tính toán thiết kế hệ thống thiết bị khí hóa chất thải rắn hữu cơ cho 500 hộ dân

Và để tận dụng các nguồn nguyên liệu đó em xin trình bày đề tài “Tính toán thiết kế hệ thống thiết bị khí hóa chất thải rắn hữu cơ cho 500 hộ dân.” Với mong muốn tận dụng nguồn rác thải

Tp.HCM, Ngày…Tháng…Năm 2018

TS ĐINH SỸ KHANG

Tp.HCM, Ngày…Tháng…Năm 2018

GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii

DANH MỤC HÌNH viii

DANH MỤC BẢNG ix

TÓM TẮT 1

MỞ ĐẦU 3

1 ĐẶT VẤN ĐỀ 3

2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG, GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 3

3 Ý NGHĨA KHOA HỌC, Ý NGHĨA THỰC TIỄN, TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 6

1.1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH RÁC THẢI HIỆN NAY 6

1.1.1 Tình hình rác thải hiện nay trên cả nước 6

1.1.2 Tình hình chất thải rắn tại Tp.HCM 7

1.2 THÀNH PHẦN CHẤT THẢI RẮN 7

1.3 NGUỒN PHÁT SINH VÀ TÁC ĐỘNG CỦA CHẤT THẢI RẮN 9

1.3.1 Nguồn phát sinh chất thải rắn 9

1.3.2 Tác động của chất thải rắn 10

1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN HIỆN NAY 11

1.4.1 Chôn lấp 11

1.4.2 Phương pháp đốt 13

1.4.3 Nhiệt phân 14

1.4.4 Khí hóa 17

1.5 CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA 19

1.5.2 Giới thiệu Công nghệ khí hóa tầng sôi 23

1.6 LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA 24

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÍ THUYẾT 25

2.1 CƠ CHẾ CỦA CÁC PHẢN ỨNG CHÍNH TRONG QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA.25 2.1.1 Cơ chế phản ứng C + H2O 25

2.1.2 Cơ chế phản ứng C + CO2 26

2.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA 28

2.2.1 Ảnh hưởng của áp suất 28

2.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ 28

2.2.3 Ảnh hưởng của kích thước hạt sinh khối 28

2.2.4 Ảnh hưởng của tro 28

2.2.5 Ảnh hưởng của nguyên liệu 29

CHƯƠNG 3 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 30

3.1 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 30

3.2 NĂNG LƯỢNG SINH RA SAU KHI KHÍ HÓA 33

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ DÂY CHUYỀN KHÍ HÓA RÁC THẢI HỮU CƠ 37

4.1 SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ 37

4.2 LỰA CHỌN VÀ TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ 38

4.3 THỜI GIAN KHÍ HÓA 39

4.4 TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚT CỦA THIẾT BỊ KHÍ HÓA 39

4.4.1 Tinh đường kính của thiết bị D 39

4.4.2 Tính chiều cao của thiết bị H 39

4.4.3 Lưu lượng không khí cần cung cấp để khí hóa sinh khối 40

4.4.5 Tính toán, thiết kế phần thân thiết bị khí hóa 40

4.4.6 Xác định độ dày lớp bông gốm cách nhiệt 43

4.5 ỐNG DẪN KHÍ VÀO 45

4.6 ỐNG DẪN SẢN PHẨM KHÍ RA 46

4.7 PHỄU NẠP LIỆU 46

4.8 THÙNG CHỨA TRO 46

4.9 CHU VI CỦA VẬT LIỆU THÉP 47

4.10 MỐI GHÉP BÍCH 47

4.11 CHÂN ĐỠ VÀ TAI TREO 49

4.11.1 Khối lượng thân tháp 49

4.11.2 Khối lượng bích nối thân 49

4.11.3 Khối lượng bích nối ống dẫn khí với thân 49

4.11.4 Khối lượng bông thủy tinh cách nhiệt 50

4.11.5 Khối lượng phễu nhập liệu 50

4.11.6 Khối lượng thùng chứa tro 51

4.11.7 Khối lượng nắp thiết bị 51

4.11.8 Khối lượng toàn thiết bị 51

4.11.9 Chân đỡ 52

4.11.10 Tai Treo 53

4.12 BẢN LỀ 54

CHƯƠNG 5 THIẾT BỊ PHỤ TRỢ 55

5.1 TÍNH TOÁN CYCLON 55

5.2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP HẤP THỤ KHÍ SO2 56

5.2.1 Cân bằng vật chất và năng lượng 57

5.2.3 Tính trở lực 63

5.2.4 Tính bề dày thân tháp 65

5.2.5 Chiều dày đáy, nắp 67

5.2.6 Tính ống dẫn lỏng, ống dẫn khí 68

5.2.7 Tính mối ghép bích 69

5.2.8 Chân đỡ tai treo 71

5.3 LỰA CHỌN THIẾT BỊ PHỤ TRỢ 76

5.3.1 Thiết bị mồi lửa 76

5.3.2 Thiết bị thổi không khí 77

5.3.3 Tính toán, lựa chọn bơm 77

5.3.4 Tính toán, lựa chọn quạt 81

5.3.5 Lựa chọn máy phát điện bằng khí Syngas 85

KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 86

KẾT LUẬN 86

KIẾN NGHỊ 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

PHỤ LỤC 88

Hình 1 1 Sơ đồ công nghệ chôn lấp rác thải hữu cơ 12

Hình 1 2 Lò đốt chất thải rắn hữu cơ 14

Hình 1 3 Lò nhiệt phân rác thải hữu cơ 17

Hình 1 4 Khí Hóa Kiểu Updraft, Downdraft và Crossdraft 19

Hình 1 5 Thiết bị Updraft Gasifier 20

Hình 1 6 Thiết bị Downdraft Gasifier 21

Hình 1 7 Thiết bị Crossdraft Gasifier 22

Hình 1 8 Công nghệ khí hóa tầng sôi 24

Hình 3 1 Các dòng năng lượng trong quá trình khí hóa 34

Hình 4 1 Sơ đồ dây chuyền sản xuất năng lượng sinh khối 37

Hình 4 2 Phía trong phần thân thiết bị khí hóa 40

Hình 4 3 Phần vỏ phía ngoài thân thiết bị 42

Hình 4 4 Bông gốm Ceramic 43

Hình 4 5 Bề dày lớp Bông gốm Ceramic 44

Hình 4 6 Chân thép đối với thiết bị thẳng đứng 52

Hình 4 7 Tai treo thiết bị thẳng đứng 53

Hình 4 8 Bản lề 54

Hình 5 1 Các kích thướt của Cyclon 56

Hình 5 2 Đường cân bằng và đường làm việc 58

Hình 5 3 Chân thép đối với thiết bị thẳng đứng 74

Hình 5 4 Tai treo thiết bị thẳng đứng 76

Hình 5 5 Đầu đốt RS 34/E MZTC FS1 77

Hình 5 6 Thiết bị thổi không khí 77

Hình 5 7 Máy bơm công suất 15W 81

Hình 5 8 Quạt ly tâm công suất 100W 85

Bảng 1 1 Chất thải rắn phát sinh năm 2009-2015 và dự kiến đến năm 2025 6

Bảng 1 2 Chất thải rắn phát sinh năm 2009-2015 và dự kiến đến năm 2025 7

Bảng 1 3 Thành phần chất thải rắn phát thải năm 2010 8

Bảng 1 4 Khối lượng từng thành phần rác thải hữu cơ có thể khí hóa 9

Bảng 3 1 Giá trị nhiệt lớn nhất (HHV) và giá trị nhiệt thấp nhất (LHV) của các sản phẩm khí ra 30

Bảng 3 2 Thành phần % sản phẩm khí ra 30

Bảng 3 3 Khối lượng riêng của nguyên liệu 31

Bảng 3 4 Phần trăm khối lượng của từng nguyên liệu khí hóa 32

Bảng 3 5 Thành phần % C, H, O, S, N, tro của nguyên liệu 32

Bảng 3 6 Nhiệt dung riêng của các chất khí 35

Bảng 4 1 Thành phần các chất trong không khí 38

Bảng 4 2 Thành phần % và khối lượng tro của nhiên liệu 46

Bảng 4 3 Các kích thướt của chân đỡ thiết bị khí hóa 52

Bảng 4 4 Các kích thướt tai treo thiết bị khí hóa 53

Bảng 5 1 Số liệu đường cân bằng 58

Bảng 5 2 Số liệu tích phân 62

Bảng 5 3 Các kích thướt chân đỡ tháp hấp thụ 75

Bảng 5 4 Các kích thướt tai treo tháp hấp thụ 76

TÓM TẮT

Cùng với sự phát triển kinh tế, gia tăng dân số và sự lãng phí tài nguyên trong thói quen sinh hoạt của con người, lượng rác thải ngày một tăng, thành phần ngày càng phức tạp và tiềm ẩn ngày càng nhiều nguy cơ độc hại với môi trường và sức khỏe con người

