý bằng hoặc trên danh nghĩa nhà chức trách đô thị, và baogồm các vật liệu như giấy, nhựa các loại, hàng hoá, thuỷ tinh và dụng cụ nhà ở Hình 2cho thấy cấu thành đặc trưng của MSW thường liên quan đến các dòng thải này, dựa trêngentil et al (2009), và các thông tin được bào cáo bởi các cơ quan môi trường từ Portugal(APA) và từ USA (EPA) cho tài liệu tham khảo năm 2009

Bảng1 Ưu và nhược điểm của việc thiêu đốt chất thải rắn đô thị

- Xử lý chất thải không cần quá trình

tiền xử lý

- Giảm nhu cầu bãi chôn lấp CTR cho

MSW

- Giảm dung tích chất thải khoảng 90%

- Giảm trọng lượng chất thải khoảng

- Tiêu diệt các mầm bệnh tiềm ẩn và các

chất ô nhiễm hữu cơ độc hại

- Có thể đặt gần nơi phát sinh MSW

- Giảm giá thành vận chuyển chất thải

- Tạo ra chất thải nguy hại (phần còn lạiAPC), yêu cầu hướng an toàn

- Tạo ra các xỉ (các tro phía dưới)

- Phát sinh dung tích lớn các khí ốngkhói

- Đầu tư cao và chi phí vận hành

- Giá bảo dưỡng cao

- Nhân viên có tay nghề

- Các cấu thành phù hợp cho việc đốtchất tự động

- Nhận thức cộng đồng (cho đến nay)

- Diện tích tối thiểu

- Một lượng lớn bốc hơi không có mùi

- Giảm vật liệu hữu cơ, chủ yếu là CO2

thay vì CH4 và các VOC khác

Thông qua dữ liệu Eurotat cho các thành viên nhà nước EU- 27, MSW được sản xuấtnăm 2008 trung bình khoảng 524 theo đầu người, nhưng có thể tìm thấy từ 800kg ở ĐanMạch và 300kg ở Cộng hoà Czech (Eurotat 2010) Toàn bộ, năm 2008, các quốc gia EU -

27 tạo ra số lượng lớn 259Mt MSW, trong khi 221Mt ở EU - 15 Hình 3 - 4 miêu tả dòngMSW được xử lý ở nhiều quốc gia, đặc biệt trong hình 3 cho thấy ước tính ở EU - 27 từnăm 1995 đến 2009 tính đến thiêu đốt, bãi chôn lấp, ủ phân và tái chế Quan trong thấyrằng, năm 2009, khoảng 20% chất thải được đốt, tương ứng với 50.9Mt Xem như giá trịcalo thấp hơn (LCV) trung bình không nên nhỏ hơn 7 MJ/kg chất thải, để xuất hiện mắcxích của các phản ứng có thể tự đốt cháy, và giả sử ở Châu Âu, LCV trong khoảng 9 -13MJ/kg (báo cáo từ ngân hàng thế giới, 1999), thiêu đốt của 50.9Mt dẫn đến một sốlượng năng lượng khổng lồ có sẵn để thu hồi Hình 3 chỉ ra bãi chôn lấp dần dần giảm từnăm 1995, và trong năm 2009, nó đóng góp 37% Qua hình 4, Nhật Bản là quốc gia màthiêu đốt đóng góp cao hơn (79%) ở Châu Âu, các quốc gia như Đan Mạch (54%) vàThuỵ Sĩ (50%) có tỉ lệ cao nhất Bằng cách tính đến thông tin từ BREF (2006) để thiêudốt chất thải, bảng 2 tóm tắt số lượng và dung tích toàn bộ của các lò đốt hiện hữu ở 17nước Châu Âu

5

Bảng2 Số lượng và dung tích toàn bộ của các lò đốt hiện hữu ở 17 nước Châu Âu.

