NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CACBON HOÁ CÁC CHẤT THẢI CHÁY ĐƯỢC TRONG RÁC THẢI ĐÔ THỊ THÀNH THAN NHIÊN LIỆU

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- TRẦN VĂN HUỆ NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CACBON HOÁ CÁC CHẤT THẢI CHÁY ĐƯỢC TRONG RÁC THẢI ĐÔ THỊ THÀNH THAN NHIÊN LIỆU LUẬN VĂN T

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

TRẦN VĂN HUỆ

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CACBON HOÁ CÁC CHẤT THẢI CHÁY ĐƯỢC TRONG RÁC THẢI

ĐÔ THỊ THÀNH THAN NHIÊN LIỆU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Trang 2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

TRẦN VĂN HUỆ

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CACBON HOÁ CÁC CHẤT THẢI CHÁY ĐƯỢC TRONG RÁC THẢI

ĐÔ THỊ THÀNH THAN NHIÊN LIỆU

Chuyên ngành: Khoa học môi trường

Mã số: 60 85 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRỊNH VĂN TUYÊN

Hà Nội - 2012

Trang 3

LờI CảM ƠN

Với lòng biết ơn chân thành nhất, Tôi xin gửi lời cảm ơn TS Trịnh Văn Tuyên, phó Viện trưởng Viện Công nghệ môi trường - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam Người đã giao và hướng dẫn giúp đỡ Tôi tận tình, để Tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình

Đồng thời, Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các cán bộ công nhân viên Phòng Công nghệ xử lý chất thải rắn và khí thải - Viện Công nghệ môi trường - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình tôi hoàn thành luận văn

Qua đây, Tôi xin cũng xin gửi lời chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Khoa học tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội, các thầy cô trong khoa Môi trường đã tạo điều kiện giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình tôi học tập tại, nghiên cứu tại trường

Cuối cùng, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn gia đình, bạn bè, người thân luôn tạo mọi điều kiện, động viên, giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình tôi học tập

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2012

Học viên

Trần Văn Huệ

Trang 4

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Đánh giá lượng chất thải phát sinh 3

1.1.1 Vài nét về tình hình phát triển đô thị tại Việt Nam 3

1.1.2 Các nguồn phát sinh chất thải rắn ở đô thị 4

1.1.3 Lượng phát sinh chất thải rắn đô thị 5

1.1.4 Ước tính lượng thải và thành phần chất thải rắn đô thị đến năm 2025 9

1.1.5 Thành phần chất thải rắn đô thị 10

1.2 Công nghệ cacbon hóa chất thải rắn 13

1.2.1 Những ứng dụng chủ yếu của phương pháp 15

1.2.2 Những ưu điểm chính của công nghệ xử lý nhiệt tiên tiến 15

1.2.3 Những yếu tố tác động đến nhu cầu của hệ thống xử lý nhiệt 16

1.2.4 Tình hình nghiên cứu về công nghệ cacbon hóa trên thế giới và Việt Nam 17

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 24

1.3 Phân tích, đánh giá lựa chọn công nghệ cacbon hoá 25

Chương 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28

2.1 Đối tượng nghiên cứu 28

2.2 Phương pháp nghiên cứu 28

2.2.1 Phương pháp tài liệu 28

2.2.2 Phương pháp thực nghiệm 29

2.3.3 Phương pháp phân tích, tính toán 30

2.3.4 Phương pháp xử lý số liệu 32

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34

3.1 Khảo sát sự biến động của nhiệt độ của buồng cacbon hoá 34

Trang 5

3.3 Kết quả của quá trình cacbon hoá 37

3.3.1 Kết quả của quá trình cacbon hoá tre gỗ 37

3.3.2 Kết quả của quá trình cacbon hoá nhựa 41

3.3.3 Kết quả của quá trình cacbon hoá giấy 45

3.3.4 Kết quả của quá trình cacbon hoá cao su 49

3.3.5 Kết quả của quá trình cacbon hoá vải 52

3.3.5 Kết quả của quá trình cacbon hoá hỗn hợp chất thải 56

3.5 Đánh giá nhiệt trị của sản phẩm thu được 60

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 62

Kết luận 62

Kiến nghị 63

Trang 6

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1.Các loại chất thải rắn đô thị của Hà Nội năm 2011 5

Bảng 1.2 Chất thải rắn đô thị phát sinh các năm 2007 - 2010 6

Bảng 1.3 Chỉ số phát sinh CTR sinh hoạt bình quân đầu người của các đô thị năm 2009 7

Bảng 1.4 Ước tính lượng CTR đô thị phát sinh đến năm 2025 9

Bảng 1.5 Chất thải rắn phát sinh tại một số tỉnh, thành phố năm 2010 11

Bảng 1.6 Thàn phần CTR sinh hoạt tại đầu vào của các bãi chôn lập của một số địa phương Hà Nội, Hải Phòng, Huế, Đà Nẵng, Tp.HCM (1) và Bắc Ninh (2) năm 2009 - 2010 12

Bảng 1.7 Thành phần chất thải ở khu dân cư điển hình Cầu Giấy - Hà Nội 13

Bảng 1.8 Hiệu suất thu hồi các sản phẩm cacbon từ chất thải rắn nông nghiệp 22

Bảng 3.1 Sự thay đổi nhiệt độ trong buồng cacbon hoá 34

Bảng 3.2 Kết quả xác định độ ẩm của vật liệu thí nghiệm ở nhiệt độ 1000C 36

Bảng 3.3 Hiệu suất thu hồi cacbon hoá tre gỗ tại T = 3000C 37

Bảng 3.6 Kết quả cacbon hoá nhựa tại T = 3000C 41

Bảng 3.7 Hiệu suất thu hồi cacbon hoá nhựa tại T = 4000C 42

Bảng 3.8 Hiệu suất thu hồi cacbon hoá nhựa tại T = 5000C 43

Bảng 3.9 Hiệu suất thu hồi cacbon hoá giấy tại T = 3000C 45

Bảng 3.12 Hiệu suất thu hồi cacbon hoá cao su tại T = 3000C 49

Bảng 3.15 Hiệu suất thu hồi cacbon hoá vải tại T = 3000C 53

Hình 3.18 Bảng thành phần hỗn hợp chất thải thí nghiệm 56

Bảng 3.19 Hiệu suất thu hồi cacbon hoá hỗn hợp tại T = 3000C 57

Bảng 3.22 Kết quả phân tích nhiệt trị một số sản phẩm cacbon hoá 61

Bảng 3.22 Bảng nhiệt trị của một số loại nhiên liệu thông thường 61

Trang 7

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Tỷ lệ phát sinh CTR sinh hoạt tại các đô thị Việt Nam năm 2007 6

Hình 1.2 Hiện trạng chất thải rắn theo các vùng kinh tế của nước ta năm 2003, 2008 và dự báo cho năm 2015 7

Hình 1.3 Lượng phát sinh CTR đô thị của một số tỉnh, thành phố qua các năm 2005 - 2010 9

Hình 1.4 Sơ đồ cacbon hóa rác thải sinh hoạt đô thị, nông nghiệp 27

Hình 2.1 Sơ đồ thực nghiệm quá trình cacbon hoá .29

Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo của thiết bị thí nghiệm .30

Hình 3.1 Biểu đồ biểu diễn nhiệt độ của lò cacbon hoá 35

Hình 3.2 Biểu đồ biểu diễn nhiệt độ của lò cacbon hoá 36

Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn quá trình cacbon hoá của tre gỗ tại T = 3000C thay đổi theo thời gian 38

Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn quá trình cacbon hoá của nhựa tại T = 3000C thay đổi theo thời gian 42

Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn quá trình cacbon hoá của giấy tại T = 3000C thay đổi theo thời gian 45

Hình 3.12 Đồ thị biểu diễn quá trình cacbon hoá của cao su tại T = 3000C thay đổi theo thời gian .49

Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn quá trình cacbon hoá của cao su tại T = 4000C thay đổi theo thời gian 50

Hình 3.14 Đồ thị biểu diễn quá trình cacbon hoá của cao su tại T = 5000C thay đổi theo thời gian .51

Trang 8

Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn quá trình cacbon hoá của vải tại T = 3000C thay đổi theo thời gian 53 Hình 3.16 Đồ thị biểu diễn quá trình cacbon hoá của vải tại T = 4000C thay đổi theo thời gian 54 Hình 3.17 Đồ thị biểu diễn quá trình cacbon hoá của vải tại T = 5000C thay đổi theo thời gian 55 Hình 3.18 Đồ thị biểu diễn quá trình cacbon hoá của hỗn hợp tại T = 3000C thay đổi theo thời gian 57 Hình 3.19 Đồ thị biểu diễn quá trình cacbon hoá của hỗn hợp tại T = 4000C thay đổi theo thời gian 58 Hình 3.20 Đồ thị biểu diễn quá trình cacbon hoá của hỗn hợp tại T = 5000C thay đổi theo thời gian .59

