SẢN XUẤT NĂNG LƯỢNG TỪ RÁC THẢI.

Luận Văn SẢN XUẤT NĂNG LƯỢNG TỪ RÁC THẢI.

MỤC LỤC

Giới thiệu

1 Các khái niệm 2

1.1 Hệ thống thu hồi năng lượng 2

1.2. Lịch sử của hệ thống 2

1.3 Lợi ích thu hồi năng lượng từ rác thải 3

2 Các thông số ảnh hưởng đến thu hồi năng lượng và lựa chọn công nghệ 4

3 Đánh giá năng lượng thu hồi được từ rác thải 6

4 Sơ đồ hệ thống tận dụng nhiệt 7

4.1 Tường nước 7

4.2 Lò hơi 7

5 Các công nghệ thu hồi năng lượng 8

5.1 Công nghệ sinh học 8

5.1.1 Công nghệ phân hủy kị khí Anaerobic Digestion( AD ) 8

5.1.2 Kiểu dáng và cấu hình của các hệ thống Anaerobic Digestion( AD ) 10

5.2 Công nghệ thiêu đốt 12

5.2.1 Các hệ thống thiêu đốt cơ bản 13

5.2.1.1. Thiêu đốt hàng loạt 13

5.2.1.2. Đốt theo modular 14

5.2.1.3. RDF 14

5.3 Nhiệt phân/ khí hóa 18

5.3.1 Quá trình nhiệt phân Garets Flash 20

5.3.2 Hệ thống khí hóa Destrugas 21

5.3.3 Quá trình nhiệt phân được phát triển bởi Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng của Cục Mỏ, Pittsburg 23

5.3.4. Quy trình Slury card 24

5.3.5 Quy trình Voest Alpine 25

5.3.6 Nhiệt phân khí hóa plasma 26

6 Đánh giá ưu nhược điểm từng công nghệ 28

7 Tính khả thi khi áp dụng ở Việt Nam 30

Kết luận

31

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1:Các thông số kỹ thuật áp dụng cho thu hồi năng 5Bảng 2: So sánh nhiên liệu Efuel và nhiên liệu hóa thạch 24Bảng 3: Đánh giá ưu nhược điểm từng công nghệ 28

DANH MỤC HÌNH

Hình 1: Hệ thống tuabin hơi 7

Hình 2: Hệ thống máy phát tuabin khí 8

Hình 3: Sơ đồ hệ thống Anaerobic Digestion (AD) 9

Hình 4 : Hệ thống phân hủy chất thải rắn có nồng độ cao 11

Hình 5: Hệ thống phân hủy hai giai đoạn 12

Hình 6: Hệ thống thêu đốt hàng loạt 14

Hình 7: Sản xuất RDF từ chất thải rắn đô thị 15

Hình 8: Hệ thống khí hóa chung 19

Hình 9: Quá trình nhiệt phân Garets Flash 20

Hình 10: Hệ thống khí hóa Destrugas 22

Hình11: Quy trình Slury card 24

Hình12: Quy trình Voest Alpine 26

Hình13 :Nhiệt phân khí hóa plasma 27

GIỚI THIỆU

Trong mọi hoạt động của con người như thương mại, công nghiệp, y tế,nông nghiệp…chúng ta đều tạo ra rác thải Số lượng và thành phần của các rác thảirất khác nhau, tùy thuộc vào các hoạt động và sự phát triển của từng quốc gia Chỉriêng khu vực đô thị của châu Á, lượng rác thải đô thị phát sinh một ngày vàokhoảng 760.000 tấn, tương đương với 2,7 triệu m 3 /ngày Dự đoán năm 2025, con

số này sẽ tăng đến 1,8 triệu tấn chất thải mỗi ngày, hoặc 5.200.000 m 3/ ngày Ta

có thể thấy rằng chất thải rắn là một vấn đề càng ngày càng quan trọng ở tất cả cácnước, đặc biệt là những quốc gia đang phát triển như ở Việt Nam

Trong những năm gần đây, trong khi những nước phát triển đang tích cựcgiảm thiểu những tác động xấu từ chất thải rắn đến môi trường như xây dựngnhững bãi chôn lấp hợp vệ sinh, đốt rác ở nhiệt độ cao, cũng như bảo tồn tàinguyên thiên nhiên và năng lượng thông qua tái chế, tái sử dụng thì ở những nướcđang phát triển, lượng rác thải ngày càng gia tăng Rất ít thành phố có những thống

kê đầy đủ về chất thải rắn và những hệ thống xử lý, khiến cho chất lượng cuộcsống của người dân ngày càng giảm

