Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp nhiệt

Tiểu luận: Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp nhiệt Huỳnh Tiến ThắngĐối với lò đốt chất thải nhiệt phân thì yếu tố nhiệt độ có ý nghĩa rất quan trọng, là cơ sở choquá trình vận hành cũ

Tiểu luận: Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp nhiệt Huỳnh Tiến Thắng

XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT VÀ CÁC

VẤN ĐỀ MÔI TRƯỜNG LIÊN QUAN

I XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT

1 Khái niệm

Xử lý CTR bằng phương pháp nhiệt là một trong những thành phần quan trọng trong hệ thốngquản lý tổng hợp CTR, nguyên lý chủ yếu là sử dụng nhiệt để chuyển hóa chất thải từ dạng rắnsang dạng khí, lỏng và tro đồng thời giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt Kỹ thuật này ápdụng cho các chất thải rắn và chất thải nguy hại không thể chôn lấp mà có khả năng cháy Trongphương pháp này, nhờ sự oxy hóa và phân hủy nhiệt, các chất hữu cơ sẽ được khử độc tính và phá

vỡ cấu trúc với mục đích là giảm thể tích CTR và thu hồi năng lượng nhiệt

- Quá trình xử lý CTR bằng phương pháp nhiệt trong điều kiện hoàn toàn không có oxy gọi

là quá trình nhiệt phân

3 Những ưu điểm và hạn chế của phương pháp

- Kỹ thuật này phù hợp đối với chất thải trơ về mặt hoá học, khó phân huỷ sinh học

- Tro, cặn còn lại chủ yếu là vô cơ, trơ về mặt hoá học

Tiểu luận: Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp nhiệt Huỳnh Tiến Thắng

3.2 Hạn chế

- Không phải tất cả các CTR đều có thể đốt được thuận lợi, ví dụ như chất thải có hàm lượng

ẩm quá cao hay các thành phần không cháy cao (chất thải vô cơ)

- Vốn đầu tư ban đầu cao hơn so với các phương pháp xử lý khác bao gồm chi phí đầu tưxây dựng lò, chi phí vận hành và xử lý khí thải lớn

- Việc thiết kế, vận hành lò đốt phức tạp, đòi hỏi năng lực kỹ thuật và tay nghề cao, chế độtập huấn tốt

- Yêu cầu bổ sung nhiên liệu đốt nhằm duy trì nhiệt độ trong buồng đốt

- Tiềm năng tác động đến con người và môi trường có thể xảy ra, nếu các biện pháp kiểmsoát quá trình đốt, xử lý khí thải không đảm bảo

- Việc kiểm soát ô nhiễm kim loại nặng từ quá trình đốt có thể gặp khó khăn đối với chấtthải có chứa kim loại như Pb, Cr, Cd, Hg, Ni, As

- Lò hoạt động sau một thời gian phải ngừng để bảo dưỡng, làm gián đoạn quá trình xử lý

- Chất thải đốt có thành phần, tính chất khác nhau, đòi hỏi phải áp dụng những công nghệthích hợp, quy trình vận hành hợp lý mới đạt được hiệu quả đốt cũng như hiệu quả kinh tếtrong vận hành

- Tro lò đốt và hệ thống xử lý khí thải phải được xử lý theo công nghệ đóng rắn hoặc chônlấp an toàn

4 Quá trình đốt

Quá trình đốt CTR là quá trình oxy hoá khử CTR bằng oxy không khí ở nhiệt độ cao Lượngoxy sử dụng theo lý thuyết được xác định theo phương trình cháy:

Chất thải rắn + O2  Sản phẩm cháy + Q (nhiệt)

Sản phẩm cuối cùng của quá trình đốt bao gồm: bụi, NOx, CO, CO2, SOx, THC, HCl, HF,Dioxin/Furan, hơi nước và tro

