CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA TRONG XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN

Khí hóa là một quá trình nhiệt hóa để tạo ra một sản phẩm dạng khí, làm giàu nguồn nhiên liệu (Alexander Klein, 2011). Khí hóa là việc chuyển đổi nhiệt của bất kỳ vật liệu nào chứa carbon với một lượng nhỏ không khí hoặc oxy trong buồng nhiệt, thành một hỗn hợp của các chất khí dễ cháy (hydro, CO, CO2 và một số hợp chất vi lượng) được gọi là khí tổng hợp. Khí tổng hợp có thể đạt giá trị nhiệt từ 200500 BTUCF và có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho sản xuất năng lượng hoặc tiếp tục xử lý để sản xuất nhiều loại nhiên liệu và hóa chất khác (GBB, 2013).

CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA TRONG

XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN

I Đặt vấn đề

Chất thải rắn nếu không được quản lý tốt sẽ làm mất vệ sinh môi trường đô thị, gây ô nhiễm và chứa đựng nguy cơ tiềm ẩn gây nguy hại đối với sức khỏe con người cũng như các hệ sinh thái Kinh nghiệm của các nước trên thế giới đã chứng tỏ quy trình công nghệ quản lý chất thải rắn phải bắt đầu được phân loại từ nguồn Trên cơ sở

đó áp dụng các biện pháp xử lý khác nhau nhằm đảm bảo tận dụng được các loại rác

có thể tái chế, tái sử dụng, đồng thời xử lý triệt để các chất thải nguy hại

Rất nhiều nước đang tìm kiếm công nghệ mới trong xử lý rác thải do thiếu các khu chôn lấp như tăng cường các quy chế của quốc gia, đạt được mục tiêu giảm thiểu khí thải gây hiện tượng nóng lên toàn cầu, tăng cường nghĩa vụ của người phát thải

Xử lý rác thải bao hàm động cơ mang tính môi trường, kinh tế, chính trị và xã hội Xử

lý rác thải hiện nay đang sử dụng làm giảm đáng kể những hạn chế của thiếu khu chôn lấp và giảm chi phí xử lý rác thải như các chất có hại và tro phát sinh trong quá trình

xử lý

Ứng dụng công nghệ khí hóa để xử lý chất thải rắn đang ngày càng được áp dụng rộng rãi trên thế giới Tuy nhiên, ở nước ta công nghệ khí hóa vẫn còn khá mới mẻ Vì vậy, đề tài đã tập trung nghiên cứu công nghệ khí hóa để xử lý chất thải rắn hiện nay Nếu công nghệ này được ứng dụng rộng rãi ở Việt Nam sẽ cải thiện đáng kể chất lượng môi trường sống cũng như sức khỏe của người dân

II Tổng quan

2.1 Giới thiệu phương pháp nhiệt

2.1.1 Khái niệm và phân loại 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

Phân loại hệ thống xử lý CTR bằng phương pháp 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 không khí cần thiết vừa đủ để đốt cháy hoàn toàn CTR gọi là quá 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 trong điều kiện hoàn toàn không

có oxy gọi là quá trình nhiệt phân

Như vậy, xử lý CTR và CTR nguy hại (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

2.1.2 So sánh các phương pháp nhiệt

Quá trình khí hóa đại diện có những tiến bộ đáng kể so với đốt Để hiểu được lợi thế của khí hóa khi so sánh với thiêu đốt, điều quan trọng là phải hiểu sự khác nhau giữa hai quá trình:

- Thiêu hủy theo nghĩa đen có nghĩa là sản phẩm cuối cùng là tro Thiêu hủy sử dụng MSW như một nhiên liệu, đốt nó với khối lượng lớn không khí tạo thành carbon dioxide và nhiệt Trong một nhà máy sử dụng thiêu đốt chất thải thành năng lượng, các khí nóng được sử dụng để làm cho hơi nước, sau đó được sử dụng để tạo ra điện

- Khí hóa chuyển đổi MSW thành khí tổng hợp có thể sử dụng, hoặc khí tổng hợp Quá trình sản xuất khí tổng hợp này đã làm cho khí hóa khác biệt so với việc tiêu huỷ Trong quá trình khí hóa, MSW không phải là một loại nhiên liệu, nhưng là nguyên liệu cho quá trình chuyển đổi hóa học ở nhiệt độ cao Thay vì chỉ sản xuất nhiệt và điện trong nhà máy thiêu đốt chất thải thành năng lượng

sử dụng, khí tổng hợp trong quá trình khí hóa có thể được biến thành các sản phẩm thương mại giá trị cao hơn như nhiên liệu vận tải, hóa chất, phân bón, và thay thế khí đốt tự nhiên Thiêu hủy không thể đạt được điều này