0.52.42.70.0711.713.4001.70.15

Quan trọng là những con số này có thể thay đổi thông qua nguồn thông tin sử dụng, nămtham khảo Thông qua DEFRA (2007), năm 2000, khoảng 291 khu vực thiêu đốt với thuhồi năng lượng ở 18 quốc gia phía tây Châu Âu, loại bỏ 50 triệu tấn chất thải và thu hồi

50 TWh (tương đương 40 triệu tấn dầu) Thông qua chỉ thị 2008/98/CE, một công thứcmới được ban hành, phương trình (3), để làm sạch khi đốt MSW có hiệu quả năng lượng

và có thể xem xét một quá trình hoạt động thu hồi Thực vậy, hiệu quả năng lượng phảiđược cân bằng hoặc trên 0.6 đến 0.65 tuỳ theo sự lắp đặt cho phép trước hoặc sau31/12/2008

Hiệu quả năng lượng (EE) = (Ep - (Ef - Ei))/(0.97x(Ew + Ef))

Ep là năng lượng tạo ra hằng năm như nhiệt (nhân với 1.1) hoặc điện (nhân với 2.6),GJ/năm, Ef là năng lương đầu vào hằng năm cuả hệ thống từ nhiên liệu cung cấp cho quátrình của dòng đốt (GJ/năm), Ew là năng lượng hằng năm chứa trong chất thải được xứ lýtính toán bằng giá trị calo thực của chất thải (GJ/năm), và Ei là năng lượng hằng nămđược thêm vào bao gồm Ew và Ef (GJ/năm) Hệ số tỷ lệ là 0.97 được dùng để tính toánnăng lượng thất thoát do bức xạ và tro phía dưới Quan trọng là hiệu quả cao không dễ đểđạt được chỉ thông qua năng suất của điện Sử dụng nước nóng cũng nên được xem xét,bất kỳ nơi nào khả thi trong khu vực

3 Lò đốt chất thải rắn đô thị và công nghệ kiểm soát ô nhiễm không khí

Các công nghệ khác nhau có thể được áp dụng để xử lí MSW bao gồm đốt cháy hàng loạtvới vỉ lò đốt di động-ống lăn, 1 modun đốt cháy 2 giai đoạn và lò hơi tầng sôi Ở châu

Âu, vỉ lò đốt được sử dụng hơn 90% ở các nhà máy và trong trường hợp lò hơi tầng sôi,MSW cần phải tiền xử lý Công nghệ lò đốt sử dụng cho MSW đã thay đổi trong vòng 10-15 năm qua, chủ yếu là do các yêu cầu của luật pháp giới hạn lượng phát thải thấp vàokhông khí Theo chỉ thị 2000/76/EC, một “nhà máy đố chất thải rắn” phù hợp với bất kìđơn vị kỹ thuật cố định hoặc di động nào dành riêng cho xử lý chất thải rắn dùng nhiệt,

có hoặc không có việc thu hồi nhiệt được tạo ra trong quá trình cháy Điều này bao gồmđốt do sự oxi hóa chất thải cũng như các quá trình xử lý nhiệt khác như nhiệt phân hoặc

7

khí hóa cho tới khi các hợp chất do các quá trình xử lý nhiệt được đốt sau đó Mô tả nàybao gồm khu đất và toàn bộ nhà máy xử lý gồm:

- Tiếp nhận và xử lý chất thải rắn (lưu trữ, tiền xử lý tại chỗ)

- Thu hồi năng lượng (nồi hơi, bô phận tiết kiệm…)

- Thiết bị làm sạch khí phát thải

- Thiết bị xử lý tại chỗ hoặc lưu trữ lượng dư và nước thải, ống khói

- Các thiết bị và hệ thống điều khiển hoạt động đốt, lưu trữ và giám sát các điềukiện đốt

Những khu vực này có thể được phân bố như hình 5 là hình đại diện cho 1 đề án điểnhình lò đốt hàng loạt MSW