CaHbOcCldFeNf Sg + [a + b/4 – (c + d + e – f )/2 + g]O2 → aCO2 + [(b –d –e )/2] H2O +

dHCl + eHF + fNO + gSO2

Fluorine, chlorine, và sulfur chỉ có mặt một lượng rất nhỏ trong CTR đô thị nên có thể bỏ quatrong tính toán

5 Các nguyên tắc cơ bản của quá trình cháy

Để đạt được hiệu quả cao, quá trình cháy phải tuân thủ theo nguyên tắc “3T”: Nhiệt độ(Temperature) – Độ xáo trộn (Turbulence) - Thời gian lưu cháy (Time)

 Nhiệt độ (Temperature)

Phải đủ cao bảo đảm để phản ứng xảy ra nhanh và hoàn toàn, không tạo dioxin, đạt hiệu quả xử

lý tối đa (nhiệt độ đốt đối với CTNH là trên 11000C, CTR sinh hoạt >9000C) Nếu nhiệt độ không

đủ cao, phản ứng sẽ xảy ra không hoàn toàn và sản phẩm khí thải cũng có khói đen

Tiểu luận: Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp nhiệt Huỳnh Tiến ThắngĐối với lò đốt chất thải nhiệt phân thì yếu tố nhiệt độ có ý nghĩa rất quan trọng, là cơ sở choquá trình vận hành cũng như quá trình kiểm soát lò đốt.

 Độ xáo trộn (Turbulence)

Để tăng cường hiệu quả tiếp xúc giữa CTR cần đốt và chất oxy hoá, có thể đặt các tấm chắntrong buồng đốt hoặc tạo góc nghiêng thích hợp giữa dòng khí với béc phun để tăng khả năng xáotrộn

Độ xáo trộn có thể đánh giá thông qua yếu tố xáo trộn:

F = (Lượng không khí thực tế / Lượng không khí lý thuyết) x 100%

Trong đó: F là yếu tố xáo trộn F càng lớn, hiệu quả xử lý càng cao

 Thời gian (Time)

Thời gian lưu cháy đủ lâu để phản ứng cháy xảy ra hoàn toàn Đối với các lò hoạt động theonguyên lý nhiệt phân, đảm bảo thời gian lưu cháy phù hợp sẽ kiểm soát được chế độ nhiệt phân tạibuồng sơ cấp để cấp khí gas lên buồng thứ cấp, quyết định hiệu quả xử lý của lò đốt Thời gian lưucần thiết bảo đảm đốt cháy hoàn toàn của mỗi chất phụ thuộc vào bản chất của chất bị đốt và nhiệt

độ đốt

Bảng 1: Mối quan hệ giữa nhiệtđộ và thời gian khi hiệu quả phân huỷ đạt 99,99% các chất hữu cơ

Khi đốt CTNH, để hạn chế quá trình sinh ra Dioxin/Furan, thì nhiệt độ buồng đốt thứ cấp cầncao >1100oC và thời gian lưu cháy tối thiểu là 2 giây Các nguyên tắc trên liên hệ khắng khít vớinhau, khi nhiệt độ phản ứng cao, xáo trộn tốt thì thời gian phản ứng giảm vẫn đảm bảo hiệu quảcháy cao Ví dụ như xử lý những chất thải có thành phần xenllulô cao như giấy… khi đốt chỉ cầnduy trì ở nhiệt độ 760OC, thời gian cháy tối thiểu là 0,5 giây

6 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy

6.1 Thành phần và tính chất của chất thải

Tiểu luận: Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp nhiệt Huỳnh Tiến ThắngThành phần hóa học của chất thải có ảnh hưởng tới quá trình nhiệt phân và đốt cháy Dựa vàothành phần hóa học của chất thải để tính được nhiệt trị của chất thải và tính toán lượng oxy cầnthiết để đốt cháy hoàn toàn chất thải cũng như lượng khí thải hình thành (hoặc lưu lượng khí thải).Thành phần nhiên liệu thường được biểu diễn dưới các dạng:

Bảng 2: Thành phần hoá học trung bình của một số chất thải

 Cacbon (C) là thành phần cháy chủ yếu trong chất thải Nhiệt trị của cacbon là 8000 kcal/kg.Nhiên liệu rắn chứa nhiều cacbon hơn nhiên liệu lỏng và khí, chất thải có thành phần cacboncàng cao thì sản phẩm cháy CO2 càng nhiều

 Hydro (H) là thành phần thứ hai của chất thải Nhiệt trị thấp của Hydro lớn gấp bốn lần than.Hàm lượng hydro càng nhiều chất thải càng dễ bắt lửa

 Lưu huỳnh (S) cũng là thành phần cháy nhưng toả nhiệt ít Sản phẩm cháy của lưu huỳnh tạothành khí SOx, gặp hơi nước có khả năng tạo thành axít gây ăn mòn các thiết bị Khí SOx làdạng khí độc, lưu huỳnh là nguyên tố không mong muốn trong quá trình đốt

 Oxy (N) và nitơ (N) là chất vô ích Nó làm giảm thành phần cháy của chất thải

Tiểu luận: Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp nhiệt Huỳnh Tiến Thắng

 Độ tro (A) là yếu tố tiêu cực cho đốt chất thải Độ tro càng cao, thành phần chất cháy cànggiảm, gây đông kết ở trung tâm buồng đốt và đáy lò Tro dễ phủ lên bề mặt tiếp nhiệt củabuồng đốt làm giảm hiệu quả đốt

 Độ ẩm (W) thể hiện mức độ chứa nước trong chất thải Độ ẩm lớn, thành phần chất cháy giảm,làm nhiệt trị của chất thải giảm Khi đốt, nhiệt trị bị hao phí một phần để làm bay hơi nước

 Muối vô cơ: nếu chất thải giàu muối vô cơ, muối kiềm sẽ gây khó khăn cho quá trình đốt.Từng lượng nhỏ muối sẽ thăng hoa, sau đó tập trung trên bề mặt lò tạo nên một lớp xỉ hoặcđóng bánh làm giảm khả năng đốt của lò

6.2 Ảnh hưởng của hệ số cấp khí

Hệ số cấp khí là tỉ số giữa lượng không khí thực tế và lượng không khí lý thuyết, hay còn gọi là

hệ số dư không khí Hệ số dư không khí là một thông số quan trọng trong quá trình đốt chất thải,đây là yếu tố quan trọng để kiểm soát chế độ phân huỷ chất thải rắn

Hệ số cấp khí được biểu hiện bằng công thức sau:

Trong đó: Vtt: là lượng không khí (oxy) thực tế được cấp vào buồng đốt

Vlt: là lượng không khí (oxy) lý thuyết để oxy hóa hoàn toàn chất thảiCác lò đốt hiện nay thường được cấp dư khí trong khoảng 1,05 – 1,1

Hình 1: Quan hệ giữa nhiệt độ và không khí dư

Tiểu luận: Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp nhiệt Huỳnh Tiến Thắng

Hình 2: Ảnh hưởng của không khí dư tới nhiệt độ buồng đốt

Giá trị của hệ số cấp khí tăng hay giảm có liên quan đến sự tăng hay giảm nhiệt độ của lò đốt.Khi hệ số cấp khí tăng (trong vùng <1, thiếu khí), sự có mặt của oxy gây ra phản ứng cháy, tỏanhiệt và làm tăng nhiệt độ Để đảm bảo đốt triệt để CTR thì cần cấp dư khí, vì oxy cấp vào cho sựcháy là oxy không khí, trong đó có lẫn thành phần nitơ, khi ở nhiệt độ cao sẽ xảy ra phản ứng giữaoxy và nitơ Do đó, thường tiến hành đốt ở chế độ cấp dư khí, nhưng nếu đưa không khí lạnh vàotrong lò nhiều sẽ làm nguội lò, nhiệt độ giảm, gây tổn thất nhiệt