Trang 9

DANH MỤC VIẾT TẮT

Trang 10

MỞ ĐẦU Môi trường là vấn đề toàn cầu, được quan tâm bởi tất cả các quốc gia, các

tổ chức và các cá nhân Bởi môi trường liên quan trực tiếp đến đời sống, sức khỏe của mỗi chúng ta Một trong những vấn đề môi trường được quan tâm nhiều hiện nay, đặc biệt là ở các đô thị đó là vấn đề rác thải

Chất thải sinh hoạt, thức ăn dư thừa, các loại rác thải đường phố, nếu không được thu gom xử lý đúng quy định Các loại chất thải này sẽ gây ô nhiễm, nhiễm khuẩn đối với môi trường xung quanh, gây ảnh hưởng đến môi trường sống, nguồn nước mặt, nguồn nước ngầm, mất diện tích…

Khối lượng chất thải rắn trong đô thị ngày càng tăng do tác động của sự gia tăng dân số, phát triển kinh tế xã hội và sự phát triển về trình độ và tính chất tiêu dùng trong các đô thị Lượng chất thải rắn nếu không được xử lý tốt sẽ dẫn đến hàng loạt vấn đề tiêu cực đối với môi trường

Có rất nhiều phương pháp xử lý rác thải đô thị đã được đề xuất và áp dụng trong đó có phương pháp thiêu đốt Phương pháp thiêu đốt xử lý được nhiều loại chất thải (đặc biệt là các chất thải rắn khó phân huỷ như plastic,da…), tiết kiệm được diện tích cho các bãi chôn lấp Tuy nhiên phương pháp thiêu đốt trước đây gây tác động xấu đến môi trường không khí, hoặc chi phí cho việc xử lý khí thiêu đốt rất tốn kém Mặt khác, hiện nay nguồn nguyên liệu hoá thạch đang dần

bị cạn kiệt, đòi hỏi chúng ta phải tìm ra những nguồn nguyên liệu mới Một phương pháp xử lý chất thải rắn mới, được đề xuất đó là phân loại và đốt các chất thải rắn cháy được trong điều kiện thiếu ôxy hoặc không có ôxy hoàn toàn Phương pháp này tiết kiệm được nhiên liệu dùng cho quá trình đốt, không tạo ra khí thải độc hại gây ô nhiễm môi trường, đồng thời tạo ra một nguồn nguyên

liệu mới đó là than sạch, phục vụ cho lĩnh vực khác trong cuộc sống như:

nghiên cứu khoa học, hay xử lý các loại nước thải, nhiên liệu…

Xuất phát từ những lý do trên, tác giả đã chọn đề tài: “Nghiên cứu công

nghệ cacbon hoá các chất thải cháy được trong rác thải đô thị thành than nhiên liệu”

Trong đề tài này tác giả đặt ra những mục tiêu nghiên cứu như sau:

Trang 11

- Xác định hiệu suất thu hồi và chất lượng sản phẩm của từng thành chất thải (tre gỗ, nhựa, giấy, vải, cao su) và hỗn hợp thành phần các chất thải;

- Xác định nhiệt độ, thời gian cacbon hoá để thu được hàm lượng cacbon hữu cơ lớn nhất cho từng loại chất thải;

- Đánh giá nhiệt trị của các sản phẩm sau qua trình cacbon hoá

Để đạt được các mục tiêu nghiên cứu nêu trên tác giả tác giả sẽ nghiên cứu các nội dung sau:

- Tổng quan về phương pháp cacbon hoá chất thải rắn

- Thực hiện xử lý chất thải trên mô hình thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Viện Công nghệ Môi trường thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

- Tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố nhiệt độ và thời gian cacbon hoá đến hiệu suất thu hồi sản phẩm và hiệu suất thu hồi Cacbon hữu cơ

- Tiến hành khảo sát tìm nhiệt độ và thời gian tối ưu cho quá trình cacbon hoá đạt hiệu suất thu hồi sản phẩm, tỷ lệ cacbon Cacbon hữu cơ và hiệu suất thu hồi Cacbon hữu cơ là cao nhất

Sau đây là nội dung chi tiết luận văn:

Trang 12

Chương 1 TỔNG QUAN Trong 20 năm qua, kể từ khi Việt Nam áp dụng đường lối đổi mới, nền kinh tế Việt Nam đã có những bước phát triển nhanh và ổn định, tăng trưởng GDP trung bình hàng năm đạt 7-8% (giai đoạn 2006 - 2010) Mức sống dân cư từng bước được nâng cao, phong cách tiêu dùng, thói quen sinh hoạt của xã hội đang có nhiều thay đổi Chất thải rắn phát sinh từ các hộ gia đình cũng sẽ thay đổi về số lượng và thành phần Bên cạnh đó các ngành sản xuất kinh doanh, dịch

vụ ở các đô thị; các khu công nghiệp ngày càng được mở rộng và phát triển đã thúc đẩy quá trình tăng trưởng về các mặt kinh tế - xã hội Tăng trưởng mặt kinh

tế - xã hội đã góp phần tích cực cho sự phát triển của đất nước, tuy nhiên đã làm phát sinh lượng chất thải rắn ngày càng lớn (bao gồm cả CTR sinh hoạt, CTR công nghiệp, CTR y tế ) Việc thải bỏ một cách bừa bãi và quản lý không hiệu quả chất thải rắn ở các đô thị, khu công nghiệp, là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường, làm phát sinh bệnh tật, ảnh hưởng đến sức khỏe

và cuộc sống con người Vì vậy, việc quản lý chất thải là một thách thức to lớn, chi phí phí tốn, nhưng đem lại lợi ích cho môi trường và sức khỏe cộng đồng Mặt khác nếu quản lý theo hướng có thể tái chế thì đây sẽ là nguồn tài nguyên sinh ra của cải vật chất, một trong những hướng đó là tái chế chất thải rắn đô thị thành than nhiên liệu Sau đây là một số tìm hiểu về sự phát triển công nghệ cacbon hóa và khả năng ứng dụng của nó vào việc xử lý rác thải đô thị thành nhiên liệu

1.1 Đánh giá lượng chất thải phát sinh

1.1.1 Vài nét về tình hình phát triển đô thị tại Việt Nam

Tổng dân số của nước ta năm 2010 ước tính khoảng 86,93 triệu người, tăng 1,01% so với năm 2009 và 5,51% so với năm 2005 Trong đó, dân số khu vực thành thị là 26,22 triệu người (tăng 1,03% so với năm 2009) chiếm 30,2% tổng dân số, dân số khu vực nông thôn là 60,7 triệu người (tăng khoảng 1,0 % so với năm 2009) chiếm 69,8% tổng dân số

Quá trình đô thị hóa ở Việt Nam đang diễn ra rất mạnh mẽ, rất nhiều đô thị được chuyển từ đô thị loại thấp lên đô thị loại cao và nhiều đô thị mới được hình thành Nếu năm 2000, nước ta có 649 đô thị thì năm 2005, con số này là

Trang 13

715 đô thị và đã tăng lên thành 755 đô thị lớn nhỏ vào giữa năm 2011 (Bộ Xây dựng, 2011) Đô thị phát triển kéo theo vấn đề di dân từ nông thôn ra thành thị Năm 2009, dân số đô thị là 25,59 triệu người (chiếm 29,74% tổng dân số cả nước), đến năm 2010 dân số đô thị đã lên đến 26,22 triệu người (chiếm 30,17% tổng số dân cả nước) (Tổng cục thông kê, 2011) Dự báo đến năm 2015 dân số

đô thị là 35 triệu người chiếm 38% dân số cả nước, năm 2020 là 44 triệu người chiếm 45% dân số cả nước và năm 2025 là 52 triệu người chiếm 50% dân số cả nước

Cả nước có 2 đô thị loại đặc biệt (Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh); 3 đô thị loại 1 trực thuộc Trung ương (Hải Phòng, Đà Nẵng, Cần Thơ); 7 đô thị loại 1 trực thuộc tỉnh (Hạ Long, Huế, Vinh, Đà Lạt, Nha Trang, Quy Nhơn, Buôn Ma Thuột); 12 đô thị loại 2 (Biên Hòa, Cà Mau, Hải Dương, Long Xuyên, Mỹ Tho, Nam Định, Phan Thiết, Pleiku, Thái Nguyên, Thanh Hóa, Việt Trì, Vũng Tàu);

47 đô thị loại 3; 50 đô thị loại 4 và hơn 630 đô thị loại 5

Tốc độ đô thị hóa diễn ra nhanh chóng đã trở thành nhân tố tích cực đối với phát triển kinh tế - xã hội của đất nước Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ích

về kinh tế - xã hội, đô thị hóa nhanh đã tạo ra sức ép về nhiều mặt, dẫn đến suy giảm chất lượng môi trường và phát triển không bền vững Các hoạt động sản xuất, sinh hoạt gia tăng dẫn đến lượng chất thải cũng tăng theo Tính bình quân người dân đô thị sử dụng năng lượng, đồ tiêu dùng, thực phẩm, cao gấp 2 - 3 lần người dân nông thôn kéo theo lượng rác thải của người dân đô thị cũng gấp 2