Ở các thành phố, thị xã việc thu gom xử lý rác thải đã có Công ty Môi trường đô thị đảm nhiệm Tuy nhiên, ở nông thôn thì chưa mấy nơi có điều kiện làm được như vậy Tình hình chung hiện nay là từng gia đình tự xử lý lấy tùy thuộc vào nhận thức và điều kiện của từng người Một số gia đình ở gần sông hồ hoặc có mương nước đi qua thì lợi dụng đêm tối đem rác vứt xuống Nhiều gia đình thì gom rác vào các bao bì rồi chở đi đổ vào một nơi nào đó xa nhà Những địa điểm đổ rác của các xóm, làng, các cụm dân cư hiện nay là rất tùy tiện Đi dọc hai bờ một số dòng sông và các đường quốc lộ, các đường liên huyện… sẽ bắt gặp nhiều điểm đổ rác rất ô nhiễm

Việc phát sinh chất thải rắn ngày một gia tăng, nếu không có biện pháp xử lý hiệu quả sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng nước, đất và không khí xung quanh Đặc biệt hơn, nếu lượng nước rỉ rác bị rò rỉ sẽ làm ô nhiễm đến mực nước

ngầm Vấn đề ô nhiễm amoni ở tầng nông (nước dưới đất) cũng là hậu quả một phần

của nước rỉ rác Việc quản lý và xử lý chất thải rắn không hợp lý không những gây ô nhiễm môi trường mà còn ảnh hưởng rất lớn tới sức khoẻ con người, đặc biệt đối với người dân sống gần khu vực làng nghề, khu công nghiệp, bãi chôn lấp chất thải Người dân sống gần bãi rác không hợp vệ sinh có tỷ lệ mắc các bệnh da liễu, viêm phế quản, đau xương khớp cao hơn hẳn những nơi khác Trong khi đó, chất thải rắn hữu cơ

có thể khí hóa: rơm rạ, giấy, carton, ni lông, nhựa, vải, gỗ, cao su là khá lớn thay vì chỉ chôn lấp hay đốt như trước đây Và để tận dụng các nguồn nguyên liệu đó em xin trình

bày đề tài “Tính toán thiết kế hệ thống thiết bị khí hóa chất thải rắn hữu cơ cho

500 hộ dân.” Với mong muốn tận dụng nguồn rác thải hữu cơ khá lớn này tạo ra khí

syngas đốt tạo ra điện phục vụ cho nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng của người dân

Thay vì chỉ chôn lấp hay đốt như trước đây sẽ gây ra nhiều ảnh hưởng xấu đến

môi trường, sức khỏe, kinh tế, xã hội với giải pháp thiết kế hệ thống thiết bị khí hóa chất thải rắn hữu cơ sẽ khắc phục được những nhược điểm trên còn sinh ra khí

syngas phục vụ cho nhu cầu sử dụng năng lượng của con người đây cũng là tính mới của đề tài

Đồ án tốt nghiệp bao gồm những nội dung chính như sau:

Mở Đầu

Chương 1 Tổng Quan

Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết

Chương 3 Cân Bằng Vật Chất Và Năng Lượng

Chương 4 Tính Toán Thiết Kế Dây Chuyền Khí Hóa Rác Thải Hữu Cơ

Chương 5 Tính Toán, Lựa Chọn Thiết Bị Phụ Trợ

Kết Luận Và Kiến Nghị

Tài Liệu Tham Khảo

Phụ Lục

MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Phát triển kinh tế luôn đi kèm với tiêu thụ năng lượng gia tăng; giao thông chuyển từ những phương tiện thô sơ sang phương tiện sử dụng nhiều nhiêu liệu; đèn dầu sang đèn điện, … 80% năng lượng đó được cung cấp bởi nhiên liệu hóa thạch Tuy nhiên lượng nhiên liệu hóa thạch cần thời gian rất lâu để hình thành, vì thế việc cạn kiệt năng lượng hóa thạch đang là một vấn đề rất được quan tâm ở mức toàn cầu Tại Việt Nam, với sự phát triển liên tục của kinh tế và công nghệ, tiêu chuẩn sống con người cũng tăng lên và vì thế tiêu thụ nhiều năng lượng hơn Yêu cầu về năng lượng được ước tính tăng hàng năm vào mức 3,9% tương đương với 38 triệu tấn dầu trong năm 2008 và 109 triệu tấn dầu trong năm 2030 Trong khi đó chất thải rắn hữu cơ có thể khí hóa: rơm rạ, giấy, carton, ni lông, nhựa, vải, gỗ, cao su

là khá lớn thay vì chỉ chôn lấp hay đốt như trước đây

Việc đốt rác thải hữu cơ tồn tại một số nhược điểm như: Chi phí đầu tư và bảo trì cao, khí thải và tro cần phải xử lý sau khi đốt,…Với việc chôn lấp nhiên liệu này thì đạt hiệu suất thấp và ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường: tốn nhiều diện tích, phát sinh ô nhiễm cho mạch nước ngầm và không khí, chi phí xử lý ô nhiễm phát sinh cao,…Nên phương pháp đốt và chôn lấp chỉ là giải pháp tạm thời, không mang tính bền vững Công nghệ khí hóa rác thải hữu cơ là một công nghệ đầy tiềm năng để tận dụng nguồn sinh khối này tạo khí syngas phục vụ nhu cầu sử dụng năng lượng

ngày càng tăng của người dân Với mong muốn đó em tiến hành đề tài “Tính toán thiết kế hệ thống thiết bị khí hóa chất thải rắn hữu cơ cho 500 hộ dân.”

2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG, GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

Mục tiêu của đề tài

 Tính toán, thiết kế hệ thống thiết bị khí hóa chất thải rắn hữu cơ cho 500 hộ dân sinh khí Syngas đốt tạo ra điện

Đối tượng của đề tài

 Xử lý chất thải rắn hữu cơ bằng công nghệ khí hóa, khí syngas sinh ra đốt tạo

ra điện

Nội dung và phương pháp của đề tài

 Bảng số liệu thành phần rác hữu cơ có thể khí hóa Phương pháp thống kê số

liệu từ Sở Tài nguyên và Môi trường Tp.HCM, Báo cáo cơ sở dữ liệu quản lý chất thải rắn 2010

 Đề xuất phương pháp xử lý chất thải rắn hữu cơ “Tính toán thiết kế hệ thống

thiết bị khí hóa chất thải rắn hữu cơ cho 500 hộ dân sinh khí Syngas đốt

tạo ra điện” với thiết bị khí hóa tầng cố định Upcraft Dây chuyền hoạt động

theo mẻ, gián đoạn Phương pháp phân tích thành phần rác hữu cơ có thể khí hóa, ưu nhược điểm của công nghệ khí hóa tầng cố định

 Tính toán thiết kế hệ thống thiết bị khí hóa chất thải rắn hữu cơ để tạo ra khí Syngas Phương pháp tính toán thiết kế: Tính các kích thướt của thiết bị khí hóa: đường kính, chiều cao, thể tích, bề dày bôm gốm ceramic cách nhiệt,… tính toán Cyclone và thiết bị hấp thụ khí SO2; tính toán, lựa chọn thiết bị phụ trợ: bơm, quạt, thiết bị mồi lửa, thiết bị thổi không khí dựa vào Sổ tay quá trình

và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1, tập 2, Perry’s Chemical Engineer’s Handbook

Giới hạn của đề tài

 Tính toán thiết kế hệ thống thiết bị khí hóa chất thải rắn hữu cơ cho 500 hộ dân sinh khí Syngas đốt tạo ra điện

 Tính toán, lựa chọn thiết bị phụ trợ: bơm, quạt, thiết bị mồi lửa, thiết bị thổi không khí

 Tính toán tháp hấp thụ khí SO2 sau quá trình khí hóa bằng tháp mâm xuyên lỗ

có ống chảy chuyền

 Vẽ bản vẽ sơ đồ dây chuyền sản xuất khí Syngas từ rác thải hữu cơ của 500 hộ dân, thiết bị khí hóa Upcraft, bản vẽ tháp hấp thụ SO2 sau quá trình khí hóa bằng tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền

3 Ý NGHĨA KHOA HỌC, Ý NGHĨA THỰC TIỄN, TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI

Ý nghĩa khoa học của đề tài

 Áp dụng công nghệ khí hóa chất thải rắn hữu cơ để tạo ra khí Syngas

 Khí syngas sinh ra đốt tạo ra điện phục vụ cho người dân

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

 Tạo ra hệ thống thiết bị khí hóa rác thải hữu cơ cho 500 hộ dân, sinh khí Syngas đốt tạo ra điện phục vụ nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng của người dân, vận hành, áp dụng vào đời sống thực tế biến rác thải hữu cơ thành năng

lượng, góp phần vào công cuộc bảo vệ môi trường, phát triển bền vững

Tính mới của đề tài

 Phương pháp xử lý chất thải rắn hữu cơ bằng công nghệ khí hóa, tạo khí syngas để phát điện