Một trong những mối quan tâm đối với đốt MSW là sự hình thành và cải thiện dioxin và furan( C4H4O) độc hại, đặc biệt có chứa trong nhựa PVC Những độc tố này kết thúc trong dòng thải bằng ba con đường:

- Bằng cách phân hủy các bộ phận nhỏ hơn của các phân tử lớn hơn

- Bằng cách "tái tạo" khi các phân tử nhỏ kết hợp với nhau;

- Đi qua các lò đốt mà không có sự thay đổi

Thiêu hủy không cho phép kiểm soát các quá trình này Một trong những lợi thế quan trọng của quá trình khí hóa là khí tổng hợp có thể được làm sạch các chất ô nhiễm trước khi sử dụng Các khí đốt tổng hợp có thể được sử dụng trong các động cơ pít-tông hoặc tua bin để phát điện hoặc tiếp tục chế biến để sản xuất hydro, khí tự nhiên thay thế, hóa chất, phân bón hoặc nhiên liệu giao thông, như ethanol

Tro sản xuất từ khí hoá là khác nhau đối với các lò đốt khác nhau Tro lò đốt có thể được sử dụng thay vì thải bỏ ở các bãi chôn lấp Trong quá trình nhiệt cao khí hóa, tro chảy ra dưới dạng nóng chảy, sau đó được dập tắt làm mát, tạo thành thủy tinh, xỉ không thấm nước, có thể được sử dụng để sản xuất xi măng, tấm lợp mái nhà, như một chất độn nhựa Một số thiết bị khí hóa được thiết kế để phục hồi các kim loại nóng

chảy trong một dòng riêng biệt Tận dụng công nghệ khí hóa để tăng cường tái chế các sản phẩm

2.2 Phương pháp khí hóa chất thải rắn

xử lý để sản xuất nhiều loại nhiên liệu và hóa chất khác (GBB, 2013)

2.2.2 Nguyên lý cơ bản của quá trình khí hóa

Đầu tiên, các nguyên liệu được đồng nhất thành các hạt nhỏ hơn sau đó được đưa vào bộ khí hóa

Bất kỳ bộ khí hóa nào, đều được thiết kế gồm 2 giai đoạn để sản xuất ra một loại khí nhiên liệu có thể sử dụng được:

- Trong giai đoạn đầu tiên, nhiệt phân giải phóng các thành phần dễ bay hơi của nhiên liệu ở nhiệt độ 200 - 760°C (400-1,400°F) Các sản phẩm phụ của quá trình nhiệt phân mà không bay hơi được bao gồm chủ yếu là carbon cố định và tro

- Trong giai đoạn thứ hai, carbon còn lại sau khi nhiệt phân tham gia vào một trong hai phản ứng với hơi nước, hydro hoặc đốt với không khí hoặc oxy tinh khiết Giai đoạn này thực hiện ở 480 - 1650°C (900 - 3000°F) Cặn rắn được lấy ra từ đáy của buồng phản ứng

Các phản ứng cơ bản của quá trình khí hóa:

1) C + O2→ CO2 -393 kJ/mol (tỏa nhiệt)

2) C + H2O → CO + H2 +131 kJ /mol (thu nhiệt)

3) C + CO2→ 2CO +172 kJ/mol (thu nhiệt)

4) C + 2H2→ CH4 -74 kJ/mol (tỏa nhiệt)

5) CO + H2O→ CO2 + H2 -41 kJ/mol (tỏa nhiệt)

6) CO + 3H2→ CH4 + H2O -205 kJ/mol (tỏa nhiệt)

(Krigmont, 1999)

Tất cả các phản ứng này có thể xảy ra theo chiều nghịch và tỉ lệ phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và nồng độ oxy trong các lò phản ứng

2.2.3 Sản phẩm của quá trình khí hóa

Sản phẩm của quá trình khí hóa với không khí là một hỗn hợp khí nhiên liệu có nhiệt trị thấp và giàu khí Nitơ

Sản phẩm của quá trình khí hóa với oxy tinh khiết tạo ra một hỗn hợp khí chất lượng cao hơn bao gồm CO và H2 và hầu như không có Nitơ