Do vậy, đã đến lúc chúng ta cần gia tăng các phương pháp khoa học để xử lýchất thải một cách an toàn Cùng với việc giảm thiểu lượng rác thải phát sinh, táichế và tái sử dụng chúng, các công nghệ thu hồi năng lượng từ chất thải đóng mộtvai trò quan trọng trong việc giảm thiểu ô nhiễm cũng như nguồn năng lượng, tàinguyên thiên nhiên Những công nghệ này có thể làm giảm một lượng rác thảikhổng lồ cần xử lý, giảm một phần không nhỏ chi phí cho các hoạt động sống củacon người đồng thời bảo vệ môi trường Một mặc tích cực của những hệ thống thu

hồi năng lượng mà các nhà khoa học đang hướng tới là từ những hệ thống thu hồinăng lượng, một nguồn nhiên liệu sinh học được tạo thành, thay thế dần nguồnnhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt của con người, hướng đến phát triển bềnvững.

1.1 Hệ thống thu hồi năng lượng

Hệ thống thu hồi năng lượng là một hệ thống trao đổi nhiệt trong đó nhiệt năngcủa chất thải rắn đem đốt được chuyển thành nhiệt của nước do sự chênh lệch nhiệt

độ giữa nước và khí lò thải ra

Năng lượng có thể được thu hồi từ các chất thải có thành phần hữu cơ (phânhủy sinh học cũng như không phân hủy sinh học) cơ bản thông qua hai phươngpháp sau:

• Chuyển đổi Nhiệt hóa học: Quá trình này đòi hỏi phải có sự tham gia củanhiệt độ để biến các thành phần không hữu cơ, dùng để sản xuất hoặc tạonăng lượng nhiệt, dầu nhiên liệu hay nhiên liệu khí

• Chuyển đổi Nhiệt sinh - hóa: Quá trình này dựa trên sự phân hủy enzymecác chất hữu cơ dưới tác động của vi sinh vật nhằm tạo ra khí metan hayrượu

Các quá trình chuyển đổi nhiệt hóa học rất hữu ích đổi với những chất thải cóchứa thành phần chất không phân hũy hữu cơ cao và có độ ẩm thấp Công nghệđược sử dụng chủ yếu là Thiêu hủy và Nhiệt phân/ Khí hóa

1.2 Lịch sử của hệ thống

Có lẽ hệ thống thu hồi năng lượng nhiệt đầu tiên trên thế giới được thực hiệnbởi Thomas Edison Vào năm 1882, ông cho xây dựng một nhà máy phát điệnthương mại, sản xuất cả điện và nhiệt năng trong đó dùng nhiệt thải để sưởi ấm cáctòa nhà lân cận Việc thu hồi năng lượng nhiệt này đã giúp nhà máy của Edisongiảm khoảng 50% chi phí.

Đến năm 1900, những mạng lưới điện nông thôn được xây dựng ở Hoa Kỳ.Những mạng lưới này không chỉ cung cấp điện mà còn cung cấp lượng nhiệt phát

ra từ những hệ thống phát điện

Gần cùng thời điểm đó, các hệ thống phân hủy kị khí đầu tiên đã được xây dựng

ở Bombay, Ấn Độ năm 1859 Năm 1895, hệ thống thu hồi khí đã được phát triển ởExeter, Anh, nơi mà khí được thu hồi cho việc chiếu sáng thành phố Từ năm 1930,các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu các công nghệ phân hủy kị khí nhằm thuhồi năng lượng khí một cách triệt để nhất

Cùng với sự phát triển của con người, yêu cầu về thu hồi năng lượng cũngtăng cao, hoàn thiện hơn, do vậy mà công nghệ nhiệt phân/ khí hóa và plasma ngàycàng được nghiên cứu kĩ Trong sự phát triển của con người, nhiệt phân đã có từrất lâu nhưng những công nghệ thì phát triển cuối thế kỉ 19, đầu thế kỉ 20 và các hệthống thu hồi năng lượng được phát triển mạnh nhất từ 50 năm trở lại đây

Bên cạnh Hoa Kỳ, việc thu hồi năng lượng còn được áp dụng ở nhiều nướckhác Đan Mạch có lẽ là quốc gia thu hồi năng lượng nhiều nhất, có khoảng 55 %năng lượng ở nước này được lấy từ những nhà máy phát điện Ngoài ra còn cónhững nước khác như Đức, Nga, Ấn Độ cũng đang tích cực trong việc thu hồi nănglượng

1.3 Lợi ích thu hồi năng lượng từ rác thải

+ Tổng khối lượng chất thải giảm gần 60 đến 90% tùy thuộc vào thành phần chấtthải và công nghệ phục hồi.