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH RÁC THẢI HIỆN NAY

1.1.1 Tình hình rác thải hiện nay trên cả nước

Việt Nam đang bước vào giai đoạn Công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, cùng với sự gia tăng dân số một cách nhanh chóng là những nguyên nhân chính dẫn tới lượng chất thải sinh ra ngày một gia tăng Do tốc tộ phát triển kinh tế - xã hội và khả năng đầu tư có hạn, việc quản lý chưa chặt chẽ cho nên công tác quản lý tại các khu đô thị, các nơi tập trung dân số đông, các khu công nghiệp, mức độ ô nhiễm do chất thải rắn gây ra ngày một nghiêm trọng hơn Lượng chất thải rắn tại các đô thị ở nước ta đang có xu hướng ngày một gia tăng, tính trung bình mỗi năm tăng khoảng 10% Theo kết quả điều tra mới đây cho thấy, lượng chất thải rắn đô thị chủ yếu phát sinh mạnh ở hai thành phố lớn là Hà Nội và Tp Hồ Chí Minh Chỉ tính riêng lượng chất thải rắn phát sinh ở hai thành phố này, lượng chất thải rắn phát sinh hằng ngày lên tới 8,000 tấn/ngày (tương đương 2,920,000 tấn/năm) Nó chiếm hơn 45% tổng lượng chất thải rắn phát sinh từ tất cả các đô thị Tính theo vùng kinh tế - xã hội thì các đô thị nằm trong vùng Đông Nam Bộ có lượng chất thải rắn phát sinh lớn nhất tới 2,450,245 tấn/năm (chiếm tới 37.94%) Tiếp theo là các đô thị nằm trong vùng Đồng bằng Sông Hồng có lượng chất thải rắn phát sinh hằng năm là 1,622,060 tấn/năm (chiếm 25.12%) Tiếp đến là các đô thị nằm trong vùng núi Tây Nguyên có lượng phát sinh 237,350 tấn/năm (chiếm 3.68%) và vùng núi Tây Bắc Bộ 69,350 tấn/năm (chiếm 1.07%) [Nguồn Báo cáo môi trường quốc gia năm 2011 - Chất Thải Rắn]

Với kết quả điều tra thống kê từ Bảng 1 1 Chất thải rắn phát sinh năm

2009-2015 và dự kiến đến năm 2025 cho thấy tổng lượng phát sinh chất thải rắn sinh hoạt

tại các đô thị ở nước ta ngày càng gia tăng với tỷ lệ tương đối cao (10%/năm) so với các nước phát triển trên thế giới Tổng lượng phát sinh chất thải rắn sinh hoạt tại các

đô thị loại III trở lên và một số đô thị loại IV lên khoảng 6.5 triệu tấn/năm (năm 2004: Tổng lượng chất thải sinh hoạt của tất cả các đô thị Việt Nam là 6,4 triệu tấn/năm)

Dự báo tổng đến năm 2020 khoảng gần 22 triệu tấn/năm Để quản lý tốt nguồn chất thải này, đòi hỏi các cơ quan chức năng cần đặc biệt quan tâm hơn nữa Tổng khối lượng chất thải rắn đô thị phát sinh vào khoảng 8,700 ÷ 8,900 tấn/ngày, trong đó, chất thải rắn xây dựng (xà bần) chiếm khoảng 1,200 ÷ 1,500 tấn/ngày và chất thải rắn sinh hoạt trung bình từ 6,200 ÷ 6,700 tấn/ngày Ước tính tỷ lệ gia tăng khoảng 8 ÷ 10%/năm Một số loại chất thải rắn đô thị như: rác khu thương mại, xà bần, rác công nghiệp trước đây ít thì những năm gần đây có mức độ gia tăng (khối lượng và thành

phần chất thải) ngày càng cao [Nguồn Báo cáo môi trường quốc gia năm 2011 - Chất Thải Rắn]

Bảng 1 2 Chất thải rắn phát sinh năm 2009-2015 và dự kiến đến năm 2025

Dân số đô thị (triệu người) 25.50 26.22 35.00 44.00 52.00

Phần trăm (%) dân số đô thị

– Rác thương nghiệp chiếm tỉ trọng 12% tổng lượng rác

Thành phần chủ yếu trong chất thải rắn đô thị là chất hữu cơ (rác thực phẩm), chiếm tỷ

lệ khá cao từ 60 - 75% / tổng khối lượng chất thải

1.2 THÀNH PHẦN CHẤT THẢI RẮN

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%; chất

thải nguy hại bị thải lẫn vào chất thải sinh hoạt nhỏ hơn 1% Theo Bảng 1.1 Chất thải rắn phát sinh năm 2009-2015 và dự kiến đến năm 2025 một người thải ra trung

bình 1.2 kg rác thải, ước tính mỗi hộ gia đình có 4 thành viên, vậy mỗi ngày một hộ thải ra 4.8 kg rác thải, tính cho 500 hộ sẽ thải ra 2400kg rác thải

Bảng 1 3 Thành phần chất thải rắn phát thải năm 2010

20 Bông băng, tã giấy 0.90 ÷ 1.10 0.50 ÷ 0.90

21 Chất thải nguy hại (giẻ lau dính

dầu, bóng đèn huỳnh quang)

0.10 ÷ 0.20 0.10 ÷ 0.20

23 Vi Sinh (% theo khối lƣợng khô) 81.70 ÷ 82.40 81.70 ÷ 82.40

Nguồn: Sở Tài nguyên và Môi trường Tp.HCM, Báo cáo cơ sở dữ liệu quản lý chất thải rắn

2010

Dựa vào Bảng 1.2 Thành phần chất thải rắn phát thải năm 2010 ta ước tính được

khối lượng của từng thành phần rác thải hữu cơ có thể khí hóa

Bảng 1 4 Khối lượng từng thành phần rác thải hữu cơ có thể khí hóa

1.3 NGUỒN PHÁT SINH VÀ TÁC ĐỘNG CỦA CHẤT THẢI RẮN

1.3.1 Nguồn phát sinh chất thải rắn

Chất thải rắn phát sinh chủ yếu từ các nguồn sau:

– Từ khu dân cư: Bao gồm các khu dân cư tập trung, những hộ dân cư tách rời Nguồn rác thải chủ yếu là: thực phẩm dư thừa, thuỷ tinh, gỗ, nhựa, cao su còn

có một số chất thải nguy hại

– Từ các họat động thương mại: Quầy hàng, nhà hàng, chợ, văn phòng cơ quan, khách sạn Các nguồn thải có thành phần tương tự như đối với các khu dân cư (thực phẩm, giấy, catton )

– Các cơ quan, công sở: trường học, bệnh viện, các cơ quan hành chính: lượng rác thải tương tự như đối với rác thải dân cư và các hoạt động thương mại nhưng khối lượng ít hơn

– Từ xây dựng: xây dựng mới nhà cửa, cầu cống, sửa chữa đường xá, dỡ bỏ các công trình cũ Chất thải mang đặc trưng riêng trong xây dựng: sắt thép vụn,

gạch vỡ, các sỏi, bê tông, các vôi vữa, xi măng, các đồ dùng cũ không dùng nữa

– Dịch vụ công cộng của các đô thị: vệ sinh đường xá, phát quan, chỉnh tu các công viên, bãi biển và các hoạt động khác Rác thải bao gồm cỏ rác, rác thải từ việc trang trí đường phố

– Từ các hoạt động sản xuất công nghiệp: bao gồm chất thải phát sinh từ các hoạt động sản xuất công nghiệp và tiểu thủ công, quá trình đốt nhiên liệu, bao bì đóng gói sản phẩm Nguồn chất thải bao gồm một phần từ sinh hoạt của nhân viên làm việc

– Từ các hoạt động sản xuất nông nghiệp: nguồn chất thải chủ yếu từ các cánh đồng sau mùa vụ, các trang trại, các vườn cây Rác thải chủ yếu thực phẩm dư thừa, phân gia súc, rác nông nghiệp, các chất thải ra từ trồng trọt, từ quá trình thu hoạch sản phẩm, chế biến các sản phẩm nông nghiệp

[Nguồn: Báo cáo môi trường quốc gia năm 2011 - Chất Thải Rắn]