Khí hóa bằng hơi nước thường được gọi là "phương pháp đổi mới" và sản phẩm tạo ra là khí tổng hợp giàu H2 và CO2 Thông thường, phản ứng tỏa nhiệt giữa carbon

và oxy cung cấp năng lượng nhiệt cần thiết để vận hành quá trình nhiệt phân và phản ứng khí hóa các sản phẩm phụ không bay hơi (Eren, 2002)

2.2.4 Sơ đồ công nghệ

Hình Sơ đồ công nghệ quá trình khí hóa chất thải rắn (Nguồn: Gasification Technologies Council, 2011)

Nguyên liệu đầu vào:

Khí hóa được sử dụng trên toàn thế giới để chuyển đổi các nguồn nguyên liệu khác nhau cho ra các sản phẩm điện, nhiên liệu và hóa chất Các nguyên liệu khác nhau bởi nhiều đặc tính, chẳng hạn như lượng năng lượng, kích thước, hình dạng, thành phần hóa học, khối lượng riêng, thành phần tro, và độ ẩm

Chất thải rắn là một nguyên liệu không tốn phí, phong phú và cơ bản nó là nguyên liệu tái tạo Thành phần của các chất thải có thể thay đổi tùy theo cộng đồng dân cư, nhưng sự khác biệt tổng thể là không đáng kể

Một số nguyên liệu được sử dụng phổ biến:

 Gỗ viên, mạc cưa  Phế phẩm nông nghiệp

 Chất thải công nghiệp  Cây trồng phế thải

 Chất thải rắn đô thị  Rác nghiền

 Refuse-Derived Fuel (RDF)  Bùn thải

 Auto-Shredder Residue (ASR)  Dung dịch đen

 Than

Không khí/oxy: Hầu hết các nhà máy khí hóa chất thải rắn đều sử dụng không

khí Quá trình khí hóa sử dụng oxy tinh khiết cần phải có một đơn vị tách chiết khí oxy dưới dạng khí hoặc lỏng, điều này không mang lại lợi ích kinh tế đối với các nhà máy khí hóa quy mô nhỏ Các máy thổi không khí được sử dụng để cung cấp oxy cho các phản ứng khí hóa

Bộ khí hóa: Trước khi vào bộ khí hóa, chất thải rắn thường được cắt nhỏ hoặc

nghiền thành hạt nhỏ Sau đó, một số lượng kiểm soát không khí hoặc oxy (và hơi nước đối với một số thiết bị khí hóa khác) được tiêm vào bộ khí hóa Nhiệt độ trong

bộ khí hóa chất thải rắn thường dao động từ 1100 đến 1800°F Tro và xỉ được vận chuyển đến khu vực khác để xử lý

Bộ làm sạch khí: Một số sản phẩm đầu ra của quá trình yêu cầu khí tổng hợp

phải được làm sạch dấu vết của các tạp chất Khoáng vi lượng, bụi, lưu huỳnh, thủy ngân và carbon không chuyển hóa có thể được loại bỏ để sử dụng cho các ngành công nghiệp hóa chất và tinh chế Hơn 95% thủy ngân có thể được lấy ra từ khí tổng hợp bằng cách sử dụng các giá thể chứa than hoạt tính thương mại

Khí tổng hợp sạch: Các khí tổng hợp sạch sau đó có thể được đưa đến nồi hơi,

động cơ đốt trong hoặc tua bin khí để sản xuất điện hoặc tiếp tục chuyển đổi thành hóa

chất, phân bón và nhiên liệu vận tải

2.2.5 Phân loại

Hệ thống khí hóa truyền thống được biến đổi thành các biến thể khác, để phù hợp

cho các loại nguyên liệu hoặc sản phẩm ứng dụng cụ thể Thiết kế cơ bản của từng

loại hệ thống được xây dựng dựa vào các buồng phản ứng với các nguyên liệu đầu

vào, nhưng mỗi loại có cơ chế nhiệt, sự thông khí và vị trí thu khí tổng hợp khác nhau

Hình Một số loại khí hóa (Nguồn: GBB Diagram, 2012)

Khí hóa plasma là một dạng khác của công nghệ khí hóa, nó vẫn dựa trên mô

hình cấu trúc, sự sắp xếp của đường dẫn khí vào và vị trí thu khí tổng hợp của công

nghệ khí hóa nhưng thay đổi loại nguồn nhiệt sử dụng

Bốn loại khác nhau của bộ khí hóa được mô tả chi tiết hơn như sau:

1 Updraft (Dòng lưu thông của tác nhân khí hóa và nguyên liệu ngược nhau

Một bộ khí hóa Updraft bao gồm các vùng làm khô, nhiệt phân, khí hóa, đốt cháy

một phần nguyên liệu đầu vào và được xếp chồng lên nhau thành vùng xác định rõ

ràng

Trong kiểu hệ thống này, không khí được đưa vào từ đáy buồng và di chuyển

ngược dòng với sự chuyển động của các chất thải qua các vùng chuyển đổi Các chất

khí được sản xuất di chuyển lên trên và được tách ra từ đỉnh của buồng Sự chuyển đi

lên này của không khí và khí đốt cải thiện hiệu quả dòng khí nóng đi lên giúp để kiểm

soát nhiệt độ, hỗ trợ trong việc làm khô nguyên liệu, và cải thiện sự phối trộn của các chất khí trong buồng Bất lợi của hệ thống updraft là sự hiện diện của hắc ín trong khí thô và việc nạp liệu không hiệu quả đối với một số nguyên liệu lớn hoặc không đồng nhất

Khí hóa tầng sôi là một loại khí hóa updraft Trong thiết bị khí hóa này, nguyên liệu được lơ lửng trong khí giàu oxy (kết quả tạo ra dòng lưu chuyển giống như chất lỏng của khí và nguyên liệu trong buồng) Hệ thống treo cải thiện tốc độ truyền nhiệt giữa khí và các nguyên liệu, cho phép tro rơi ra khỏi hệ thống treo thay vì được đưa lên cùng với khí tổng hợp Hệ thống tầng sôi có thể khí hóa nguyên liệu với tiềm năng tạo thành tro ăn mòn mà không làm hỏng buồng Ngoài ra, nó tạo ra năng suất nhiên liệu cao hơn so với các loại khí hóa khác

2 Downdraft (Dòng lưu thông của tác nhân khí hóa và nguyên liệu kết hợp)

Trong khí hóa Downdraft, không khí được đưa vào tại một phần giữa hoặc trên cùng của buồng cấp, khí tổng hợp được lấy ra từ phần dưới cùng của buồng Nhiệt được thêm vào từ phía trên cùng của buồng, và nhiệt độ khí tăng khi di chuyển xuống phía dưới Các khí rời khỏi buồng ở nhiệt độ rất cao Lượng nhiệt này có thể được khai thác để sử dụng làm nóng phần trên của buồng Trên đường ra của buồng khí phải đi qua tro giúp làm giảm số lượng hắc ín trong khí tổng hợp

Khí hóa dòng chảy lôi cuốn là một loại khí hóa Downdraft Trong thiết bị khí hóa này, nguyên liệu và không khí (hoặc oxy) được đưa vào ở mức độ cao trong buồng nên chất oxy hóa nguyên liệu được phối trộn khi chúng di chuyển xuống phía dưới Loại khí hóa này hoạt động ở nhiệt độ cao và có hiệu quả cho việc chuyển đổi than đá hoặc vật liệu dễ nghiền khác và khí tổng hợp có hắc ín rất thấp, vì các phản ứng xảy ra dọc theo toàn bộ chiều dài của buồng

3 Crossdraft

Trong khí hóa Crossdraft, cửa dẫn khí vào và thu khí ở trên các cạnh đối diện ở giữa buồng Đây là loại khí hóa ít phổ biến cũng như chúng sản xuất khí tổng hợp nhiệt độ cao với tốc độ cao mà không có hiệu quả làm giảm CO2 như các loại khí hóa khác Các loại nguyên liệu cho các hệ thống này được giới hạn bởi việc thiết kế hệ thống cho nhiên liệu tro thấp, chẳng hạn như gỗ, than cốc dầu khí, và than củi

Khí hóa Crossdraft có nhiều ưu điểm như khí tổng hợp có hàm lượng CO cao, hydro và methane thấp khi sử dụng các loại nhiên liệu khô, và thời gian khởi động nhanh

4 Plasma

Khí hóa Plasma được sử dụng trong các ngành công nghiệp đòi hỏi phải xử lý chất thải nguy hại ở nhiệt độ cao Nhiệt độ cao (lên tới 10.000 độ F) được tạo ra bởi các ngọn đuốc plasma trong khí hóa

Hai cấu hình khí hóa plasma khác nhau dựa trên việc áp dụng ngọn đuốc plasma trong một phần của quá trình khí hóa Loại thứ nhất là khí hóa plasma hỗ trợ và thứ hai là plasma kết hợp với khí hóa nhiệt truyền thống