Từ biểu đồ cho thấy, khi đốt thiếu khí, nhiệt độ đốt cao nhưng quá trình cháy diễn ra khônghoàn toàn, còn khi đốt dư khí thì quá trình đốt diễn ra hoàn toàn nhưng nhiệt độ buồng đốt thấp.Dựa vào đặc tính này nên công nghệ đốt nhiệt phân áp dụng đốt thiếu khí cho buồng sơ cấp và đốt

dư khí cho buồng thứ cấp

Mỗi loại chất thải đem đốt có nhiệt trị khác nhau và lượng không khí lý thuyết cung cấp choquá trình cháy cũng khác nhau Hệ số dư không khí cho phép tính thể tích sản phẩm cháy và thểtích buồng đốt

Trong quá trình đốt, không phải lúc nào cũng có thể tính toán được lượng không khí cần cungcấp cho quá trình cháy vì thành phần của chất thải đầu vào luôn biến động, do đó cần phải kiểmsoát quá trình đốt thông qua một số thông số khác để quá trình vận hành dễ dàng hơn như: nhiệt độ,

hệ số dư không khí, nồng độ CO, CO2, Oxi, bụi …

Tiểu luận: Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp nhiệt Huỳnh Tiến Thắng

Bảng 3: Nhu cầu cấp khí của một số chất thải

Khi phần trăm dư lượng không khí tăng, oxy trong khí lò tăng, nhiệt độ lò giảm Do đó, điềuchỉnh lượng không khí dư cung cấp là một phương pháp để kiểm soát nhiệt độ lò đốt Nhiệt độ cóảnh hưởng đến sự xuất hiện của các khí gây mùi trong thành phần của khói lò, khi nhiệt độ lò nhỏ

Tiểu luận: Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp nhiệt Huỳnh Tiến Thắnghơn 787oC sẽ xuất hiện các khí gây mùi trong thành phần khói lò nhưng khi nhiệt đột lớn hơn

982oC thì sự phát sinh các khí này và các chất độc tiềm tàng khác là thấp nhất

6.3 Nhiệt trị

Nhiệt trị của CTR là lượng nhiệt sinh ra khi đốt hoàn toàn một đơn vị khối lượng CTR(kcal/kg) Điều này cần được quan tâm khi ứng dụng công nghệ đốt chất thải nhằm tận dụng nănglượng hoặc đốt kèm với nhiên liệu trong các công nghệ khác như đốt nồi hơi, nung clinker Nhiệttrị thấp (LHV) của nhiên liệu rắn, lỏng tính theo công thức của Mendeleep:

Q(kcal/kg) = 81C + 300H – 26 (O- S) – 6(9A + W) (8.4)(Vì thành phần của clo, flo và nitơ thấp nên được bỏ qua trong tính toán nhiệt trị)

Trong đó: C, H, O, S, A, W là phần trăm trọng lượng của các nguyên tố cacbon, hydro,oxy, lưu huỳnh, tro, ẩm trong chất thải

Nhiệt trị hay hàm lượng năng lượng của phần hữu cơ của CTR có thể được xác định bằng:

• Đốt mẫu trong lò hơi với qui mô thực và đo nhiệt trong hơi nước sinh ra;

• Sử dụng bomb calorimeter trong phòng thí nghiệm; hoặc

• Tính toán dựa trên các kết quả phân tích thành phần nguyên tố của phân tích cuối cùngmẫu chất thải

Hầu hết các giá trị nhiệt trị của CTR được xác định bằng thí nghiệm bomb calorimeter Thínghiệm này đo nhiệt sinh ra ở nhiệt độ phòng thí nghiệm 25oC (77oF) từ việc đốt mẫu chất thải rắnkhô Giá trị nhiệt trị ở điều kiện chuẩn 25oC được sử dụng để tính toán cân bằng nhiệt Nhiệt lượngchứa trong liên kết hóa học của vật chất được biết đến như nhiệt của quá trình đốt (heat ofcombustion) Nhiệt này sẽ được giải phóng khi vật liệu được đốt Nhiệt sinh ra trong quá trình đốtchất thải trong calorimeter có thể được xác định bằng cách đo sự tăng nhiệt độ xảy ra trong quátrình đốt CTR:

U = CvT/M

U là nhiệt trị (cal/g) của vật liệu đốt thí nghiệm

T là số gia nhiệt độ tăng lên tính bằng oC

M là khối lượng tính bằng gram

Cv là nhiệt dung của calorimeter (cal/oC).BK

Nhiệt trị của CTR phụ thuộc vào thành phần của chất thải rắn nhất là các thành phần có nhiệttrị cao như giấy, plastic, thực phẩm và rác vườn Độ ẩm và chất vô cơ (tro) sẽ làm hạn chế nhiệttrong quá trình đốt

Hai thông số nhiệt trị quan trọng cho tính toán quá trình đốt là: nhiệt trị cao (high heating value– HHV) và nhiệt trị thấp (low heating value – LHV)

• Nhiệt trị cao (HHV) bao gồm nhiệt làm bay hơi phân tử nước trong quá trình đốt

• Nhiệt trị thấp (HHV) không tính phần nhiệt làm bay hơi phân tử nước trong quá trình đốt

Nhiệt trị cao HHV được tính theo công thức:

HHV (MJ/kg) = 0.339 (C) + 1.44 (H) – 0.139 (O) + 0.105 (S)

Tiểu luận: Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp nhiệt Huỳnh Tiến Thắng

Nhiệt trị thấp LHV được tính theo công thức:

LHV = HHV (in MJ/kg ) – 0.0244 (W + 9H)

Trong đó: W và H là phần trăm khối lượng của nước và của hydrô trong mẫu CTR

Các yếu tố sau đây nên xem xét để đánh giá CTR có phải là nguyền nhiêu liệu tiềm năng haykhông (Pfeffer, 1992):

• Chỉ có vật liệu hữu cơ khô mới sản sinh năng lượng

• Tro làm giảm khần khối lượng nhiên liệu hữu cơ trong CTR

• Tro vẫn giữ nhiệt khi lấy ra khỏi lò đốt, dây là nhiệt thải không sử dụng được

• Nước cần một lượng lớn năng lượng để bay hơi

• Nếu CTR có nhiệt trị không đáng kể thì đốt không phải là giải pháp xử lý thích hợp

• Nếu CTR có nhiệt trị thấp hơn 556 kcal/kg thì không có khả năng đốt

Tuy nhiên, có những ngoại lệ, một chất thải về cơ bản là một chất trơ nhưng có một lượng nhỏ(hoặc được bao phủ bởi) thành phần cháy thì phương pháp đốt vẫn được lựa chọn ngay cả khi nhiệttrị thấp Ví dụ những thùng phuy rỗng có lớp bao phủ vật liệu hữu cơ trên bề mặt bên trong, nhiệttrị tính trên khối lượng chất thải không tới 278 kcal/kg nhưng ngừơi ta vẫn lựa chọn phương phápđốt để làm sạch các thùng phuy này

Bảng 4: Nhiệt trị một số thành phần của CTR

6.4 Năng lượng

Năng lượng sinh ra từ quá trình đốt dưới 2 dạng nhiệt năng của khí lò và nhiệt năng đượcchuyển hóa thành nhiệt của thành lò, nhiên liệu thêm vào, tro nhờ quá trình đối lưu, nhiệt, bức xạ Nhiệt trị của CTR dựa trên giá trị nhiệt năng của từng thành phần trong CTR Vì nhiệt lượng sinh

ra trong quá trình đốt có thể được thu hồi nhờ quá trình trao đổi nhiệt từ khí sinh ra có nhiệt độ cao

Tiểu luận: Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp nhiệt Huỳnh Tiến ThắngNhiệt lượng sinh ra trong khí thải lò đốt CTR có thể thu hồi cho các thiết bị tiêu thụ nhiệt: lò hơi, lòluyện kim, lò nung, lò thủy tinh, máy phát điện…