1.3.2 Tác động của chất thải rắn

 Tác động đến môi trường

Việc phát sinh chất thải rắn ngày một gia tăng, nếu không có biện pháp xử lý hiệu quả sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng nước, đất và không khí xung quanh Đặc biệt hơn, nếu lượng nước rỉ rác rò rỉ làm ô nhiễm đến mực nước ngầm, ví

dụ ở bãi rác Đa Phước mặc dù sử dụng công nghệ chống thấm hiện đại nhưng vẫn là nguồn gây ô nhiễm rạch Ráng, rạch Bún Seo và rạch Ngã Cậy; nước trong rạch chuyển sang màu xanh, đục và hôi; mùi hôi và ruồi muỗi ảnh hưởng trên một phạm vi rộng, nhất là vào những ngày mưa; tôm cá cũng không còn Vấn đề ô nhiễm amoni ở tầng

nông (nước dưới đất) cũng là hậu quả một phần của nước rỉ rác

 Tác động đến sức khỏe người dân

Việc quản lý và xử lý chất thải rắn không hợp lý không những gây ô nhiễm môi trường mà còn ảnh hưởng rất lớn tới sức khoẻ con người, đặc biệt đối với người dân sống gần khu vực làng nghề, khu công nghiệp, bãi chôn lấp chất thải Người dân sống gần bãi rác không hợp vệ sinh có tỷ lệ mắc các bệnh da liễu, viêm phế quản, đau xương khớp cao hơn hẳn những nơi khác

 Tác động đối với kinh tế-xã hội

Chi phí xử lý chất thải rắn ngày càng lớn Trong 5 năm qua, lượng chất thải rắn của cả nước nói chung và thành phố Hồ Chí Minh nói riêng ngày càng gia tăng Chi phí thu gom, vận chuyển và xử lý chất thải rắn vì thế cũng tăng lên, chưa kể đến chi phí xử lý ô nhiễm môi trường liên quan đến chất thải rắn Các chuyên gia về kinh tế cho rằng, với điều kiện kinh tế hiện nay (năm 2011) thì mức phí xử lý rác là 17 - 18

USD/tấn chất thải rắn dựa trên các tính toán cơ bản về tổng vốn đầu tư, chi phí vận hành, chi phí quản lý, khấu hao, lạm phát

Chi phí xử lý chất thải rắn tuỳ thuộc vào công nghệ xử lý: mức chi phí xử lý cho công nghệ hợp vệ sinh là 115,000đ/tấn – 142,000đ/tấn và chi phí chôn lấp hợp vệ sinh

có tính đến thu hồi vốn đầu tư 219,000 – 286,000đ/tấn Thành phố Hồ Chí Minh có tổng chi phí hàng năm cho thu gom, vận chuyển, xử lý chất thải rắn sinh hoạt khoảng 1,200 – 1,500 tỷ VNĐ Chi phí xử lý đối với công nghệ xử lý rác thành phân vi sinh khoảng 150,000đ/tấn – 290,000đ/ tấn, tại Thành phố Hồ Chí Minh là 240,000đ/tấn; Chi phí đối với công nghệ chế biến rác thành viên đốt được ước tính khoảng 230,000đ/tấn – 270,000đ/tấn

Thành phố Hồ Chí Minh đang chịu nặng gánh chi phí xử lý rác Theo tính toán chi phí xây dựng, vận hành ở bãi rác Phước Hiệp (đã đóng cửa) thì giá thành xử lý mỗi tấn rác khoảng 20 USD Trong đó, chi phí xây dựng khoảng 160,000 đồng -180,000 đồng/tấn, chi phí xử lý nước rỉ rác khoảng 90,000 đồng/m³, chi phí giám sát chất lượng môi trường khoảng 10,000 đồng/tấn, chi phí bảo trì khoảng 30,000 đồng/ tấn (ước tổng kinh phí là 430,000 đồng/tấn, tương đương 20 USD/tấn) Như vậy, chỉ tính riêng ở Phước Hiệp, mỗi ngày thành phố đã phải tốn đến 60,000 USD tiền xử lý rác Tại Đa Phước, khoảng 48,000 USD Đây thực sự là một gánh nặng cho thành phố trong bối cảnh khủng hoảng kinh tế [Nguồn Báo cáo môi trường quốc gia năm 2011 - Chất Thải Rắn]

1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN HIỆN NAY

1.4.1 Chôn lấp

 Mục đích:

Chất thải rắn được chuyển đến các công trường xử lý với công nghệ chôn lấp hợp

vệ sinh nhằm đảm bảo không gây tác động nguy hại đối với môi trường đất, nước mặt, nước ngầm và không khí, không ảnh hưởng đến đời sống cộng đồng dân cư nói chung

và khu vực dự án nói riêng trong suốt thời gian tồn tại của bãi rác kể cả sau khi đóng bãi

 Công nghệ:

Trong các phương pháp xử lý và tiêu huỷ chất thải rắn trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng, chôn lấp là phương pháp phổ biến và đơn giản nhất Phương pháp này đã được áp dụng rộng rãi ở hầu hết các nước trên thế giới Về thực chất, chôn lấp là phương pháp lưu giữ chất thải trong một khu vực và có phủ đất lên trên Hố chôn lấp chất thải rắn được xây dựng và lắp đặt lớp lót đáy toàn bộ bãi rác bằng vật liệu chống thấm để ngăn chặn khả năng gây ô nhiễm nguồn nước ngầm và nước mặt

do hiện tượng thấm theo chiều thẳng đứng, thấm ngang của nước rỉ rác Trong suốt

quá trình hoạt động, rác được chuyển từ sàn trung chuyển vào ô chôn lấp và đổ theo từng lớp, được san ủi, đầm nén theo đúng quy trình kỹ thuật và phủ lớp phủ trung gian nhằm giảm thiểu mùi hôi, tránh phát sinh ruồi, côn trùng và tách nước mưa Nước rò rỉ của bãi chôn lấp được thu gom bằng hệ thông ống thu lắp đặt tại đáy bãi và bơm về nhà máy xử lý nước rác với công nghệ thích hợp Hệ thống ống thu khí bãi chôn lấp được thi công và lắp đặt từ đầu và hoàn thiện theo quá trình vận hành bãi chôn lấp bảo đảm việc thu gom toàn bộ khí thoát ra từ bãi chôn lấp nhằm chiết xuất gas phục vụ sản xuất điện và xử lý loại bỏ các khí độc hại gây ô nhiễm gây hiệu ứng nhà kính và nguy

 Phát sinh ô nhiễm cho mạch nước ngầm và không khí

 Chi phí xử lý ô nhiễm phát sinh cao

Chôn lấp chất trơ Đóng bao phân

Sàng xử lý Lên men 8-10 tuần Đánh luống

Bổ sung vi sinh Nghiền rác hữu cơ

Tiếp nhận rác Loại bỏ tạp chất

Hình 1 1 Sơ đồ công nghệ chôn lấp rác thải hữu cơ

1.4.2 Phương pháp đốt

 Giới thiệu

Thiêu đốt là quá trình xử lý chất thải ở nhiệt độ cao Thiêu đốt ở nhiệt độ cao chất thải được xử lý triệt để, đảm bảo loại trừ các độc tính, có thể giảm thiểu thể tích rác đến 90-95% và tiêu diệt hoàn toàn vi khuẩn gây bệnh Phương pháp này đáp ứng tất cả các tiêu chí về tiêu hủy an toàn ngoại trừ việc phát thải ra các khí thải cần được

xử lý nên đây có thể coi là phương pháp xử lý triệt để nhất so với các phương pháp xử

lý chất thải rắn khác Do chất thải được ôxy hoá nhiệt độ cao với sự có mặt của ôxy trong không khí nên các thành phần rác độc hại được chuyển hoá thành khí thải và các thành phần không cháy được tạo thành tro, xỉ Phương pháp này khá phổ biến trên thế giới hiện nay để xử lý chất thải rắn nói chung và đặc biệt là đối với chất thải nguy hại công nghiệp, chất thải nguy hại y tế nói riêng Xử lý chất thải bằng phương pháp thiêu đốt có ý nghĩa quan trọng là làm giảm thể tích tới mức nhỏ nhất cho khâu xử lý cuối cùng là đóng rắn hoặc tái sử dụng tro, xỉ

 Mô tả công nghệ:

Các loại chất thải cần đốt sẽ được đưa vào lò đốt theo từng mẻ, nhiên liệu sử dụng để đốt là dầu DO Tại lò đốt sơ cấp nhiên liệu sẽ được phun vào lò đốt qua béc đốt để đốt cháy các chất thải và luôn duy trì nhiệt độ trong lò đốt ở nhiệt độ (550˚C – 650˚C) Khí sinh ra sau khi đốt từ lò đốt sơ cấp sẽ được dẫn qua lò đốt thứ cấp nhằm đốt cháy các thành phần còn lại trong khí thải ở nhiệt độ cao hơn (khoảng 1000˚C – 1.200˚C) Tương tự như lò đốt sơ cấp, trong lò thứ cấp nhiên liệu dầu DO cũng được phun vào nhằm duy trì nhiệt độ trong lò đốt Khí sinh ra từ lò đốt chất thải sẽ được dẫn qua thiết bị trao đổi nhiệt nhằm giảm nhiệt độ xuống dưới 300˚C để tránh sự hình thành các độc chất Dòng khí sau khi hạ nhiệt độ sẽ được dẫn qua thiết bị hấp thụ, bên trong có các lớp đệm vòng sứ Nhờ quá trình tiếp xúc giữa pha khí và pha lỏng (dung dịch NaOH) các thành phần khí acid như: HCl, HF, COx, SOx, NOx, bụi sẽ được loại

bỏ ra khỏi khí thải trước khi xả thải ra môi trường qua ống khói cao 20m Phần dung dịch hấp thụ được tuần hoàn lại và được bổ sung NaOH thường xuyên nhằm đảm bảo đúng nồng độ Theo định kỳ phần dung dịch sẽ được xả thải vào hệ thống xử lý nước thải và thay thế bằng dung dịch mới Nhiệt lượng sinh ra từ quá trình xử lý được tận dụng để sấy khô các loại chất thải và bùn thải nhằm hạn chế việc phát thải nhiệt ra ngoài môi trường và cặn tro sinh ra từ quá trình đốt sẽ được tiến hành hóa rắn trước khi chôn lấp an toàn