Nhìn vào sơ đồ hình 5, mô tả ngắn gọn dòng khối vào lò đốt được ghi phía dưới MSWthường được cung cấp bằng xe tải (1) và thải vào hố lưu trữ như là “ngăn tiếp nhận” (2),đến khi đủ 1 lượng để cung cấp như 1 vật liệu liên tục cho nhà máy WtE Sau đó, chấtthải được lấy ngẫu nhiên bằng tay cầu trục (3) và bỏ vào phễu cung cấp (4) Dòng chấtthải thông qua bộ phận trung chuyển (5) vào vỉ lò đốt di động (6) là nơi xảy ra quá trìnhcháy Nhà máy phải kiểm soát để tối ưu hóa các điều kiện đốt để đảm bảo quá trình cháy

xảy ra hoàn toàn và thời gian lưu trên vỉ lò đốt thường không quá 60 phút Các quạtcưỡng bức (7) làm không khí sơ cấp đi qua vùng không khí (8) dưới vỉ lò vào buồng đốt(9), để cung cấp oxi thúc đẩy phản ứng oxi hóa, ví dụ phương trình 1 Luồng không khí

sơ cấp thường được lấy từ hố lưu trữ (2) để giảm áp suất không khí và hạn chế sự pháttán mùi từ hố lưu trữ Mặc dù nó không được thể hiện trong hình 5, 1 hệ thống cung cấpkhí thứ cấp thường được dùng phổ biến trong lò đốt, để đảm bảo sự xáo trộn của khítrong lò (khí thứ cấp) và để đảm bảo quá trình cháy hoàn toàn Khoảng 10-20% khí nhiênliệu được tuần hoàn như là luồng khí thứ cấp Những phản ứng liên quan đến quá trìnhnày là tỏa nhiệt và giải phóng ra một lượng lớn năng lượng mà năng lượng này đượcmang bởi các khí thải dưới dạng nhiệt Thật vậy, các giá trị nhiệt trên của MSW ở Đứcthường nằm trong khoảng 7-15 MJ/kg (BREF, 2006) Thu hồi năng lượng diễn ra hầu hếttorng nồi hơi (10), bộ quá nhiệt (12) và bộ phận tiết kiệm (13) Tro đáy trong quá trìnhđốt cháy thường được dập tắt và vận chuyển đến kho lưu trữ (11) Trong hấu hết các lòđốt, tro đáy được vận chuyển trên băng tải và các kim loại màu được phân loại, và vì vậycùng 1 thời điểm kim loại được tái chế và diễn ra sự cải thiện tính xỉ Tro đáy bị thủy tinhhóa 1 phần có thể được xử lý như chất thải không nguy hại hoặc chất thải đặc biệt ở nhiềunước Một lượng lớn khí được tạo ra trong quá trình đốt có chứa những chất ô nhiễmkhông khí độc hại cho môi trường, vì vậy phải tuân thủ các quy định giới hạn nghiêmngặt Vì vậy tùy thuộc vào mức độ làm sạch, các hệ thống kiễm soát ô nhiễm không khíkhác nhau có thể được sử dụng Một ví dụ như hình 5 máy lọc hơi đốt (14) và bộ lọc vải(15) được sử dụng Trong các bộ phận này, lượng dư APC được sinh ra và tiếp tục vậnchuyển nhờ băng tải (18) tới hố chứa (không được trình bày) Hầu hết các lò đốt hiện đại

xử lý lượng dư APC trước khi thải bỏ trong hố chứa Cuối cùng, bằng việc sử dụng quạthút cảm ứng, khí thải sạch được thải thông qua ống khói Liên quan ô nhiễm không khí,đây là một vấn đề hết sức nghiêm trọng để lưu ý rằng đốt gồm những phản ứng rất nhanh(một phần giây) mà các phản ứng này xảy ra ở pha khí, có tểh tự hỗ trợ cho quá trìnhcháy nếu giá trị nhiệt của chất thải và nồng độ oxy có đủ Do đó, chiều dài của vỉ lò đốtcần đảm bảo cho các giai đoạn được chỉ ra trong hình 6