- 3 lần người dân nông thôn

1.1.2 Các nguồn phát sinh chất thải rắn ở đô thị

Phát sinh CTR ở đô thị chủ yếu là CTR sinh hoạt chiếm khoảng 60 - 70% lượng CTR phát sinh, tiếp theo là CTR xây dựng, CTR công nghiệp, CTR y tế, bao gồm:

- CTR sinh hoạt: phát sinh chủ yếu từ các hộ gia đình, các khu tập thể, chất thải đường phố, chợ, các trung tâm thương mại, văn phòng, các cơ sở nghiên cứu, trường học,

- CTR xây dựng: phát sinh từ các công trình xây dựng, sửa chữa hạ tầng;

Trang 14

- CTR công nghiệp: phát sinh từ các cơ sở công nghiệp nằm trong đô thị, hoặc từ các khu công nghiệp;

- CTR y tế: phát sinh từ các bệnh viện, các cơ sở khám chữa bệnh;

- CTR điện tử: phát sinh từ các hoạt động sinh hoạt của con người như: đồ điện tử cũ hỏng bị loại bỏ

Bảng 1.1.Các loại chất thải rắn đô thị của Hà Nội năm 2011

TT Loại chất thải

Khối lượng phát sinh (tấn/ngày)

Thành phần chính Biện pháp xử lý

1 CTR sinh hoạt ~6.500

Chất vô cơ: gạch đá vụn, tro xỉ than tổ ong, sành sứ

Chất hữu cơ: rau củ quả, rác nhà bếp

Các chất còn lại

Chôn lấp hợp vệ sinh Sản xuất phân hữu cơ

vi sinh: 60 tấn/ngày Tái chế: 10%, tự phát tại các làng nghề

Cặn sơn, dung môi, bùn thải công nghiệp, giẻ dính dầu mỡ, dầu thải

Một phần được xử lý tại khu xử lý chất thải Công nghiệp

Trang 15

Bảng 1.2 Chất thải rắn đô thị phát sinh các năm 2007 - 2010

Chỉ số phát sinh CTR đô thị (kg/người/ngày) ~0,75 ~0,85 0,95 1,0 Tổng lượng CTR đô thị phát sinh (tấn/ngày) 17.682 20.894 24.225 26.226

Nguồn: Báo cáo môi trường Quốc gia năm 2011

Tuy nhiên, theo Báo cáo của các địa phương năm 2010 thì chỉ số phát sinh CTR sinh hoạt đô thị trung bình trên đầu người năm 2009 của hầu hết các địa phương đều chưa tới 1,0 kg/người/ngày Các con số thống kê về lượng phát sinh CTR sinh hoạt đô thị không thống nhất là một trong những thách thức cho việc tính toán và dự báo lượng phát thải CTR đô thị ở nước ta Kết quả điều tra tổng thể năm 2006 - 2007 đã cho thấy, lượng CTR đô thị phát sinh chủ yếu tập trung ở hai đô thị đặc biệt là thành phố Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh, chiếm tới 45,24% tổng lượng CTR sinh hoạt phát sinh từ tất cả các đô thị tương ứng khoảng 8.000 tấn/ngày (2,92 triệu tấn/năm) (Hình.1.2) Tuy nhiên, cho đến thời điểm hiện tại, tổng lượng và chỉ số phát sinh CTR đô thị của đô thị đặc biệt

và đô thị loại 1 hiện nay đã tăng lên rất nhiều

Hình 1.1 Tỷ lệ phát sinh CTR sinh hoạt tại các đô thị Việt Nam năm 2007

Nguồn: Dự án “Xây dựng mô hình và triển khai thí điểm việc phân loại, thu gom và xử lý rác thải sinh

hoạt cho các khu đô thị mới”, Cục BVMT, 2008

Trang 16

Nguyên nhân của sự gia tăng này là do Hà Nội sau khi điều chỉnh địa giới hành chính thì lượng CTR đô thị phát sinh đã lên đến 6.500 tấn/ngày (con số của năm 2007 là 2.600 tấn/ngày).Bên cạnh đó, số đô thị loại 1 đã tăng lên 10 đô thị (trong khi năm 2007 là 4 đô thị loại 1).Trong các vùng trọng điểm, vùng Đông Nam Bộ (bao trùm cả kinh tế trọng điểm phía Nam) là nơi có lượng CTR đô thị nhiều nhất, tiếp đến là vùng Đồng bằng sông Hồng (bao trùm cả vùng kinh tế trọng điểm Bắc Bộ), ít nhất là khu vực Tây Nguyên (Hình1.2)

Hình 1.2 Hiện trạng chất thải rắn theo các vùng kinh tế của nước ta năm 2003,

2008 và dự báo cho năm 2015

Nguồn: Viện Quy hoạch Đô thị và Nông thôn Bộ Xây dựng, 2010

Chỉ số phát sinh CTR sinh hoạt tính bình quân trên đầu người lớn nhất xảy ra ở các đô thị phát triển du lịch như các thành phố: Hạ Long, Đà Lạt, Các

đô thị có chỉ số phát sinh CTR sinh hoạt tính bình quân đầu người thấp nhất là thành phố Đồng Hới (Quảng Bình), thị xã Gia Nghĩa, thị xã Cao Bằng (Bảng 1.3)

Bảng 1.3 Chỉ số phát sinh CTR sinh hoạt bình quân đầu người của các đô thị

năm 2009

đầu người (Kg/người/ngày)

Trang 17

cả về quy mô lẫn dân số và các khu công nghiệp như các đô thị tỉnh Phú Thọ (19,9%), Phủ Lý (17,3%), Rạch Giá (12,7%), Cao Lãnh (12,5%) Các đô thị khu vực Tây Nguyên có tỷ lệ CTR gia tăng đồng đều hàng năm với tỷ lệ ít hơn (khoảng 5%)

Trang 18

Ghi chú: Số liệu của Hà Nội năm 2010 là số liệu tính tại thời điểm tháng 3/2011

Hình 1.3 Lượng phát sinh CTR đô thị của một số tỉnh, thành phố qua các năm

Từ kết quả dự báo ở bảng 1.4 trên thì lượng CTR sinh hoạt đô thị năm

2015 tăng gấp 1,6 lần, năm 2020 tăng gấp 2,37 lần, năm 2025 gấp 3,2 lần so với năm 2010 Đây sẽ là áp lực lớn đối với công tác quản lý CTR đô thị trong thời gian tới

Bảng 1.4 Ước tính lượng CTR đô thị phát sinh đến năm 2025

Chỉ số phát sinh CTR đô thị (kg/người/ngày) 1,2 1,4 1,6 Tổng lượng CTR đô thị phát sinh (tấn ngày) 42.00 61.600 83.200

Nguồn: Báo cáo môi trường Quốc gia năm 2011

Trang 19

Thành phần CTR cũng thay đổi đáng kể do mức độ tiêu dùng tăng cao, hàng hóa ngày càng đa dạng Chất lượng cuộc sống tăng cao kéo theo chất thải nguy hại cũng tăng, trở thành nguồn gây ô nhiễm môi trường đáng kể Bên cạnh

đó, các loại chất thải từ bao bì như giấy, nhựa, chai lọ thủy tinh sẽ không ngừng gia tăng, do vậy cần có chiến lược thu gom, tái chế các chất thải bao bì, giảm sử dụng túi nilon Các đồ dùng như quần áo, giường tủ, tivi, xe máy cũng được thay thế với tần suất cao hơn Mặc dù chất thải loại này thường được tái sử dụng, song lượng chất thải này cũng vẫn gia tăng theo thời gian

Thành phần chất thải hữu cơ có trong CTR đô thị của Việt Nam từ nay tới năm 2025 cũng vẫn rất cao, khoảng > 50% Do đó Việt Nam cần phát triển công nghệ xử lý làm phân compost từ thành phần hữu cơ của CTR đô thị, chú trọng khâu phân loại CTR tại nguồn để giảm tạp chất cho nguyên liệu đầu vào nhà máy đồng thời giảm nhẹ khâu phân loại trong dây chuyền công nghệ chế biến CTR

1.1.5 Thành phần chất thải rắn đô thị

Thành phần chất thải rắn ở nước ta rất đa dạng và đặc trưng theo từng khu vực dân cư sinh sống Mức sống, thu nhập khác nhau giữa các đô thị đóng vai trò quyết định trong thành phần CTR sinh hoạt (Bảng 1.5).Trong thành phần rác thải đưa đến các bãi chôn lấp, thành phần rác có thể sử dụng làm nguyên liệu sản xuất phân hữu cơ rất cao từ 54 - 77,1%; tiếp theo là thành phần nhựa: 8 - 16%; thành phần kim loại đến 2%; CTNH bị thải lẫn vào chất thải sinh hoạt nhỏ hơn 1%.Các đặc trưng chính của CTR