Hình 1 2 Lò đốt chất thải rắn hữu cơ

 Ưu điểm

 Tận dụng được nhiệt cho lò hơi, lò sưởi, máy phát điện

 Xử lý gần như toàn bộ, tiết kiệm diện tích

 Triệt để gần như các thành phần độc hại dạng rắn, giảm tối đa thể tích

 Chất thải có thể được biến thành những chất trung gian có giá trị, có thể tái chế hoặc thu hồi năng lượng

 Nhược điểm

 Chi phí đầu tư cao và bảo trì cao so với các phương pháp khác

 Rác cần có nhiệt trị cao

 Khí thải và tro cần phải xử lý sau khi đốt

 Gặp khó khăn do thành phần rác có thể thay đổi

là do sự phân hoá hydrocacbon đến cacbon tự do Sản phẩm cuối cùng của quá trình

nhiệt phân biến đổi chất thải rắn là các chất rắn, lỏng, và khí bao gồm H2, CO, khí axit, tro

Tóm lại, quá trình nhiệt phân là quá trình thu nhiệt và tốc độ nhiệt phân phụ thuộc vào nhiệt độ, thành phần, cấu trúc chất thải và chế độ cấp khí Với công nghệ đốt nhiệt phân, nhiệt trị của chất thải rắn không phải là yếu tố quan trọng mà nhiệt hoá học

có vai trò quan trọng hơn Khi nhiệt phân, chất thải sinh ra khí gas mà khí gas này sẽ cháy sinh ra nhiệt Phản ứng nhiệt phân chất thải rắn được mô tả một cách tổng quát

như sau: Chất thải  Các chất bay hơi hay khí gas + cặn Trong đó: khí gas bao

gồm CxHy , H2, COx, NOx, SOx và hơi nước Cặn rắn: cacbon cố định và tro Quá trình nhiệt phân thuần tuý (hoàn toàn không có oxy) đòi hỏi phải có sự cấp nhiệt cho hệ phản ứng Nhiệt độ bắt đầu quá trình nhiệt phân của một số chất: than non từ 300 400˚C, gỗ từ 225  325˚C, lignin từ 300  500˚C nhiệt độ bắt đầu cháy khí gas từ 400

 600˚C

 Nguyên lý vận hành quá trình nhiệt phân gồm 2 giai đoạn:

Giai đoạn 1 là quá trình khí hóa, chất thải rắn được gia nhiệt để tách các thành

phần dễ bay hơi như khí cháy, hơi nước ra khỏi thành phần cháy không hóa hơi và tro

Giai đoạn 2 là quá trình đốt các thành phần bay hơi ở điều kiện phù hợp để tiêu

hủy hết các cấu tử nguy hại

 Tại buồng sơ cấp:

Đốt thiếu oxy (lượng khí cấp khoảng 70  80% so với nhu cầu lý thuyết), các quá trình xảy ra gồm: sấy khô (bốc hơi nước) chất thải; chất thải được đưa vào buồng đốt, thu nhiệt từ không khí nóng của buồng đốt, nhiệt độ của chất thải đạt trên 100˚C, quá trình thoát hơi ẩm xảy ra mãnh liệt, khi nhiệt độ tiếp tục tăng sẽ xảy ra quá trình nhiệt phân chất thải và tạo ra khí gas Quá trình phân huỷ nhiệt tạo khí gas và cặn cacbon: Chất thải bị phân huỷ nhiệt, sinh ra khí gas tức là từ các hợp chất hữu cơ phức tạp tạo thành các chất đơn giản như: CH4, CO, H2…

Thực tế, với sự có mặt của oxy và khí gas trong buồng nhiệt phân ở nhiệt độ cao

đã xảy ra quá trình cháy, nhiệt sinh ra lại tiếp tục cấp cho quá trình nhiệt phân, như vậy

đã sinh ra quá trình “tự nhiệt phân và tự đốt sinh năng lượng” mà không đòi hỏi phải

bổ sung năng lượng từ bên ngoài vào do vậy đã tiết kiệm được năng lượng Thông qua quá trình kiểm soát chế độ cấp khí và diễn biến nhiệt độ buồng đốt sơ cấp sẽ đánh giá

được giai đoạn: sấy, khí hoá và đốt cặn trong buồng nhiệt phân

Quá trình nhiệt phân của chất thải rắn thường bắt đầu từ 250˚C  650˚C Thực tế, để nhiệt phân chất thải người ta thường tiến hành ở nhiệt độ từ 425˚C  760˚C Khi quá

trình nhiệt phân kết thúc, sẽ hình thành tro và cặn cacbon, do vậy người ta gọi giai đoạn này là cacbon hoá

 Quá trình tạo tro xỉ

Giai đoạn cuối mẻ đốt, nhiệt độ buồng đốt nâng tới 950˚C để đốt cháy cặn cacbon, phần rắn không cháy sẽ tạo thành tro xỉ Các giai đoạn của quá trình cháy thực

tế không phải tiến hành tuần tự, tách biệt mà tiến hành gối đầu và xen kẽ nhau Lò nhiệt phân được xem như hai buồng phản ứng nối tiếp nhau với hai nhiệm vụ: buồng

sơ cấp làm nhiệm vụ sản xuất khí gas, cung cấp cho buồng thứ cấp để đốt triệt để các chất hữu cơ

 Ưu điểm:

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

 Kiểm soát được chế độ nhiệt phân sẽ tiết kiệm được nhiên liệu

 Quá trình nhiệt phân không đòi hỏi sự xáo trộn nên sẽ giảm được lượng bụi phát sinh Thông thường, bụi trong khí thải < 200 mg/m3, trong nhiều trường hợp không cần trang bị thiết bị xử lý bụi

 Quá trình nhiệt phân có thể kiểm soát được nhờ bản chất thu nhiệt của nó

 Chất thải rắn hoặc lỏng bị đồng thể hoá chuyển vào dòng khí có nhiệt lượng cao nhờ quá trình nhiệt phân có kiểm soát

 Các cấu tử có thể thu hồi được tập trung trong bã rắn hoặc nhựa để thu hồi

 Thể tích chất thải giảm đáng kể Các chất bay hơi có giá trị kinh tế có thể được ngưng tụ để thu hồi

 Phần hơi không ngưng tụ, cháy được coi như nguồn cung cấp năng lượng

 Vận hành và bảo trì phù hợp với điều kiện Việt Nam

 Các chất hữu cơ và các chất độc hại như đioxin, furans, PCBs cháy hoàn toàn

 Thời gian đốt lâu hơn so với công nghệ đốt lò quay

1.4.4 Khí hóa

Khí hóa sinh khối là quá trình dùng oxy (hoặc không khí, hoặc không khí giàu oxy, hoặc oxy thuần, hơi nước hoặc hydro, nói chung gọi là chất khí hóa) phản ứng với sinh khối ở nhiệt độ cao chuyển nhiên liệu từ dạng rắn sang dạng nhiên liệu khí Nhiên liệu này được gọi chung là khí sinh khối với thành phần cháy được chủ yếu là

CO, H2, CH4 dùng làm nhiên liệu khí dân dụng, trong công nghiệp hoặc sử dụng làm nguyên liệu cho tổng hợp NH3, tổng hợp CH3OH…Khí hóa sinh khối là quá trình tổng cộng của các phản ứng đồng thể và dị thể của sinh khối Tùy thuộc vào mục đích của quá trình khí hóa, có thể nhận được sản phẩm khí chứa CO, H2 và CH4 Hỗn hợp khí sản phẩm chứa CO + H2 có các tỷ lệ khác nhau giữa các cấu tử có thể được dùng cho các quá trình tổng hợp hóa học

- C + 2H2 ↔ CH4 (4)

- CO + 3H2 ↔ CH4 + H2O (5)