(Theo IAWG 1997)

9 Quá trình Oxy

hóa

Quá trình nhiệt phân, hóa khí

Quá trình sấy khô

nung

Trong thực tế, nước và các chất bay hơi chứa trong chất thải rắn đô thị được tách ra khỏipha ban đầu trong quá trình sấy khô khi nhiệt độ đạt đến mốc 200oC, không cung cấpthêm oxy cho quá trình này Pha tiếp theo, tương ứng với quá trình nhiệt phân và hóa khícác vật liệu hữu cơ, những hợp chất hữu cơ này được chuyển thành pha khí Sau đó, trongquá trình oxy hóa, các chất đốt ở dạng khí đó sẽ được phản ứng với oxy sinh ra nhiệt vàcác phân tử có kích thước nhỏ hơn Trong điều kiện oxy hóa đầy đủ các phản ứng hầunhư xảy ra hoàn toàn và các sản phẩm chính là hơi nước, nitơ, cacbon dioxide và oxy.Một chú ý quan trọng là các pha này gối lên nhau về không gian và thời gian Dù vậy,một số thông số kỹ thuật ngoài quá trình đốt (vd: phân bố không khí, thiết kế lò) cũng gâyảnh hưởng đến hiệu quả các giai đoạn để làm giảm lượng chất ô nhiễm trong khí thải.Luật của Châu Âu có quy định về lượng khí tối thiểu cho quá trình đốt ở nhiệt độ 850oC

và 2s là thời gian lưu tối thiểu

Thông thường, các máy móc lò đốt chất thải đô thị hoạt động 24h/ngày và gần như 365ngày/năm Những máy này có thể hoạt động tự động trên 98% công việc và vì vậy phảigiảm bớt lượng nhân công cho các thiết bị và các phương án duy trì quá trình vận hành.Hình 7 đã tóm tắt một số thông số đầu vào và đầu ra chính của quá trình đốt chất thải rắn

đô thị, qua đó thể hiện rằng 1 tấn chất thải tạo ra gần 300 Kg tro xỉ, 30 Kg APC thừa, vàphần khí thoát ra ống khói Tốc độ dòng khí ra có thể được kiểm soát, nó được điều chỉnhphụ thuộc vào tính chất của khí thoát ra Tuy nhiên, thông thường thì cần đảm bảo cungcấp khoảng 4000 - 4500 m3 không khí/T để đảm bảo cho quá trình oxy không khí(IAWG, 1997) Thể tích của khí thoát ra trong quá trình đốt chất thải đô thị phụ thuộc vàocông nghệ Trong những trường hợp đặc biệt sự tồn tại của các khí thải là một vòng khépkín Tuy nhiên, trong một số tài liệu có đưa ra rằng các giá trị này vào khoảng 4500 –

6000 Nm3/T chất thải (Achternboschand Richers, 2002; BREF, 2006) Dù vậy, có mộtkhoảng biến thiên lớn có thẩy thấy được Thông thường 1 tấn chất thải rắn đô thị tạo ra400-700 kWh điện, thêm vào đó là 1205 kWh nhiệt (BREF, 2006) Thông thường, chấtlỏng thải ra từ nguyên nhân: các thiết bị kiểm soát ô nhiểm chính nếu sử dụng hệ thốngướt, quá trình thu gom và bảo quản tro xỉ, chu trình nước và hơi nước, khu vực vệ sinh,nước mưa và nước của hệ thống làm mát Tuy nhiên, chu trình tuần hoàn được sử dụng