II CÁC HỆ THỐNG LÒ ĐỐT

Các hệ thống lò đốt có thể được thiết kể để vận hành với 2 loại CTR: CTR chưa phân loại (mass–fired) và CTR đã phân loại (phần còn lại sau khi đã tách phần có khả năng tái sinh được đem điđốt)

- Hệ thống lò đốt CTR đã phân loại tại nguồn: Là cải tiến của hệ thống lò đốt chưa phân loạitại nguồn

- Hệ thống lò đốt CTR chưa phân loại:

Trong hệ thống này, CTR phải được xử lý sơ bộ trước khi đưa vào phễu lò đốt Trước khichuyển CTR vào phễu lò đốt, người điều khiển cần trục phải loại bỏ -bằng phương pháp thủ công -những vật không thích hợp với lò đốt Tuy nhiên, giả định rằng toàn bộ CTR đều có thể cho vào hệthống bao gồm chất không cháy có kích thước lớn (như tủ lạnh ) và thậm chí là những chất nguyhại tiềm tàng Do đó, hệ thống lò đốt phải được thiết kế sao cho có thể vận hành với những chấtthải như thế mà không làm hỏng thiết bị hay làm bị thương người vận hành Giá trị nhiệt trị sinh rabởi CTR chưa phân loại này thay đổi rất lớn, phụ thuộc nhiều vào thời tiết, mùa trong năm, vànguồn gốc phát sinh Mặc dù còn nhiều điểm hạn chế, hệ thống này vẫn được ưu tiên sử dụng vàphổ biến

Đốt hở thủ công

Đây là kỹ thuật đốt chất thải đã có từ rất lâu CTR được đổ hoặc vun thành đống trên mặt đấtrồi đốt, không có thiết bị hỗ trợ Với phương pháp này, quá trình đốt không triệt để, không có hệthống kiểm soát khí thải nên gây ô nhiễm môi trường không khí và vì cháy hở nên dễ gây sự cốnguy hiểm Phương pháp đốt hở thủ công tiện lợi để đốt các chất nổ như thuốc nổ TNT, Dynamite

Để đốt các loại chất thải có khả năng cháy nổ cao người ta đốt trong các lò hở, nhưng lò được xâyhoặc đào sâu xuống đất, hoặc lò có thêm các thiết bị phụ trợ để quá trình đốt được an toàn

Đốt bằng các thiết bị chuyên dụng

Thiết bị chuyên dụng đốt CTR thường có những thành phần sau: Bộ phận nhận chất thải và bảoquản chất thải, Bộ phận nghiền và phối trộn chất thải Bộ phận cấp chất thải Buồng đốt sơ cấp.Buồng đốt thứ cấp Thiết bị làm nguội khí hay nồi hơi chạy bằng nhiệt dư để giảm nhiệt độ Hệthống rửa khí Quạt hút để hút không khí vào lò khi duy trì áp suất âm Ống khói

Tiểu luận: Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp nhiệt Huỳnh Tiến Thắng

Hình 3: Hệ thống lò đốt chất thải rắn điển hình

1 Lò đốt một cấp

Cấu tạo của lò đốt một cấp tương đối đơn giản, chủ yếu gồm buồng đốt Buồng đốt được chialàm 2 ngăn nhờ ghi lò CTR được đốt trên ghi lò Vật liệu lò thường là gạch đất nung nên tuổi thọkhông cao Nguồn nguyên liệu cung cấp nhiệt cho lò chủ yếu là củi gỗ, mùn cưa Nhiệt độ, bụi, khíthải không được kiểm soát mà đưa trực tiếp vào không khí Các công việc như đưa CTR vào lò,cung cấp nguyên liệu cháy, điều khiển quá trình cháy, thu hồi tro thải đều do công nhân lò đốt thựchiện theo phương thức thủ công

Hình 4: Lò đốt một cấp