- CO + H2O ↔ CO2 + H2 (6) Các phản ứng đồng thể (5-6) và dị thể (1-4) xảy ra kèm theo sự thay đổi mạnh năng lượng của hệ thống Các số liệu về hằng số cân bằng và entanpi của hệ thống các phản ứng quan trọng thường được dẫn ra trong các sổ tay hóa lý Lựa chọn công nghệ khí hóa sinh khối dựa vào nhiều thông số quan trọng

➢ Chất lượng của nguồn nguyên liệu

➢ Sản phẩm chính của công nghệ

Mỗi loại sinh khối có thể sử dụng làm nguyên liệu cho nhiều phương pháp khí hóa sinh khối khác nhau Tùy thuộc kích cỡ của sinh khối mà có thể lựa chọn các công nghệ khí hóa Công nghệ khí hóa phổ biến hiện nay là: khí hóa tầng cố định và khí hóa tầng sôi

 Các phản ứng của quá trình khí hoá:

và hiệu suất quá trình khí hoá

Khí hóa chất thải rắn là cách thức hiệu quả và thân thiện môi trường để sản xuất năng lượng, biến đổi chất thải rắn thành nhiên liệu khí Syngas, ít ô nhiễm môi trường không khí hơn so với đốt than do lượng lưu huỳnh thấp, ứng dụng cho động cơ máy phát điện, nhiên liệu đốt cho lò hơi Đã tìm được nhiệt độ làm việc tối ưu trên 700oC, lượng khí oxy cấp hạn chế để đốt không hoàn toàn nhiên liệu rắn Khí tổng hợp được là khí

nhiên liệu dễ cháy gồm khí H2, CO, CH4, CO2, nitơ, lưu huỳnh (lượng nhỏ, phụ thuộc

nguyên liệu vào) các hợp chất kiềm, hắc ín là nguồn nhiên liệu nhiệt trị cao Vị trí cấp

khí, nhiệt độ, tỷ lệ cấp khí sơ cấp và thứ cấp ảnh hưởng đến thành phần khí tổng hợp

Khi có phản ứng khử CO và nước cần đốt/cấp nhiệt thứ cấp Nồng độ CO2, CO, H2 và

CH4 tăng theo nồng độ O2 của dòng khí cấp vào và cách duy trì dòng khí Thành phần

khí tổng hợp khác nhau khi tỉ lệ dòng khí thứ cấp thay đổi

 Ưu điểm:

 Chi phí vận hành và bảo trì thấp

 Hiệu suất khá cao, thích hợp với nhiều loại nguyên liệu

 Tạo ra khí Syngas để phát điện

 Giảm nhu cầu diện tích chôn lắp rác

 Nhược điểm:

 Thiết kế và hoạt động phức tạp

 Cần giảm kích thước nguyên liệu

[Nguồn Bioburners Final Design Report, Calvin College Engineering Department.]

1.5 CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA

1.5.1 Giới thiệu Công nghệ khí hóa tầng cố định:

Công nghệ khí hóa tầng cố định có ba loại sau: Downdraft Gasifier, Updraft

Gasifier và Crossdraft Gasifier Nhìn chung ba loại này nguyên liệu được nạp vào từ

trên đỉnh lò, gió (không khí, hơi nước ) đi vào lò từ đáy lò hoặc thân lò, còn sản phẩm

khí syngas đi ra ở cửa lò phía trên đối với loại Updraft Gasifier hoặc đi ra ở dưới đối

với loại Downdraft Gasifier hoặc đi ra ở ngang thân đối với loại Crossdraft Gasifier

Như vậy gió và nguyên liệu đi ngược chiều Phân chia chiều cao lò thành từng vùng

phản ứng, vùng nọ kế tiếp vùng kia

Hình 1 4 Khí Hóa Kiểu Updraft, Downdraft và Crossdraft.

1.5.1.1 Updraft Gasifier

Nguyên liệu được nạp vào từ trên đỉnh lò, gió (không khí, hơi nước ) đi vào lò

từ đáy lò, còn sản phẩm khí syngas đi ra ở cửa lò phía trên, gió và nguyên liệu đi

ngược chiều nhau Dưới cùng là vùng xỉ, tiếp đó là vùng cháy, vùng khử (vùng tạo ra sản phẩm khí hóa), vùng bán cốc, vùng sấy và trên cùng là tầng không đỉnh lò Do có

sự phân bố các vùng phản ứng như vậy nên nếu đi từ dưới lên thì vùng cháy có nhiệt

độ cao nhất, tiếp đó là vùng khử có nhiệt độ thấp hơn do có các phản ứng thu nhiệt, vùng bán cốc có nhiệt độ thấp hơn nữa và tiếp đó là vùng sấy có nhiệt độ càng thấp

hơn do phải tiêu tốn nhiệt vào quá trình bốc hơi nước Có thể tóm tắt nhiệt độ các vùng

như sau: vùng cháy > vùng khử > vùng bán cốc > vùng sấy Khi xem xét quá trình khí hóa theo chiều cao lò, ta thấy gió đi từ ghi lò (đáy lò đồng thời là vùng xỉ lò), tiếp theo vùng cháy, vùng khử, vùng nhiệt phân, vùng sấy và cuối cùng là đến tầng không đỉnh

lò Hàm lượng cacbon còn lại trong xỉ còn lại tương đối ít Tại vùng xỉ, hàm lượng tác nhân O2 và H2O lại cao do gió vào từ đáy lò và chuyển động ngược chiều với sinh khối [Nguồn: Anil K.Rajvanshi, Biomass Gasification India, 1986]

Hình 1 5 Thiết bị Updraft Gasifier

1.5.1.2 Downdraft Gasifier

Nguyên liệu được nạp vào từ trên đỉnh lò, gió (không khí, hơi nước ) đi vào lò

từ thân lò, còn sản phẩm khí syngas đi ra ở cửa lò phía đáy lò, gió và nguyên liệu đi

ngược chiều nhau Dưới cùng là vùng xỉ, trên vùng xỉ là vùng khử (vùng tạo ra sản

phẩm khí hóa), giữa lò là vùng cháy, trên vùng cháy là vùng bán cốc tiếp đó là vùng

sấy và trên cùng là tầng không đỉnh lò Do có sự phân bố các vùng phản ứng như vậy

nên vùng cháy có nhiệt độ cao nhất, tiếp đó là vùng khử có nhiệt độ thấp hơn do có các phản ứng thu nhiệt, vùng bán cốc có nhiệt độ thấp hơn nữa và tiếp đó là vùng sấy có

nhiệt độ càng thấp hơn do phải tiêu tốn nhiệt vào quá trình bốc hơi nước [Nguồn: Anil K.Rajvanshi, Biomass Gasification India, 1986]

Hình 1 6 Thiết bị Downdraft Gasifier

1.5.1.3 Crossdraft Gasifier

Nguyên liệu được nạp vào từ trên đỉnh lò, gió (không khí, hơi nước ) đi vào lò

từ thân lò, còn sản phẩm khí syngas đi ra ở cửa ngay tại thân lò, gió và nguyên liệu đi

ngược chiều nhau Dưới cùng là vùng xỉ, các vùng khác đều tập trung tại thân lò, trọng

tâm thân lò là vùng cháy, tiếp đến là vùng khử tạo sản phẩm khí hóa, phía ngoài là

vùng bán cốc, phía trên là vùng sấy và trên cùng là tầng không đỉnh lò Do có sự phân

bố các vùng phản ứng như vậy nên vùng cháy có nhiệt độ cao nhất, tiếp đó là vùng khử có nhiệt độ thấp hơn do có các phản ứng thu nhiệt, vùng bán cốc có nhiệt độ thấp hơn và tiếp đó là vùng sấy có nhiệt độ càng thấp hơn do phải tiêu tốn nhiệt vào quá trình bốc hơi nước

Như vậy nhiệt lượng vùng cháy đã phân phối cho các vùng khác để thực hiện quá trình khí hóa Sự truyền nhiệt từ vùng nhiệt độ cao đến vùng nhiệt độ thấp chủ yếu bằng con đường đối lưu, còn bằng các con đường khác (như bức xạ và dẫn nhiệt) thì

ít Khi đi từ trên xuống dưới, trọng lượng và kích thước hạt sinh khối giảm dần vì sinh khối đã tham gia vào các phản ứng phân huỷ nhiệt (bán cốc), phản ứng khử, phản ứng cháy [Nguồn: Anil K.Rajvanshi, Biomass Gasification India, 1986]