để làm giảm tối đa lượng nước thải Các chất hóa học sử dụng trong lò đốt có thể làammonium hydroxide (NH4OH) hoặc khí ammonia (NH3) để làm giàm lượng NOxtrong lò đốt, các chất trung hòa (v.d Ca(OH)2) hoặc các vật liệu hấp phụ (v.d than hoạttính) Tỉ lệ sử dụng thường trên 1 tấn chất thải là: 0,8 Kg NH4OH, 8 kg Ca(OH)2 và 0.5

kg than hoạt tính

Hình 7: Các yếu tố đầu vào và đầu ra của lò đốt chất thải đô thị

3.1 Hệ thống làm sạch không khí ô nhiễm của lò đốt

Hỗn hợp khí thoát ra từ quá trình đốt có 3 thành phần cần phải loại bỏ đến một phạm vitrước khi thoát ra ống khói:

- Tro bay được tạo ra từ sự vận chuyển của dòng khí

- Acid và tiền chất acid như là sulphur dioxide, nitrogen oxides, hydrochloric acid;

- Dioxins và những hợp chất tương tự, đây là những hợp chất tạo thành bởi nhữnggốc tái kết hợp với cấu trúc như là polychloro dibenzodioxins và đặc biệt là furan Hỗn hợp khí nóng rời khỏi lò, trao đổi nhiệt ở bề mặt của ống trao đổi nhiệt thẳng đứng,bên trong đó hơi nước áp suất cao hoặc trung bình được tạo ra trước khi vào hệ thống làmsạch, một phần của khí này được chuyển qua một bộ khuếch đại để được bơm vào cáckhoang trống dưới dòng chuyển động trong lò đốt.Việc tái sử dụng các khí này là điềucần thiết trong toàn bộ lượng năng lượng tái sử dụng và cũng rất quan trọng để thúc đẩyviệc điều khiển dễ dàng hơn trong quá trình cân bằng hóa học của oxy trong lò Hỗn hợpkhí thải còn lại phải được làm sạch bằng một số công trình đơn vị trong hệ thống làmsạch khí

11

3.3 Các công trình đơn vị cho quá trình làm sạch khí:

Có nhiều các loại công trình đơn vị áp dụng cho quá trình tách sơ cấp có thể sơ cấp có thể

sử dụng cho quá trình làm sạch khí cúa các khí thoát ra trong quá trình hoạt động của hệthống lò đốt chất thải Trong bảng 4, đối với mỗi loại khí thải ô nhiễm, một tổ hợp cáccông trình xử lý đơn vị được đưa ra với mức làm giảm tương ứng Những phương pháplàm sạch khí liên tục cho phép làm giảm đáng kể lượng chất ô nhiễm tạo ra bởi lò đốtchất thải BREF (Bảng 5)

3.4 Phân tách tro bay và than hoạt tính

Tro bay được tạo ra từ các nhà máy năng lượng trong thành phần của nhiên liệu là hợp lýliên tục, thường được thu gom và sử dụng làm vật liệu thô để sản xuất xi măng Portland.Tro bay sinh ra từ các lò đốt chất thải thường bị ô nhiễm kim loại nặng và các chất nguyhiểm khác và cần phải được xử lý như bã nguy hại, yêu cầu phải trơ hóa trước khi loại bỏbằng cách chôn lấp

Than hoạt tính, dạng bột, thường được sử dụng để hấp phụ các chất ô nhiễm hữu cơ nhưdioxin và furan, sẽ được trình bày chi tiết ở phần sau, bột này được thu gom cùng với trobay (hệ thống nhỏ) trong một bước làm sạch riêng Thiết bị chính sử dụng để loại bỏphần tử rắn của tro bay và than hoạt tính là: cyclone, bộ lọc tĩnh điện, ống lọc vải (bảng

6) Cấu tạo chi tiết cũng như chế độ vận hành được mô tả bao quát (Niessen, 2002) và do