- Hợp phần có nguồn gốc hữu cơ cao (50,27% - 62,22%)

- Chứa nhiều đất cát, sỏi đá vụn, gạch vỡ

- Độ ẩm cao, nhiệt trị thấp (900 kcal/kg) Việc phân tích thành phần CTR đóng vai trò rất quan trọng trong việc lựa chọn các công nghệ xử lý Thành phần CTR của một số đô thị, một số khu dân

cư tại các đô thị Việt Nam Qua các bảng thành phần này ta thấy khả năng áp dụng công nghệ cacbon hóa để xử lý chất thải sinh hoạt là rất khả thi

Trang 20

Bảng 1.5 Chất thải rắn phát sinh tại một số tỉnh, thành phố năm 2010

Loại đô thị, Vùng Đơn vị hành chính Lượng CTR sinh hoạt phát sinh

Trang 21

Bảng 1.6 Thàn phần CTR sinh hoạt tại đầu vào của các bãi chôn lập của một số địa phương Hà Nội, Hải Phòng, Huế, Đà Nẵng,

Tp.HCM (1) và Bắc Ninh (2) năm 2009 - 2010

chất thải

Hà Nội (Nam Sơn)

Hà Nội (Xuân Sơn)

Hải Phòng (Tràng Cát)

Hải Phòng (Đình Vũ)

Huế (Thủy Phương)

Đà Nẵng (Khánh Hòa)

HCM (Đa Phước)

HCM (Phước Hiệp)

Bắc Ninh (TT Hồ)

Trang 22

Bảng 1.7 Thành phần chất thải ở khu dân cư điển hình Cầu Giấy - Hà Nội

Nguồn: Viện Công nghệ Môi trường, 2006

1.2 Công nghệ cacbon hóa chất thải rắn

- Hiện nay, phương pháp thiêu đốt được sử dụng phổ biến để xử lý chất thải y tế và ngăn ngừa dịch bệnh.Tuy nhiên phương pháp này còn hạn chế vì chi phí xử lý cao và có nhiều nguy cơ tạo thành dioxin và furan Một công nghê mới được đề xuất dựa trên nguyên lý sự đốt cháy, nhưng trong môi trường thiếu oxy

Đó là công nghệ xử lý chất thải bằng phương pháp cacbon hóa, công nghệ này cho phép thu hồi nguồn năng lượng (như nhiệt năng, điện năng) hoặc nguyên liệu, nhiên liệu sạch (than sạch, than hoạt tính) Phương pháp này sẽ góp phần

Trang 23

xử lý ô nhiễm môi trường và lượng rác thải cho bãi chôn lấp, đây là một yếu tố quan trọng trong vấn đề quản lý chất thải

- Cacbon hóa là quá trình loại bỏ các hợp chất hữu cơ nhẹ có thể bay hơi

có mặt trong nhiên liệu nhằm mục đích thu nhận cacbon Đây là quá trình đốt cháy không hoàn toàn nguyên liệu Các hợp chất hữu cơ phân hủy dưới tác dụng của nhiệt và tạo thành cacbon Quá trình cacbon hóa có thể chia thành 2 bước: sấy khô và đốt cháy không hoàn toàn nguyên liệu

- Có một số khác biệt giữa phương pháp thiêu đốt truyền thống và công nghệ mới Phương pháp thiêu đốt truyền thống biến toàn bộ chất thải đầu vào thành khí thải và tro, sinh ra lượng khí thải độc hại và nhiều Ngược lại phương pháp nhiệt phân biến chất thải thành các loại nhiên liệu giàu năng lượng bằng việc đốt chất thải ở trạng thái kiểm soát, quy trình xử lý nhiệt lại hạn chế sự biến đổi để quá trình đốt cháy không xảy ra trực tiếp, chất thải được biến thành những chất trung gian, có thể xử lý thành các vật liệu tái chế hoặc thu hồi năng lượng Dưới tác dụng của nhiệt,các loại rác thải chuyển hóa kèm theo quá trình phân hủy tạo thành nước, khí và than tổng hợp Than tổng hợp được làm lạnh trong vòng 90 giây mà không cần một sản phẩm phụ gia nào trong khoang giảm nhiệt, đây là sản phẩm chính của quá trình xử lý nhiệt phân rác thải ở nhiệt độ thấp, loại than này có chứa hàm lượng lưu huỳnh thấp khoảng 0,2% Điều đáng lưu ý là, công nghệ nhiệt phân rác thải nhiệt độ thấp này sẽ giúp tránh được nguy cơ phản ứng sinh ra các chất độc hại, đặc biệt là các hợp chất đioxin vì xử

lý ở nhiệt độ thấp

- Nhiệt phân là quá trình làm suy giảm nhiệt của các vật liệu cacbon ở nhiệt độ từ 400oC - 800oC hoặc trong điều kiện thiếu oxy hoặc có nguồn cung cấp oxy rất hạn chế Quá trình này làm bay hơi và phân hủy các vật liệu rác hữu

cơ bằng nhiệt, không bằng đốt lửa trực tiếp Khi chất thải bị nhiệt phân (ngược với quá trình đốt trong lò thiêu đốt), khí và than ở dạng rắn được sinh ra Than dưới dạng rắn là hợp chất của các nguyên liệu khó cháy với cacbon Khí tổng hợp được sinh ra là hỗn hợp của các khí gồm cacbon monoxit, hydro, metan và một số loại hợp chất hữu cơ khác dễ bay hơi Khí tổng hợp có nhiệt trị là 10 - 20 MJ/Nm3

Trang 24

1.2.1 Những ứng dụng chủ yếu của phương pháp

- Áp dụng công nghệ cacbon hóa có thể tạo ra một loại nhiên liệu chất thải rắn, hay còn gọi là nguyên liệu có nguồn gốc từ chất thải bằng việc tách ra những hạt chất nhẹ hơn, dễ cháy Sản xuất nhiên liệu từ chất thải không phải là quá trình xử lý nhiệt, mà là quá trình biến đổi nhiệt của các thành phần dễ cháy trong chất thải rắn Ứng dụng chủ yếu của phương pháp này là:

Xử lý các chất dư thừa trong nông nghiệp và công nghiệp

Xử lý chất thải sinh hoạt và thương mại Thu hồi năng lượng từ những chất dư thừa trong quá trình tái chế các vật liệu (chất còn lại trong máy nghiền tự động, phế liệu sản xuất điện và điện tử, các loại lốp cao su, chất thải nhựa tổng hợp và các chất dư thừa trong quá trình bao gói)

- Nguồn năng lượng được thu hồi là yếu tố quan trọng về kinh tế của dự

án Đó là các loại khí tổng hợp, than tổng hợp… được sử dụng với các mục đích khác nhau trong nghành công nghiệp và xử lý môi trường, đồng thời đây là một loại vật liệu có thể được tái chế và bán trên thị trường hiện nay

- Đôi khi các quá trình nhiệt phân không tương thích với việc xử lý chất thải rắn đô thị chưa được phân loại Với xu thế gia tăng lượng chất thải hiện nay, buộc phải có các biện pháp tiền xử lý (thu gom có phân loại… ) và các quy trình

xử lý này đang trở nên thích hợp hơn

1.2.2 Những ưu điểm chính của công nghệ xử lý nhiệt tiên tiến

- Giảm khối lượng chất thải

- Làm cho chất thải an toàn và biến thành chất trơ

- Thu được giá trị của chất thải,các loại năng lượng nhiên liệu (như điện năng, than…)

- Đi theo hướng phát triển bền vững, tiến tới việc tái sử dụng và tái chế

- Chất thải biến thành năng lượng là sự bổ sung cho việc tái chế các vật liệu

- Là một biện pháp xử lý thích hợp đối với lượng chất thải đang gia tăng

Trang 25

- Đẩy mạnh việc thay đổi thành phần chất thải rắn ở bãi chôn lấp

- Giải quyết tình trạng thiếu nơi chôn lấp chất thải

- Ứng phó với những công cụ kinh tế và tài chính (ví dụ như thuế chôn lấp

và các khoản trợ cấp cho các nguồn thay thế)

Xử lý nhiệt là biện pháp thay thế cho phương pháp chôn lấp, khi xử lý một lượng lớn các chất có thành phần thay đổi, đặc biệt là các chất thải rắn đô thị Biện pháp ủ phân và ủ yếm khí chỉ để xử lý các thành phần thối rữa

Hầu hết các quy trình xử lý bằng nhiệt tiên tiến xử dụng chất thải rắn đô thị đã được xử lý ban đầu Một số hệ thống xử lý sinh học tạo ra loại nhiên liệu sản xuất chủ yếu gồm các thẻ giấy và các loại chất dẻo tạo ra từ nhiên liệu có nguồn gốc là chất thải

1.2.3 Những yếu tố tác động đến nhu cầu của hệ thống xử lý nhiệt

- Nhu cầu về thu hồi sản phẩm có giá trị và nguồn năng lượng từ chất thải rắn đô thị