Hình 1 7 Thiết bị Crossdraft Gasifier

 Ưu điểm của các quá trình khí hóa tầng cố định

Nhờ sắp xếp các vùng phản ứng trong lò, vùng nọ kế tiếp vùng kia, nên nhiệt độ trong lò giảm dần từ dưới lên trên, nguyên liệu càng đi xuống dưới càng nóng Phương pháp khí hóa tầng cố định có ưu điểm là có thể sử dụng được tất cả các loại nguyên liệu ban đầu khác nhau (về độ ẩm và độ tro) mà không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng khí Nguyên liệu đi từ vùng sấy qua vùng bán cốc nên ẩm và chất bốc đã thoát hết, do vậy khi đến vùng khử và vùng cháy Nguyên liệu vẫn giữ được nhiệt độ cần thiết cho các phản ứng khử và phản ứng cháy, vì thế chất lượng khí sản phẩm ở đây vẫn tốt Chính vì vậy phương pháp này cho phép khí hóa được tất cả các loại than, từ than non đến than già, kể cả loại đá dầu có hàm lượng tro cao (đến khoảng 50% tro) và củi gỗ, (có độ ẩm đến 30%) Phương pháp không dùng được đối với các loại than cám và than bụi

Phương pháp khí hóa tầng cố định cho phép sản xuất khí có chứa nhiều hydrocacbon, vì vậy khí sản phẩm có nhiệt cháy cao, rất có lợi khi dùng vào mục đích làm khí đốt Mất mát cacbon theo xỉ ở phương pháp này tương đối ít, vì theo chiều chuyển động của nguyên liệu từ trên xuống dưới thì nồng độ các tác nhân khí như O2,

H2O tăng lên còn nồng độ cacbon trong pha rắn giảm dần

 Nhược điểm của các quá trình khí hóa tầng cố định

Phương pháp này mất mát nhiệt theo xỉ khá nhiều vì vùng tro xỉ tiếp xúc trực tiếp với vùng cháy, là vùng có nhiệt độ cao, do đó hiệu suất nhiệt của quá trình không quá cao, yêu cầu nguyên liệu đầu vào khắc khe là những thành phần có thể khí hóa, không quá ẩm,…

1.5.2 Giới thiệu Công nghệ khí hóa tầng sôi

Khí hóa tầng sôi thường dùng kích thước hạt 0,5 - 3mm Với tốc độ gió đạt đến giới hạn sẽ tạo ra lớp sôi của các chất rắn Ta có một số khái niệm sau: sôi tĩnh đó là quá trình mà chất rắn tập trung với mật độ cao khi quá trình cân bằng giữa tốc độ dòng khí và trọng lực Ở tốc độ gió vừa phải, sự khác nhau giữa: Chế độ sôi có hai chức năng chính đó là cung cấp tác nhân oxy hóa và tạo ra lớp sôi trong thiết bị Quá trình này rất khó điều khiển khi bắt đầu hoặc khi kết thúc Trong quá trình, hỗn hợp oxy/hơi nước sẽ được sử dụng làm tác nhân thổi

 Ưu điểm của quy trình khí hóa tầng sôi:

 Nguyên liệu liên tục chuyển vào lò khí hóa

 Nguyên liệu được đảo trộn trong lớp sôi nên quá trình truyền nhiệt rất cao, điều đó làm cho sự phân bố nhiệt độ đồng đều theo chiều cao lò

 Khi thổi gió vào lò, các hạt lớn sẽ tập trung ở đáy lò Các hạt nhỏ ở phía trên

và dễ dàng bay ra ngoài lò theo gió Để làm giảm lượng bụi bay theo gió ra ngoài người ta đưa gió bậc 2 ở khoảng giữa lò để tăng cường quá trình khí hóa Nhưng gió bậc 1 thổi từ dưới đáy lò lên vẫn là chủ yếu

 Khi khí hóa tầng sôi, nguyên liệu và gió đi cùng một hướng từ dưới đáy lò, như vậy nguyên liệu được tiếp xúc ngay với vùng có nhiệt độ cao Quá trình sấy, bán cốc cùng xảy ra trong vùng này Lượng chất bốc sinh ra gặp oxy trong gió sẽ cháy hết thành CO2 và H2O, một phần nhỏ khác bị nhiệt phân

Vì vậy khí sản phẩm ra khỏi đỉnh lò không có các sản phẩm lỏng, không có các loại hyđrocacbon nên khí ra sạch, dùng cho tổng hợp hóa học rất có lợi

 Vì khí hóa tầng sôi nên các hạt Biomass luôn chuyển động và trong lò không có ranh giới rõ rệt giữa các vùng phản ứng (như vùng cháy, vùng khử, vùng nhiệt phân trong khí hóa tầng cố định) và nhiệt độ trung bình của lò giảm xuống

 Vì đặc điểm này nên nhiệt độ của lò trong phương pháp khí hóa tầng sôi chỉ đạt từ 900 đến 1000˚C

 Nhược điểm của quy trình khí hóa tầng sôi

 Để nâng cao nhiệt độ lò, có thể dùng thêm oxy và hơi nước vào gió, tuy thế cũng không thể nâng nhiệt độ phản ứng cao quá 1150˚C, nhiệt độ có thể làm chảy xỉ Do nhiệt độ lò không nâng cao được nên các loại than già, than antraxit có tốc độ phản ứng của C với các tác nhân khí không đủ lớn thì không thích hợp cho quá trình khí hóa tầng sôi Phương pháp khí hóa tầng sôi dùng than có độ biến tính thấp như than nâu, than bùn hoặc sinh khối vì

điểm nóng chảy của sinh khối thấp và dể phản ứng

Hình 1 8 Công nghệ khí hóa tầng sôi

1.6 LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA

Có thể thấy rằng với khí hóa tầng cố định do đặc điểm của công nghệ khí hóa là

tạo nhiều sản phẩm khí: CH4, CO, H2, CxHy chiếm lượng lớn, có thể sử dụng được nhiều loại nguyên liệu ban đầu khác nhau (về độ ẩm và độ tro) mà không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng khí

Với công nghệ khí hóa tầng sôi thì nguyên liệu và gió đi cùng một hướng từ dưới

đáy lò, như vậy nguyên liệu được tiếp xúc ngay với vùng có nhiệt độ cao Quá trình sấy, bán cốc cùng xảy ra trong vùng này Lượng chất sinh ra gặp oxy trong gió sẽ cháy hết thành CO2 và H2O, một phần nhỏ khác bị nhiệt phân Vì vậy khí sản phẩm ra khỏi đỉnh lò không có các sản phẩm lỏng, không có các loại hyđrocacbon nên khí ra sạch, dùng cho tổng hợp hóa học rất có lợi Qua tìm hiểu và đánh giá và xuất phát từ nhu cầu thực tế tại Việt Nam, thành phần rác thải hữu cơ đặc biệt là tận dụng, nguồn rác thải hữu cơ, sinh khí Syngas đốt tạo ra điện, phục vụ cho nhu cầu sử dụng năng lượng,

đồ án này em xin được trình bày “Tính toán thiết kế hệ thống thiết bị khí hóa chất thải rắn hữu cơ cho 500 hộ dân để sinh ra khí syngas” với thiết bị khí hóa tầng cố

định Updraft

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÍ THUYẾT2.1 CƠ CHẾ CỦA CÁC PHẢN ỨNG CHÍNH TRONG QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA

2.1.1 Cơ chế phản ứng C + H 2 O

Cùng là phản ứng dị thể và thu nhiệt mạnh cho nên các đặc điểm của phản ứng

C + CO2 đều đúng với phản ứng C + H2O Phản ứng chỉ có tiến hành với vận tốc tương đối lớn nên t˚ > 800˚C Nhưng phản ứng giữa C và hơi nước phức tạp hơn phản ứng C + CO2 vì phản ứng C + H2O có thể xảy ra theo 2 chiều hướng khác nhau sinh ra CO và CO2:

- C + H2O = CO + H2 – Q1

- C + 2H2O = CO2 + 2H2 – Q2Trong gió có chứa nhiều hơi nước thì ngoài sản phẩm CO và CO2 ra còn có khả năng tiến hành phản ứng sau:

- CO + H2O = CO2 + H2 + Q Vấn đề cơ bản khi xét cơ chế phản ứng C + H2O là xem xét CO là sản phẩm bậc nhất; CO2 là sản phẩm bậc nhất hay cả CO và CO2 đều là sản phẩm bậc nhất tạo

thành đồng thời cùng 1 lúc Vì vậy đối với phản ứng này cũng tồn tại 3 giả thiết khác

nhau:

Giả thiết 1 : Cho rằng sản phẩm bậc nhất chỉ là CO2, nghĩa là khi cho C và hơi nước

tác dụng với nhau thì tiến hành phản ứng:

- C + 2H2O = CO2 + 2H2 – Q Còn sự có mặt của CO trong sản phẩm phản ứng giải thích bằng phản ứng bậc 2 như sau:

- CO2 + C = 2CO – Q Giả thiết 2 : Cho rằng cả CO và CO2 là sản phẩm bậc nhất và chúng tạo thành

đồng thời cùng lúc; phản ứng tiến hành như sau:

- C + H2O = CO + H2 – Q1

- C + 2H2O = CO2 + 2H2 – Q2Đây là giả thiết đến nay được nhiều nhà nghiên cứu thừa nhận nhất Trong 2 loại giả thiết trên, chúng ta chỉ viết phương trình phản ứng đối với phản ứng tổng cộng, không