Loại thứ nhất có các ngọn đuốc plasma trong buồng khí hóa nơi nhiệt sinh ra phá

vỡ liên kết hóa học trong nguyên liệu và tạo khí Các nguyên liệu vô cơ phế phẩm được thu gom tại đáy buồng khí hóa, chẳng hạn như một vật liệu trơ giống như thủy tinh thích hợp cho xây dựng hoặc các ứng dụng tổng hợp khác Hầu hết các thiết bị khí hóa ngọn đuốc plasma được bố trí tương tự như một hệ thống updraft, nơi mà nguyên liệu được đưa vào gần đầu của buồng, không khí hay oxi đưa vào giữa hoặc cuối buồng, và khí tổng hợp được lấy ra từ đỉnh của buồng Các nguyên liệu di chuyển xuống dưới và vào những vùng nóng có cường độ cao tạo ra bởi những ngọn đuốc plasma Loại hệ thống này giúp ngăn ngừa sự hình thành hắc ín, khí tổng hợp vẫn còn

ở nhiệt độ rất cao (lên tới 1000°C) khi nó ra khỏi buồng

Hình Khí hóa plasma (Nguồn: GBB Diagram, 2012)

Việc lựa chọn một loại khí hóa tối ưu cho một ứng dụng cụ thể phụ thuộc vào các biến số như kích thước, độ ẩm, và giá trị năng lượng của nguyên liệu, loại và chất lượng các sản phẩm mong muốn

So sánh để chọn lựa các loại khí hóa:

Loại khí

hóa

Hắc ín trong khí tổng hợp

Hiệu quả làm mát khí (%)

Yêu cầu năng lượng hoạt động

Khả năng

xử lý nhiều loại chất thải với thành phần khác nhau

Kích thước mẫu cho phép

Độ

ẩm (lớn nhất) (%)

Hàm lượng bụi

Downdraft Thấp > 80 Thấp Vừa phải < 4 in ~ 40 Trung

Khí hóa nhiên liệu mang tính linh động cao Một nhà máy khí hóa có thể thay đổi

sự phối trộn của các nguyên liệu rắn, hoặc thay đổi nguyên liệu đầu vào tùy vào giá và

sự sẵn có của nguyên liệu

Khí hóa có thể chuyển đổi chất thải rắn đô thị thành sản phẩm có giá trị giảm chi phí quản lý chất thải và cung cấp một nguồn thu nhập từ việc biến đổi các chất thải trở thành một nguyên liệu thương mại

Khả năng sản xuất một số sản phẩm có giá trị cao tại cùng một thời gian

Phụ phẩm khí hóa (lưu huỳnh và xỉ) có thể sử dụng để sản xuất Ví dụ, lưu huỳnh

có thể được sử dụng trong sản xuất phân bón và xỉ có thể được sử dụng trong xây dựng nền đường và vật liệu lợp

Khí hóa làm giảm chi phí nhập khẩu nhiên liệu khí đốt tự nhiên đắt tiền bằng cách sử dụng các nguồn lực trong nước để sản xuất các sản phẩm thay thế

Khí hóa tạo ra ít khí thải hơn các công nghệ khác giúp giảm chi phí vận hành của nhà máy

Khí hóa không cạnh tranh với tái chế và trong thực tế, nó tăng cường việc tái chế Kim loại và kính phải được tách biệt khỏi dòng thải trước khi được đưa vào các quá trình khí hóa và trở thành những nguyên liệu tái chế

Khí hóa có thể chuyển đổi chất thải này thành điện năng và các sản phẩm làm giảm hữu ích khác cần cho không gian bãi rác, giảm phát thải khí metan từ sự phân hủy của các chất hữu cơ trong các bãi rác, và giảm nguy cơ ô nhiễm nước ngầm cho các bãi chôn lấp

Nhược điểm

Tốn kém chi phí đầu tư và phức tạp trong công tác vận hành vì có nhiều giai đoạn Nguyên liệu đầu vào phức tạp cần phải xử lý trước khi đưa vào hệ thống khí hóa Khí tổng hợp phải được làm sạch trước khi sử dụng

Hiệu suất năng lượng tổng thể của quá trình này có thể được cải thiện nếu nhiệt thải có thể được sử dụng bởi các ngành công nghiệp khác hoặc các nhà máy ngoại vi nhưng điều này là khó khăn nếu nhà máy khí hóa bị cô lập

Phục hồi và sử dụng tro đáy, xỉ, hắc ín, … trong các ứng dụng khác có thể có vấn

đề