đó nó được xem là thích hợp để phân tách tro bay

Bảng 5: Mức độ phát thải có thể đạt tới đối với nhà máy đốt chất thải

không liêntục

Giá trị trungbình trongnửa giờ

Giá trịtrung bìnhhằng ngày

Ghi chú

được với vải lọc hoặctúi vải

cho phí

vào cao, NH3 thoát rađược đưa vào tính toán,

ưu tiên phương pháp kếthợp với quá trình ướt

được yêu cầu

trình hấp phụ dựa vàoCarbon

kiểm soát nhiệt độ đểlàm giảm sự hình thành,quá trình hấp phụ dựavào Carbon

3.4.1 Cyclone

Cyclone cho hiệu quả khá trong việc loại bỏ phần tử rắn với đường kính trung bình 100

µm từ dòng khí Thiết kế của cyclone cần phải được cân nhắc (Morcos, 1989; Lee vàHuffman, 1996; Amutha Rani và cộng sự, 2008) và do có kết cấu cốt thép hoặc thépkhông gỉ nên có thể sử dụng trong một khoảng nhiệt độ xử lý khá rộng Trong khí sạch từdòng khí đi ra từ cyclones của lò đốt thì thường được sử dụng như phân tách chính theosau bởi các đơn vị phân tách khác được thiết kế để lưu lại các bụi có kích thước nhỏ hơnhiện diện trong tro bay

13

3.4.2 Lọc bụi tĩnh điện (Electrostatic Precipitators_ESP)

Cách đây gần 1 thế kỉ, Dr Frederick Cottrell đã đưa ra khái niệm về phân tách bụi bằngcách áp dụng trường tĩnh điện Hiệu quả của ESP phụ thuộc chính vào việc thiết kế cácbản mỏng và vùng thu gom phải được thiết kế cẩn thận để đảm bảo phù hợp với bề dàycủa lớp biên phân tầng, nhằm ngăn chặn sự cuốn bụi vào dòng khí, hỗn hợp hình thànhvới bụi được thu hồi Vận tốc bên trong vùng lắng luôn nhỏ hơn 1 m/s, thường là dưới 0.5m/s Lọc bụi tĩnh điện hay các thiết bị khác trong nhà máy đốt cần được điều chỉnh ở chế

độ ổn định với hệ thống điều khiển được chuẩn bị để điều chỉnh trong điều kiện không ổnđịnh cao nhất Kiểm soát động thường được yêu cầu và kiểm soát tốt hiệu quả là vô cùngquan trọng

Bảng 6: Phân tách tro bay và than hoạt tính (AC)

cho tro bay Hiệu quảcho than

hoạt tính

Điều kiện ápsuất điểnhình

99% Lên đến99% 500-2000 Pathướng với

Giống như chất hấp phụ rắn, vôi khô (Ca(OH)2) cũng được dùng phổ biến nhưng sodiumbicarbonate cũng có thể là một phương án Một so sánh giữa các quá trình phân táchacids về đinh lượng được đưa ra và trình bày trong bảng 7 Ngày nay, mỗi phương phápđều có những biến đổi và cải tiến nhưng không được đề cập trong bài báo này

Bảng 7: Ví dụ đánh giá tiêu chí thích hợp IPPC để có thể đưa ra các phép tính khi lựachọn giữa phương án xử lý khí ống khói bằng ướt/bán ướt/khô

(SW) chuyền khôFGT dây bicarbonate khôFGT sodium

(DL) (DS)Hiệu quả phát sinh

với sự biến thiên

đầu vào của chất ô

Ghi chú:

+: kĩ thuật sử dụng nhìn chung thuận lợi trong tiêu chí đang xem xét

0: kĩ thuật sử dụng thuận lợi không đáng kể hoặc bất lợi trong tiêu chí đang xem xét

-: kĩ thuật sử dụng bất lợi trong tiêu chí đang xem xét

3.6 Làm giảm nitrogen oxide

Nitrogen oxide có trong khí ở ống khói thường được làm giảm bằng 2 quá trình phảnứng: SNCR (làm giảm bằng sự chọn lọc không có xúc tác) và SCR (làm giảm bằng sựchọn lọc có xúc tác) Các quá trình hóa học khác đề cập đến việc làm giảm sự hình thành