đi vào các giai đoạn trung gian của chúng

Giả thiết 3 : Gần đây có một số giả thiết mới cho rằng chỉ CO là sản phẩm bậc

nhất, còn CO2 là sản phẩm bậc 2 Giả thiết này giải thích được khá nhiều trường

hợp thực nghiệm nên cũng được nhiều nhà nghiên cứu ủng hộ

Cơ chế của chúng được tiến hành qua các giai đoạn sau:

Giai đoạn 1: Hấp thụ hơi nước trên bề mặt sinh khối theo phản ứng:

- C + H2O ↔ C + ( H2O) hấp phụ Giai đoạn 2 : Tạo phức chất bề mặt theo phản ứng:

- C + (H2O) hấp phụ ↔ CxOy + (H2) hấp phụ Giai đoạn 3 : Phân hủy phức chất hoạt động bề mặt CxOy với sự tham gia của hơi nước từ không khí

- CxOy + H2O = (CO) hấp phụ + H2Đây là phản ứng bậc 1 đối với hơi nước và sự phân hủy phức chất có sự tham gia của phân tử hơi nước Phản ứng tiến hành trong điều kiện nhiệt độ thấp và nồng độ của hơi nước tương đối cao

Giai đoạn 4 : Nhả (CO) hấp phụ và (H2) hấp phụ trên bề mặt sinh khối ra ngoài

thì thường dùng phương pháp đốt ngoài, lò đốt bằng phương pháp điện và nhiệt được truyền từ thành ngoài của lò vào tâm của ống đựng sinh khối Nhưng vì sinh khối là 1 chất dẫn nhiệt xấu nên lượng nhiệt truyền từ thành vào bao giờ cũng thấp hơn lượng nhiệt cần thiết cho phản ứng Cơ chế phản ứng C + CO2 tiến hành qua các giai đoạn sau:

Giai đoạn 1 : Hấp thụ CO2 trên bề mặt sinh khối theo phản ứng sau:

- C + CO2 ↔ (CO2)hấp phụ + C Giai đoạn 2 : Tạo hợp chất trung gian hoạt động bề mặt:

2.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA

2.2.1 Ảnh hưởng của áp suất

Quá trình khí hóa xảy ra ở áp suất nhất định Thực tế thì để quá trình hóa khí hoạt động thì áp suất tối thiểu phải là 10 bar và có thể đạt đến 100 bar Ở áp suất quá cao thì kích thước thiết bị sẽ lớn cũng như việc lựa chọn vật liệu làm lò khí hóa trở nên khó khăn dẫn đến chi phí kinh tế sẽ rất cao Mỗi giá trị áp suất nhất định thì thành phần khí tổng hợp sẽ thay đổi khác nhau Như vậy tùy thuộc vào sản phẩm khí ra theo yêu cầu cần

sử dụng mà ta chọn một giá trị áp suất nhất định tương ứng với mỗi kiểu công nghệ hóa

khí sinh khối thích hợp

2.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ của quá trình hóa khí nhìn chung được lựa chọn trên cơ sở của trạng thái tro (trạng thái dưới điểm mềm của tro và trên điểm nóng chảy của xỉ) Đối với sinh khối điểm nóng chảy của tro rất cao, đó là sự thuận lợi để thêm chất khí hóa vào sinh khối để giảm nhiệt độ nóng chảy của tro xuống Hóa khí ở nhiệt độ cao sẽ làm tăng lượng oxy tiêu thụ của quá trình và sẽ giảm toàn diện hiệu suất của quá trình hóa khí Vì vậy trong quá trình hóa khí ta luôn đảm bảo nhiệt độ trong lò không được vượt quá giá trị cho phép Các quá trình hóa khí hiện đại đều hoạt động ở áp suất 30bar và nhiệt độ trên 1300˚C

2.2.3 Ảnh hưởng của kích thước hạt sinh khối

Kích thước nguyên liệu biomass có vai trò đáng kể trong quá trình khí hóa

Ta biết rằng nếu kích thước các hạt nhỏ thì tổng diện tích tiếp xúc của các hạt với tác nhân khí hóa tăng lên do đó độ hoạt tính tăng lên, tốc độ phản ứng trong quá trình khí hóa tăng Tuy nhiên nếu kích thước hạt quá nhỏ thì sức cản thủy lực tăng, dễ gây tắc lò làm cản trở quá trình khí hóa Vì vậy, việc tạo ra kích thướt hợp lý để cho quá trình khí hóa tiến hành thuận lợi cũng có ý nghĩa quyết định Chính vì vậy cần xử lý nguyên liệu đầu vào bằng quá trình ép viên nguyên liệu

2.2.4 Ảnh hưởng của tro

Tro được tách ra trong quá trình khí hóa được chuyển xuống phần dưới của lò Tại vùng này tro có thể nóng lên vì nhiệt độ mà nó tiếp xúc khá cao Nếu nhiệt độ chảy của tro xỉ thấp, nó sẽ kết thành tảng xỉ lớn cản trở quá trình khí hóa và lò bị bịt kín một phần hay hầu hết Khi hiện tượng kết tảng xỉ xảy ra, gió sẽ tập trung vào những vùng chưa bị dính kết xỉ, nghĩa là sự phân bố gió hay tác nhân khí hóa sẽ tập trung vào vùng này, kết quả làm cho tác nhân khí hóa vượt quá mức bình thường, vì vậy hàm lượng

CO2 và N2 của khí sẽ tăng lên.Mặt khác nếu quá trình tiếp diễn lâu tại các vị trí đó, nhiệt độ tại đây sẽ tăng nhanh bởi nhiệt tỏa ra do các phản ứng tỏa nhiệt làm cho tro xỉ

tiếp tục bị dính kết lại dẫn tới sự tắc lò làm ngừng quá trình khí hóa và làm chất lượng

khí giảm xuống nghiêm trọng

2.2.5 Ảnh hưởng của nguyên liệu

Các loại nguyên liệu có độ ẩm cao như củi gỗ, mía, ngô, than bùn,… muốn chuyển chúng thành nhiên liệu khí bằng quá trình khí hóa thường phải thực hiện sấy sơ

bộ tách ẩm Nếu độ ẩm của nguyên liệu tăng cao thì chẳng những tiêu tốn nhiệt vào quá trình bốc hơi ẩm và đốt nóng hơi ẩm đến nhiệt độ khí mà còn làm giảm chất lượng khí

Về mặt công nghệ khí hóa người ta lại phải tổ chức lớp nguyên liệu có chiều cao thích hợp hoặc thay đổi chế độ khí hóa Đó cũng là nguyên nhân làm tăng giá thành cho một đơn vị nhiên liệu chuẩn [Nguồn Golden, Colorado, Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine Systems, March 1988]

CHƯƠNG 3 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 3.1 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

Giá trị nhiệt lớn nhất (HHV) và giá trị nhiệt thấp nhất (LHV) của các sản phẩm khí ra được tính như sau

Bảng 3 1 Giá trị nhiệt lớn nhất (HHV) và giá trị nhiệt thấp nhất (LHV) của các

Nguồn Trang 53 Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine Systems

Từ thành phần dòng khí đầu ra ta tính được giá trị nhiệt lớn nhất (HHV) và giá trị nhiệt thấp nhất (LHV) của các sản phẩm khí ra trong từng nguyên liệu

Nguồn Investigation on Performances of The Engine for the Electrical Power Generator Using Biomass Gases and Biodiesel as Fuels

Bảng 3 3 Khối lƣợng riêng của nguyên liệu

Nguyên liệu Khối lƣợng riêng (kg/m3)

Nguồn bảng 3-11 Bulk Density of Various Fuels trang 17 Handbook Biomass Downdraft

Gasifier Engine Systems

Ta thiết kế thiết bị chứa 100% nguyên liệu khí hóa, vì vậy cần tính lại phần trăm khối lƣợng của từng nguyên liệu khí hóa bởi trong rác thải hữu cơ có những thành phần khí hóa đƣợc và không khí hóa đƣợc, việc tính lại phần trăm khối lƣợng của từng nguyên liệu khí hóa giúp việc tính toán về sau chính xác hơn

Bảng 3 4 Phần trăm khối lƣợng của từng nguyên liệu khí hóa

Nguyên liệu Khối lƣợng (kg) Phần trăm khối lƣợng (%)

Ta có các thành phần C, H, O, S, N, tro của nguyên liệu đầu vào nhƣ sau:

Bảng 3 5 Thành phần % C, H, O, S, N, tro của nguyên liệu

Nguồn Prabir Basu, Biomass Gasification and Pyrolysis Practical Design, 2010, trang 51

– Giá trị nhiệt cao nhất của sinh khối: HCV =

* ( ) +KJ/Kg [3-p.22]

HCV =

* ( ) + HCV=21050.26 KJ/Kg