- Biện pháp thiêu đốt truyền thống gây tác động tiêu cực

- Nhận thức của cộng đồng về công nghệ mới sẽ “xanh” hơn

- Có những hạn chế về việc chôn lấp chất thải chưa được xử lý

- Chi phí xử lý các sản phẩm còn lại của lò đốt chất thải đang tăng lên

- Các quá trình xử lý tương thích với tái chế

Bên cạnh những ưu điểm không thể phủ nhận công nghệ mới cũng có một

số nhược điểm như:

- Công nghệ mới có thể chưa được kiểm chứng

- Thiếu thành tích thương mại

- Những người sử dụng tiềm năng thiếu hiểu biết về công nghệ này

Một số công ty hiện nay vẫn đang vận hành thử nghiệm các nhà máy nhiệt phân thương mại mặc dù các thử nghiệm đầu tiên thường thất bại về tài chính Tuy nhiên, công nghệ này hiện nay đang được triển khai trên phạm vi rộng hơn

và một số nhà máy đang chuẩn bị triển khai

Trang 26

Lợi thế chủ yếu của biện pháp nhiệt phân so với thiêu đốt là không cho phép hình thành dioxin và sử dụng nhiệt ở nhiệt độ trên 400oC Đặc điểm chính của hệ thống xử lý nhiệt tiên tiến này là cơ hội để sản xuất các loại năng lượng (điện năng, nhiệt năng…) có hiệu suất cao Có thể sẽ có nhiều điện năng hơn được sản xuất từ chất thải và nhu cầu sử dụng các nhiên liệu hóa thạch ít hơn, giảm khí phát thải nhà gây ô nhiễm môi trường

1.2.4 Tình hình nghiên cứu về công nghệ cacbon hóa trên thế giới và Việt Nam

a Tình hình nghiên cứu công nghệ cacbon hóa trên thế giới

 Công nghệ cacbon hóa ở nhiệt độ thấp

Một trong những vấn đề được thảo luận nhiều nhất trong lĩnh vực chưng cất nhiên liệu đó là nhiệt độ của quá trình cacbon hóa Đã hơn một thế kỷ, than

đá được luyện thành than cốc để tạo khí phục vụ chiếu sáng do đó chủ đề này được bàn luận rất nhiều cho đến nay Những kỹ sư ban đầu đã công nhận một số

ý nghĩa, giá trị của quá trình cacbon hóa ở nhiệt độ thấp nhưng đối với họ, các khí sản phẩm là quan trọng hàng đầu Họ sử dụng đến các thí nghiệm để đưa ra các giá trị tối ưu nhất và do đó họ thích phương pháp nhiệt độ cao hơn Nhưng xét thêm ý nghĩa về mặt kinh tế, phương pháp cacbon hóa ở nhiệt độ thấp lại được khuyến khích và các thảo luận về cacbon hóa lại được tổ chức trở lại Nói đến công nghệ cacbon hóa ở nhiệt độ thấp thì cốc hóa là một trong những ứng dụng cơ bản và đầu tiên

Ở Mỹ, từ những năm 1890 đã có nhiều nghiên cứu về các công trình cacbon hóa ở nhiệt độ thấp Frank M Gentry có các công trình nghiên cứu về quá trình luyện than cốc và khí hóa than ở nhiệt độ thấp

Nhiệt độ của quá trình cacbon hóa ở nhiệt độ thấp được tranh cãi giữa các nhà nghiên cứu Parr và Layng quan niệm nhiệt độ thấp dưới 750oC hoặc 800oC, trong khi Bone quan niệm nhiệt độ nằm trong giới hạn 550oC đến 600oC và Gludd quan niệm nhiệt độ thấp trong giới hạn 500oC đến 600oC Sự tranh cãi này xuất phát từ một loại than đá mà các thí nghiệm tiến hành và các loại sản phẩm than cốc riêng của từng nhà nghiên cứu Parr và các cộng sự sử dụng than Illinois để đảm bảo không có khói khi đốt Bone sử dụng than của Anh và Gludd

Trang 27

sử dụng sản phẩm đầu tiên của nhựa đường với loại nhựa đường có tỷ lệ cacbon

tự do thấp Do vậy, khoảng nhiệt độ phụ thuộc vào chất lượng sản phẩm tạo ra của các nhà nghiên cứu và phương pháp thực hiện các quá trình

Theo định nghĩa của các nhà khoa học, cacbon hóa nhiệt độ thấp (cốc hóa) là quá trình chưng cất phá hủy của than hoặc dưới nhiệt độ cracking của mạch H-C trong nhựa đường Nhiệt độ là điều kiện vật lý của khí hóa, do đó chưng cất trong điều kiện chân không nhiệt độ có thể không quá 450oC và trong điều kiện có áp suất nhiệt độ có thể lên tới 1000oC Trong hầu hết các trường hợp, với áp suất khí quyển và chất lượng than trung bình, nhiệt độ của quá trình cacbon hóa có thể lấy là 750oC

Nhìn từ góc độ kinh tế, sự thiếu hiểu biết trong những phương pháp hiện tại về việc tận dụng nhiên liệu dưới 2 dạng: khói lò - hình thành do đốt cháy không hoàn toàn và việc tận dụng hết nhiên liệu do thiếu các phương pháp hoàn chỉnh thích hợp Như vậy có thể nói rằng, cacbon hóa nhiệt độ thấp là phương pháp vừa giảm được lượng khói thải, vừa tăng được hiệu quả sử dụng nhiên liệu Nhưng nó cũng không có nghĩa rằng sẽ góp phần vào bảo tồn nguồn tài nguyên thiên nhiên, nhưng nó cũng làm tăng việc tiêu thụ các hàng hóa có ý nghĩa kinh

tế để góp phần duy trì tài nguyên thiên nhiên

Các mô hình được nghiên cứu kỹ khi thành phần H-C trong than được xác định Cacbon giai đoạn đầu sẽ lắng xuống trong khoang đã được chia sẵn và tập hợp thành cụm trước khi đốt cháy Nếu tách H-C với nhiên liệu ngay ở giai đoạn đầu, khói sẽ thải ra rất nhiều Kèm theo đó là câu hỏi, cách bố trí thế nào để H-C tách ra khỏi nhiên liệu mà vẫn giữ được giá trị Câu trả lời đã được tìm ra trong quá trình chưng cất phân đoạn nhựa đường để tái sử dụng trong công nghiệp Một số sản phẩm được sử dụng như dầu lửa hay phân bón

Lịch sử của quá trình nghiên cứu cacbon hóa ở nhiệt độ thấp liên quan chặt chẽ tới khí than Một trong những người đầu tiên đề cập đến lượng dầu lớn nhất thu được là Perkins, người đạt bằng sáng chế năm 1953 về việc chiết xuất dầu khỏi đá phiến sét và các vật liệu cacbon khác bằng cách chưng cất ở nhiệt

độ thấp Sau năm đó, Sparr đề nghị luyện than để lấy dầu nhờn hơn là lấy khí trong điều kiện tự nhiên chân không cao Mười năm sau, Parker người phát minh

ra quá trình cốc hóa, giành được bằng sáng chế cho sản phẩm nhiên liệu không

Trang 28

khói bằng cách chưng cất khí trơ ở nhiệt độ cao, như khí lỏng, khí than ở 600oC đến 650oC Sau đó, Parker còn đạt được bằng sáng chế cho việc đốt than trong dòng khí thổi có nhiệt độ dưới 450oC Đó chính là nền tảng để phát triển quá trình cốc hóa

Tại Mỹ, những thí nghiệm được tiến hành từ rất sớm tại đại học Illinois từ năm 1902 Đã có một báo cáo kết quả vào năm 1908 và một báo cáo nghiên cứu sâu hơn vào năm 1912 của Parr và công sự Những nghiên cứu đầu tiên về lĩnh vực này được nghiên cứu tại Mỹ, nhưng sau đó nó tiếp tục được nghiên cứu chủ yếu ở những nước có nguồn dầu mỏ bị giới hạn và họ coi nguồn than dự trữ như nguồn nguyên liệu lỏng quan trọng cho quốc gia Chiến tranh thế giới đã tạo ra

sự thúc đẩy lớn cho lĩnh vực nghiên cứu này, đặc biệt là tại Anh và Đức Những nghiên cứu cơ bản về nhiên liệu của Anh xuất bản năm 1917 đẩy mạnh tiết kiệm nhiên liệu và tiếp tục phát triển những nghiên cứu về nhiên liệu Nó đã góp phần

to lớn cho những nghiên cứu về cacbon hóa than

Sau đây là một số quy trình cacbon hóa nhiệt độ thấp của một số nhà nghiên cứu và tổ chức:

Quy trình cacbon hóa của Mcintire Quy trình cacbon này dựa theo quy trình của tác giả Smith và được sự ủng

hộ của tổ chức The Internatinonal Coal products Company Năm 1918, chính phủ Mỹ đã cung cấp tài chính nhằm xây dựng một nhà máy với công suất 575 tấn than thô mỗi ngày tại Clinchfield, VA Tuy nhiên, quá trình vận hành của nhà máy gặp nhiều khó khăn, thêm vào đó là những trở ngại về kinh tế đã khiến

dự án Clinchfield tạm ngừng vào năm 1922 Sau này, mô hình này được McIntire ứng dụng và phát triển

Trong mô hình của dự án Clinchfield bao gồm 24 bình chưng cất, hợp thành 4 buồng phía ngoài, và 30 lò được sắp xếp theo 10 hàng Điểm nổi bật của

hệ thống này đó là sự kết hợp giữa quá trình cacbon hóa ở nhiệt độ thấp và cao nhằm đạt được một quy mô sản xuất cao hơn

Quy trình Coalite Quy trình này dựa trên mô hình của Parker, một trong những người tiên phong của quá trình cacbon hóa ở nhiệt độ thấp Một mô hình được đưa ra từ

Trang 29

những năm đầu 1890, nhưng đến tận năm 1906 thì Coaltile mới giới thiệu về nguyên lý của quá trình cacbon hóa Trong mô hình này, các bình chưng cất ở trang thái tĩnh, nhiệt được cung cấp từ bên trong và than được xếp từng lớp mỏng

Sau những thí nghiệm ban đầu của Parker, The Eticoal Syndicate đã dựng lên một nhà máy ở gần Barnsley, nước Anh với công suất khoảng 50 tấn than Trong quá trình chưng cất, hơi nóng được duy trì từ trên xuống dưới Nhiệt độ trong bình chưng cất được duy trì ở 650oC trong vòng khoảng 4,5 giờ cho đến khi quá trình cacbon hóa được hoàn thành

Năm 1911, The British Coaltile đã đưa ra một thiết kế khác tại Barking, gần London Trong mô hình này gồm 20 lò chưng cất với công suất là 32 tấn thô/ngày

Thiết kế gần đây nhất của Coaltile là một cải tiến trong mô hình của Davidson Quá trình cacbon hóa ở nhiệt độ khoảng 650oC trong vòng 8 giờ với lượng than xấp xỉ 36 tấn mỗi ngày Đặc điểm đáng chú ý trong mô hình mới của Coalite là các thiết bị có bộ phận thoát khí trong quá trình cacbon hóa và thu hồi than Khoảng 25-35% chất dễ bay hơi chứa trong than sẽ bị hóa hơi ở nhiệt độ

550oC ở trong bình chưng cất

Quy trình của tổ chức Fuel Research Board Năm 1917, chính phủ nước Anh đã thành lập ra tổ chức Fuel Research Board là một nhánh của trung tâm nghiên cứu khoa học và công nghiệp Tổ chức này đã đưa ra mô hình của quy trình cacbon với 9 bình chưng cất nằm ngang Than được nghiền nhỏ, xếp thành các lớp mỏng cho vào các bình chưng cất nhằm làm giảm quá trình mất nhiệt.Trong các bình chưng cất này, nhiệt độ lớn không cho phép vượt quá 600oC, và quá trình cacbon hóa được tiến hành trong 3 - 4 giờ

Tổ chức The Fuel Research Board đã nỗ lực trong việc đưa ra mô hình cacbon hóa nhiệt độ thấp với tiêu chuẩn Glover - West vào vận hành nhưng không thu được kết quả như mong muốn Công suất 3,5 tấn/ngày, do nhiệt độ cacbon hóa hạ dần đến 780oC, nên đầu vào giảm xuống 1,8 tấn/ngày

Trang 30

Tổ chức The Fuel Research Board đã tiến hành nhiều thí nghiệm nhằm đưa ra một quy trình có 4 bình chưng cất thẳng đứng liên tiếp làm bằng thép, 2 trong số 4 bình được thiết kế như chữ D rộng 4 inch ở trên và 8 inch ở dưới, 2 bình còn lại có dạng nhý chữ E thì thu được kết quả khả quan và mang lại những thành công nhất định Cơ quan Fuel Production Company, Ltd đã sử dụng mô hình này với công suất 100 tấn/ngày

Quy trình Fusion Quy trình cacbon hóa này là phát minh của Hutchin và được tập đoàn Fusion quản lý Theo Tupholme có hai loại mô hình được thiết kế, dạng đơn và dạng kép

Trong mô hình này dạng đơn có các lò quay bằng thép sắp xếp theo chiều ngang Nguyên liệu được nghiền, cho vào các lò và được đốt nóng Sản phẩm được hình thành ở một buồng cố định ở trạng thái tĩnh và sau đó được lấy ra, khí thải ngưng lại và cho một khu vực riêng

Mô hình lò kép có nguyên tắc cấu tạo như ở dạng lò đơn Điểm khác biệt

là 2 lò quay được sắp xếp theo kiểu đồng tâm, và cả hai đều có bộ phận nghiền nguyên liệu Cấu tạo này, đem lại hai thuận lợi Thứ nhất, việc nạp và lấy nguyên vật liệu chỉ diễn ra một lần, do vậy tránh việc thoát khí trong vận hành Thứ hai, than được đốt nóng trước khi tiến hành quá trình cacbon hóa

Kết quả cacbon hóa chất thải nông nghiệp:

Năm 2002, nhóm tác giả Kazuhiro Mochidzuki, Lloyd S Paredes, and Michael J Antal, Jr, của trường Đại Học năng lượng thiên nhiên Hawaii, tiến hành nghiên cứu công nghệ cacbon hóa với một số chất thải từ nông nghiệp như lõi ngô, trấu… đã thu được các sản phẩm than cacbon có nhiệt trị cao như bảng sau:

Trang 31

Bảng 1.8 Hiệu suất thu hồi các sản phẩm cacbon từ chất thải rắn nông nghiệp

Tỷ lệ thành phần %

Chất thải Hơi

Hiệu suất thu hồi sản phẩm

Hiệu suất thu hồi Cacbon

Nhiệt trị của sản phẩm

Hiệu suất chuyển đổi năng lượng

Flash Carbonization of Biomass, Kazuhiro Mochidzuki, Lloyd S Paredes, and Michael J Antal, Jr, 2002

Ngày nay, công nghệ cacbon hóa ở nhiệt độ thấp còn được nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Các vật liệu có tỷ lệ thành phần cacbon cao có thể được cacbon hóa thành những vật liệu có ích trong các hoạt động xử lý chất thải rắn bảo vệ môi trường Rác thải hữu cơ cháy được trong rác thải đô thị hay các chất thải PVC có thành phần cacbon cao được cacbon hóa ở nhiệt độ thấp tạo ra các hợp chất có độ xốp lớn, ứng dụng trong ngành công nghiệp và công nghệ xử lý nước thải… Với trình độ khoa học hiện tại và thành phần chất thải như hiện nay, việc áp dụng công nghệ cacbon hóa ở nhiệt độ thấp rất có triển vọng tại Việt Nam

 Công nghệ cacbon hóa bằng phương pháp áp suất cao

Hiện nay, ngoài phương pháp cacbon hoá ở nhiệt độ thấp thì phương pháp cacbon hóa áp suất cao cũng đạt được những thành tích đáng kể và là một công nghệ cacbon hóa nhanh và hiệu quả, biến sinh khối của cacbon sinh học với lượng có thể cân bằng giới hạn sau vài chục phút phản ứng Công nghệ này cần lưu ý sự cháy và lưu ý kiểm soát tia lửa trong khoang chứa sinh khối ở áp suất cao Sinh khối có thể sử dụng là gỗ và các sản phẩm nông nghiệp như lõi ngô,

vỏ trấu Trong các thí nghiệm tiêu biểu, hệ thống nén ở 1MPa bằng không khí và

Trang 32

điện được phát cho bộ phận làm nóng ở đáy của lò phản ứng Sự cháy diễn ra sau vài phút dưới áp suất cao, và các tia lửa sẽ bắt đầu làm cho sinh khối chuyển thành cacbon sinh học Nếu sinh khối sử dụng là lõi ngô, sản lượng cacbon được giữ nguyên tuân theo lý thuyết, và phản ứng hoàn thành sau 20 phút

Cacbon sinh học (than củi) được chế tạo ra sau hơn 38.000 năm và hiện giờ vẫn là nguồn nhiên liệu có thể tái tạo quan trọng nhất được sử dụng Tuy nhiên, những công nghệ cacbon hóa có tính thương mại thì chậm và kết quả không rõ rệt Sản lượng đặc trưng của sản xuất than củi từ gỗ cứng của lò Missouri có chu trình 7 - 12 ngày khoảng 25% trọng lượng Những công nghệ cacbon hóa kém hiệu quả hơn được sử dụng rộng rãi ở các nước và nó cũng là nguyên nhân hàng đầu cho nạn phá rừng ở nhiều quốc gia nhiệt đới Ngoài ra, vì những vấn đề ô nhiễm liên quan đến công nghệ cacbon hóa kém hiệu quả, chu trình sản xuất nhiên liệu than củi phát thải khí nhà kính nhiều nhất