NOx trong quá trình đốt đang được nghiên cứu rộng rãi ở PTN và ở nhà máy thí điểm, và

có thể dựa vào các gốc nguội để tối thiểu sự oxy hóa N2 bằng các gốc phản ứng Tuynhiên, nếu không phải tất cả các quá trình có tác động tiêu cực lên hiệu quả đốt và do đóchúng làm tăng hàm lượng VOC cụ thể là PAH trong khí ống khói

Quá trình SNCR sử dụng NH3 là thuốc thử hoặc ure (CO(NH2)2) như chất khử, đượcphun trực tiếp vào lò Ở nhiệt độ cao, ure phân hủy hình thành amonia, phương trình (4),các phản ứng khử chính xảy ra từ 8500C-15000C, phương trình (5), (6):

CO(NH2)2 + H2O  2NH3 + CO2 (4)

15

4NO + 4NH3 + O2  4N2 + 6H2O (5)6NO2 + 8NH3  7N2 + 12H2O (6)Quá trình SCR sử dụng chất xúc tác rắn trên tầng cố định và xử lý ở 200-4000oC có sựhiện diện của amonia Khoảng nhiệt độ xử lý này thực tế chất xúc tác bị bất hoạt khi cómặt của môi trường acid mạnh, buồng SCR được lắp đặt sau vật liệu dạng hạt, cũng nhưcác phần tử acid đã được gỡ bỏ khỏi dòng khí ống khói Các phản ứng chung xảy ra trên

bề mặt chất xúc tác được trình bày bằng phương trình (7)-(9) Bảng so sánh các đặc điểmchính của quá trình SNCR và SCR được trình bày trong bảng 8

4NO + 4NH3 + O2  4N2 + 6H2O (7)6NO + 4NH3  5N2 + 6H2O (8)2NO2 + 8NH3 + O2  3N2 + 6H2O (9)

37 Carbon monoxide và hợp chất hữu cơ bay hơi.

Sự gia tăng thành phần carbon monoxide (CO) và hợp chất hữu cơ dễ bay hơi của khítrong ống khói dễ nhận biết trong điều kiện cháy không thích hợp bên trong lò Một vàiđiều chỉnh bởi hệ thống kiểm soát có thể được chấp nhận, nhưng thường là:

i Tăng lượng khí thô vào lò

ii Giảm lượng khí ống khói tuần hoàn lại lò

iii Tăng nhẹ áp suất dưới ghi lò

Cả i và ii đều làm tăng hệ số không khí trong lò, cho phép oxy hóa hoàn toàn chất thải vàbay hơi tương ứng, cũng như các sản phẩm phân hủy nhiệt Đối với chất thải có hàmlượng halogen hay phosphorus cao (như sự hiện diện của các chất làm chậm cháy hayPVC), i và đặc biệt là ii thì rất hiệu quả, nhưng việc tăng hệ số oxy hơn 10% sẽ làm giảmhiệu quả thu hồi năng lượng chung do sự tiêu thụ năng lượng để làm nóng N2 đầu vào làkhông thể tránh khỏi iii thì đặc biệt có hiệu quả với chất thải có độ ẩm cao làm nâng hiệuquả của chất thải từ ghi lò di động Điều quan trọng là iii chỉ có thể được thông qua vì thếgọi là ghi lò giảm áp suất cao mà các lỗ đục trên ghi lò và các khe hở thì khá nhỏ (nhưghi lò loại VON ROLL)

Phần tách carbon monoxide và hợp chất hữu cơ dễ bay hơi hiện diện trong khí ống khói

là công việc không dễ Một trong những quá trình đặc trưng được đề cập là oxy hóa xúctác trên bộ biến đổi dị thể Trong điều kiện chung, oxy thêm vào được phun trực tiếp vào