Theo lý thuyết, cacbon hóa sinh khối là phương pháp nhanh và hiệu quả, với sản phẩm phụ là CO2, H2O, CH4 và CO ở dạng vết Cellulose là thành phần chủ yếu của hầu hết các sinh khối Ở 1 MPa, sản lượng cacbon thu được từ cellulose là 27% khối lượng Tài liệu khoa học về cacbon hóa sinh khối đã có từ

150 năm trước đây Không có ghi nhận nào về sản lượng cacbon từ sinh khối vượt qua giá trị tại thời điểm cân bằng nhiệt hóa học Hiển nhiên, sản lượng của quá trình nhiệt phân cacbon từ sinh khối gần bằng giá trị tại thời điểm cân bằng, bởi vậy các nhà khoa học thường lấy giá trị tại thời điểm cân bằng nhiệt là giá trị của sản lượng cacbon Tại thời điểm cân bằng năng lượng của quá trình nhiệt phân celloluse ở 400oC và 1MPa, cacbon thu được chiếm 52,2% giá trị nhiệt lượng của cellulose (17,4% MJ/kg) và 36,2% là năng lượng phát sinh từ sản phẩm khí (chủ yếu là CH4) Còn lại khoảng 2 MJ/kg là nhiệt tỏa ra do quá trình nhiệt phân Giá trị cao nhất của sự tỏa ra từ quá trình nhiệt phân cellulose ở trong lò áp suất cao là 0,66 MJ/kg

Hiện nay, gỗ và các sản phẩm nông nghiệp dư thừa được tận dụng để cacbon hóa tạo ra các sản phẩm có ích và có tính thương mại Ví dụ như lõi ngô hay vỏ trấu

Trong báo cáo Viện Năng lượng tự nhiên Hawai, Đại học Hawai của nhóm tác giả Kazuhiro Mochizuki, Lloyd S Paredes và Michael J Antal, Jr năm

Trang 33

2002, sinh khối được đựng trong hộp hình trụ nhỏ và đưa vào khoang cacbonhóa

có áp suất không khí cao lên tới 1,1 MPa Hệ thống lò có 2 bộ phận làm nóng ở đáy của khoang cacbon hóa Sự cháy bắt đầu sau vài phút và bộ phận làm nóng được tắt đi Sau đó, không khí đi vào nồi hơi và các tia lửa bắn ra và chuyển sinh khối thành cacbon Khi không khí đã cung cấp đủ cho quá trình cacbon hóa thì

sẽ tạm ngừng dòng khí cấp, khoang cacbon hóa sẽ giảm áp suất và để nguội

Lõi ngô là nguyên liệu tốt cho quá trình cacbon hóa, tại áp suất 1,2 MPa

sự cháy xảy ra sau 2 phút làm nóng và dòng khí thổi dừng sau 18 phút Với công nghệ này, sản lượng cacbon cố định đạt 100% sản lượng tại giới hạn cân bằng nhiệt hóa học Kết quả đạt được sự cải tiến to lớn so với công nghệ cũ, công nghệ cũ thì sản lượng cacbon hóa cố định thu được ít hơn 70% sản lượng tại giới hạn nhiệt hóa học sau hơn 300 phút phản ứng

Giống như lõi ngô, vỏ trấu cháy dễ dàng trong không khí ở áp suất cao nhưng sự lưu thông nhiệt và khí thì bị hạn chế Với đặc tính đó, sản lượng cacbon hóa cố định (24%) chỉ đạt được 82% giá trị tại giới hạn thành phần cacbon hóa cố định của than thì ít thay đổi

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Rác thải đang ngày càng trở thành vấn đề bức xúc của xã hội Với sự phát triển nhanh chóng của các đô thị lớn như thành phố Hồ Chí Minh, Hà Nội và Hải phòng… thì vấn đề xử lý rác thải đô thị lại càng trở nên bức thiết Ở nước

ta, phần lớn rác thải được xử lý thô sơ bằng cách chôn lấp tại các bãi rác với nguy cơ gây ô nhiễm môi trường cao, gây ra nhiều hậu quả xấu ảnh hưởng tới sức khoẻ con người

Có nhiều phương pháp xử lý rác thải đô thị (đã trình bày ở trên) đã được nghiên cứu và áp dụng, trong đó có phương pháp thiêu đốt Phương pháp này xử

lý được nhiều loại chất thải (đặc biệt là các chất thải rắn khó phân huỷ như plastic, da, cao su…), tiết kiệm được diện tích cho các bãi chôn lấp Tuy nhiên,

nó lại gây tác động xấu đến môi trường không khí, ngoài ra chi phí cho việc xử

lý khí thải của quá trình thiêu đốt rất tốn kém

Xử lý rác thải đô thị theo công nghệ nhiệt phân có kiểm soát khí thải và tạo ra sản phẩm là than cacbon có hàm lượng tổng cacbon hữu cơ (TOC) cao

Trang 34

làm nhiên liệu trong công nghiệp và vật liệu xử lý môi trường là một xu thế phát triển bền vững Trong thời gian qua, Viện Công nghệ Môi trường đã tiến hành nghiên cứu công nghệ cacbon hoá để xử lý chất thải rắn đô thị Hà Nội và đã đạt được một số kết quả khả quan Phương pháp cacbon hoá này vừa có thể xử lý được ô nhiễm của chất thải với chi phí xử lý thấp hơn, vừa tạo ra được loại sản phẩm tái chế phục vụ kinh tế xã hội như than sạch làm nhiên liệu hoặc vật liệu hấp phụ dùng trong công nghệ xử lý ô nhiễm môi trường Bản chất của phương pháp là đốt các chất thải rắn cháy được trong điều kiện thiếu ôxy hoặc không có ôxy hoàn toàn Với những ưu điểm vượt trội mà phương pháp cacbon hoá bằng nhiệt phân có được, các nhà khoa học Viện Công nghệ Môi trường đã tiến hành nghiên cứu công nghệ cacbon hoá để xử lý chất thải rắn đô thị Hà Nội và đã có một số kết quả khả quan cho việc áp dụng vào thực tế

Trong quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học đã thực hiện trên 3 quy mô khác nhau: 10 - 20 g/mẻ, 3 - 5 kg/mẻ và 50 kg/mẻ Các thực nghiệm được tiến hành với một số loại hình chất thải phổ biến như tre, gỗ,vỏ trấu, lõi ngô… Qua quá trình thực nghiệm cacbon hoá các thành phần rác thải đô thị các nhà khoa học đã xác định được hiệu suất thu hồi với các loại hình chất thải khác nhau ở thời gian lưu nhiệt từ 10 - 60 phút ở các giải nhiệt độ 300, 400 và 5000C Hiệu suất thu hồi đối với tre từ 22 - 30% và tương đối ổn định; gỗ đạt từ 15,5 - 25,2%

Vì sản phẩm than thu hồi được định hướng như là nhiên liệu đốt cho công nghiệp và vật liệu làm giá thể sinh học trong xử lý ô nhiễm môi trường Trong

đó, để làm nhiên liệu đốt thì vật liệu khi đốt phải sinh ra nhiệt lượng cao và được đặc trưng bởi thành phần TOC (tổng cacbon hữu cơ) có trong sản phẩm Do đó, các nhà khoa học đã tiến hành phân tích các chỉ tiêu đánh giá chất lượng sản phẩm theo tiêu chí nhiệt năng thông qua chỉ tiêu TOC và nhiệt trị Kết quả cho thấy TOC của các sản phẩm tương đối cao từ 80-90% như của tre, gỗ và lõi ngô Điều này chứng minh cho triển vọng ứng dụng công nghệ cacbon hoá chất thải thành sản phẩm than dùng như nhiên liệu siêu sạch

1.3 Phân tích, đánh giá lựa chọn công nghệ cacbon hoá

Xử lý rác luôn là vấn đề đau đầu của các nhà quản lý môi trường đô thị Đối với các đô thị, chọn công nghệ xử lý rác như thế nào để đạt hiệu quả cao,

Trang 35

không gây nên những hậu quả xấu về môi trường cho tương lai và ít tốn kém luôn là nỗi bức xúc của các nhà chức năng

Việc tái chế các loại chất thải, sử dụng như nguyên liệu phụ cho các ngành sản xuất, còn có giá thành cao và gây ô nhiễm môi trường thứ cấp Ở nước ta hiện nay, do nhiều nguyên nhân, phương pháp xử lý rác được lựa chọn nhiều nhất vẫn là chôn lấp Việc chôn lấp chất thải gây ra hậu quả lâu dài khó có thể kiểm soát được như: ô nhiễm nguồn nước ngầm do nước rác rò rỉ xuống, phát thải khí độc lại đòi hỏi chi phí xử lý rất cao cho việc chống rò rỉ và xử lý khí thải… Đã có nhà máy chế biến phân từ rác thải nhưng xem ra những sản phẩm phân từ rác rất khó tiêu thụ Công nghệ cacbon hóa có thể áp dụng đối với chất thải nông nghiệp (trấu, lõi ngô, xơ dừa…), lâm nghiệp, các nghành chế biến

gỗ Trong khi đó nguyên liệu có nguồn gốc từ nông nghiệp rẻ tiền lại rất dồi dào Theo kết quả nghiên cứu thực nghiệm của việc sản xuất than từ trấu Nhiệt độ cacbon hóa trấu thích hợp từ khoảng 450oC - 520oC Than trấu được hoạt hóa hơi nước trên 700oC, với tỷ lệ hơi/than là 0,09 - 0,3 trong khoảng 1,0 - 2,0 giờ Than hoạt tính trấu thu được có bề mặt riêng 276,68 m2/g Do đó, lựa chọn công nghệ cacbon hoá để xử lý rác thải đô thị là công nghệ có tính khả thi cao Tính

ưu việt của công nghệ này là vốn đầu tư ít hơn so với phương pháp xử lý bằng phương pháp thiêu đốt truyền thống, an toàn với môi trường vì không có khả năng phát thải khí dioxin và furam

Sơ đồ công nghệ cacbon hoá chất thải rắn đô thị, nông nghiệp được đề xuất như sau:

Trang 36

Hình 1.4 Sơ đồ cacbon hóa rác thải sinh hoạt đô thị, nông nghiệp

Mô tả sơ đồ công nghệ được đề xuất: Các chất thải sau khi được thu gom, tiến hành sơ chế, phân loại và nghiền nhỏ Sau đó cho vật liệu vào thùng chứa mẫu đưa vào lò cacbon hoá Quá trình sấy khô và cacbon hoá chất thải xảy ra bên trong lò Khí thải sinh ra được tuần hoàn, và đốt cháy, tạo ra nhiệt vừa tiết kiệm năng lượng xử lý khí thải, hạn chế việc sinh ra các khí độc như dioxin và furam

Khí sạchNhiệt tuần hoàn

Trang 37

Chương 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu

Chất thải đô thị thành phố Hà Nội, các thành phần: tre gỗ, nhựa, giấy, cao

su, vải

Để đảm bảo cho quá trình làm thí nghiệm được đầy đủ và chính xác về tỷ

lệ, các nguồn nguyên liệu được thu nhặt như sau:

Tre gỗ: Được lấy từ tre và mùn cưa của quá trình gia công gỗ Nhựa: Được lấy từ chai, lọ và các phế thải được làm từ nhựa Giấy: Bao gồm giấy viết, bìa caton

Cao su: Được lấy từ các săm xe ô tô, xe máy và xe đạp Vải: Lấy từ quần áo và một số đồ dùng khác từ vải đã được thải bỏ

Thực nghiệm áp dụng công nghệ cacbon hoá theo mô hình thiết kế của Viện Công nghệ Môi trường thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam 2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp thu thập tài liệu

Bằng phương pháp thu thập tài liệu tác giả đã có những thông tin liên quan đến đề tài như sau:

- Lượng phát thải chất thải rắn tại đô thị

- Thành phần có trong chất thải đô thị

- Công nghệ cacbon hoá với các vấn đề liên quan như khả năng ứng dụng của công nghệ trong đời sống thực tế, các ưu- nhược điểm và các tác động đến nhu cầu của hệ thống

- Tình hình nghiên cứu cacbon hoá trên Thế giới và Việt Nam

- Khi áp dụng công nghệ thiêu đốt lượng khí thải ra là vấn đề nhức nhối của các nhà khoa học và các nhà quản lý môi trường bởi tính chất độc hại của

nó Vì thế, việc nghiên cứu thành công công nghệ cacbon hóa là rất quan trọng Công nghệ này góp phần giảm thiểu lượng khí thải độc hại do công nghệ sử dụng ở nhiệt độ thấp nên không tạo ra chất độc hại là dioxin và furan Ngoài ra

Trang 38

công nghệ cũng có bộ lọc xử lý làm giảm độ độc hại của các khí sinh ra trong quá trình cacbon

2.2.2 Phương pháp thực nghiệm

Đây là phương pháp tiến hành thí nghiệm thực tế quá trình cacbon hoá các loại chất thải rắn khó phân huỷ Qua đó tìm ra các thông số, các số liệu thực nghiệm như: thời gian, nhiệt độ, hiệu suất thu hồi sản phẩm, hiệu suất thu hồi cacbon hữu cơ tối ưu nhất, để việc xác định khả năng áp dụng công nghệ vào việc xử lý chất thải rắn

Các loại chất thải được dùng cho quá trình thí nghiệm là: gỗ, nhựa, giấy, cao su, và vải Khối lượng tiến hành thí nghiệm với các loại mẫu 2 - 8g Quá trình cacbon hoá được tiến hành trên thiết bị do Viện Công nghệ Môi trường thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam chế tạo

Trước khi xử lý các loại chất thải đều được phân loại Các thành phần có khả năng cacbon hoá sẽ được đem nghiền nhỏ rồi đưa vào lò cacbon hoá để thu được sản phẩm cuối cùng là “Than sạch”

Quá trình xử lý được thể hiện qua sơ đồ sau:

Hình 2.1 Sơ đồ thực nghiệm quá trình cacbon hoá

Chất thải đô thị

Phân loại

Xử lý sơ bộ (nghiền)

Lò cacbon hoá

Sản phẩm

Trang 39

Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo của thiết bị thí nghiệm

Mô tả quá trình thí nghiệm: Chất thải được đưa vào một cốc sứ chịu nhiệt, sau đó đậy nắp kín và đưa vào lò nung kín bằng điện Tiến hành quá trình cacbon hoá tại các nhiệt độ khác nhau theo giá trị nhiệt kế hiển thị, theo dõi quá trình cacbon hoá theo thời gian và nhiệt độ Sau khi đủ thời gian cacbon hoá, đưa cốc chứa mẫu ra khỏi lò, giữ nguyên nắp đậy, để nguội tự nhiên cho vào lọ chứa mẫu

Trong quá trình cacbon hoá lò nung được đậy nắp kín, khí nóng sinh ra từ hơi nước và các chất dễ bay hơi trong vật liệu, do áp suất bên trong lò cao hơn bên ngoài, khí nóng trong lò sẽ thoát ra ngoài, đồng thời ngăn cản sự xâm nhập ôxi vào trong lò, như vậy ôxi sẽ không tham gia vào quá trình đốt Trong quá trình này, áp suất của lò không được kiểm soát, áp suất hoạt động theo hoạt động

tự nhiên của lò

2.3.3 Phương pháp phân tích, tính toán

Là phương pháp dùng để phân tích, xử lý các kết quả đo được, nhằm xác

định các thông số phục vụ cho mục đích nghiên cứu của đề tài

Cách tính giá trị: Độ ẩm, hiệu suất thu hồi sản phẩm và nhiệt trị

Cốc đựng chất thải

Chất thải

Trang 40

Trong đó: w: là độ ẩm, %

m0: là khối lượng chất thải rắn trước khi sấy, g

mr: là khối lượng chất thải rắn sau khi sấy, g

b Tính hiệu suất thu hồi sản phẩm

Trong đó: xA: là hiệu suất thu hồi sản phẩm, %

m0: khối lượng chất thải rắn trước khi cacbon hoá, g

mT: khối lượng sản phẩm sau khi cacbon hoá, g

c Tính hàm lượng cacbon hữu cơ

Để xác định hàm lượng cacbon hữu cơ trong sản phẩm thu được ta xác định bằng cách đo TOC của sản phảm Kết quả TOC được xác định như sau:

Áp dụng phương pháp đo TOC bằng bộ đo mẫu rắn SSM - 5000A Khi bộ SSM - 5000A được kết nối với máy chính TOC - Vcph của hãng Shimadzu - Nhật Bản sẽ giúp ta đo được tổng cacbon hữu cơ có trong mẫu

Do thành phần IC trong mẫu không quá lớn so với thành phần TOC nên tác giả đã áp dụng theo phương pháp đo như sau:

m TOC = m TC - m IC

Trong đó: mTOC: là khối lượng cacbon hữu cơ, mg

mTC: là khối lượng cacbon tổng, mg

mIC: là khối lượng các chất cặn vô cơ, mg Khi đo với cùng một mẫu ta phải chuẩn bị 2 mẫu có khối lượng giống nhau, một mẫu đem đo để thu kết quả TC, còn mẫu kia đem đo để thu kết quả

IC, sau đó lấy kết quả TC trừ đi kết quả IC ta sẽ được kết quả TOC

Các thông số trước khi đo là:

- Lượng mẫu lấy đo: Với mỗi mẫu là 10 (mg)

- Dụng cụ chứa mẫu đo: Thuyền Ceramic

Định dạng
Số trang	84
Dung lượng	2,43 MB