+ Giảm nhu cầu sử dụng đất đai

+ Giảm được chi phí vận chuyển, tùy vào từng công nghệ áp dụng mà chi phí sẽgiảm xuống tương ứng

+ Giảm thiểu ô nhiễm môi trường

+Improvement in the quality of leftover waste Nâng cao chất lượng chất thải cònsót lại

+Improved commercial viability of the waste disposal project from the sale ofenergy/products Cải thiện khả năng thương mại của dự án xử lý chất thải từ việcbán năng lượng/ sản phẩm

+Hướng đến phát triển bền vững

2 Các thông số ảnh hưởng đến thu hồi năng lượng và lựa chọn công nghệ

Các thông số chính nhằm xác định khả năng thu hồi năng lượng từ chất thải(bao gồm cả rác thải sinh hoạt) là:

+ Số lượng chất thải

+ Tính chất vật lý, hóa học của chất thải

Việc áp dụng thu hồi năng lượng trên thực tế sẽ phụ thuộc vào quá trình xử lýđược ứng dụng, việc lựa chọn quá trình xử lý còn phụ thuộc vào thông tin chínhxác, tỷ lệ biến động của các thành phần rác thải theo thời gian (ngày/mùa) để cóthể áp dụng quá trình xử lý nhằm đem lại hiệu quả nhất

• Các thông số vật lý quan trọng cần xem xét bao gồm:

+ Kích thước của các thành phần: chất thải có kích thước càng nhỏ càng dễ phân

hủy

+ Mật độ : Chất thải có mật độ cao thì thành phần chất hữu cơ cao và độ ẩm cao,

chất thải có mật độ thấp thì tỷ lệ giấy, nhựa, các chất dễ cháy khác cao

+ Độ ẩm: Độ ẩm cao tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân hủy sinh học Độ

ẩm thấp thuận lợi cho quá trình thiêu đốt, nhiệt phân, khí hóa

• Các thông số hóa học quan trọng để xem xét nhằm xác định công nghệ thuhồi năng lượng, phù hợp với xử lý chất thải bằng cách chuyển đổi hóa sinhhay chuyển đối nhiệt hóa học, bao gồm:

Bảng 1

CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT ÁP DỤNG CHO THU HỒI NĂNG LƯỢNG

Các tham số xử lýquan trọng

Độ ẩm

Chất hữu cơ dễ bayhơi/Tổng chất hữu cơ

Carbon cố địnhTổng chất trơNhiệt trị

k-Chuyển đối hóa

3 Đánh giá năng lượng thu hồi được từ rác thải

Đánh gia sơ bộ khả năng phục hồi năng lượng từ rác thải đô thị thông qua cácphương pháp khác nhau dựa vào hiểu biết của chúng ta về giá trị nhiệt, thành phầnchất thải

Trong chuyển đổi nhiệt hóa học tất cả các chất hữu cơ, những chất có khả năngphân hủy sinh học cũng như không phân hủy sinh học, nhằm sản xuất năng lượngthì ta có thể tính sơ bộ như sau:

 Tổng lượng chất thải rắn ( W) tấn

 Nhiệt giá trị (NCV) k-cal/kg

 Khả năng thu hồi năng lượng (kWh) = NCV x W x 1000 / 860 = 1,16 xNCV x W

 Khả năng phát điện (kW) = 1,16 x NCV x W / 24 = 0,048 x NCV x W

Hiệu suất chuyển đổi = 25%

 Do vậy, khả năng phát điện (kW)= 14.4x W

Trong chuyển đối hóa sinh, chỉ có thành phần chất hữu cơ đóng góp vào tạonăng lượng

 Tổng lượng chất thải: W (tấn)

Chất rắn dễ bay hơi/ tổng chất hữu cơ: VS = 50%

Chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học: xấp xỉ 66% của VS = 0,33 x W

Hiệu suất tiêu hóa của vi sinh vật trung bình = 60%

Sản lượng khí đốt sinh học trung bình: B (m3) = 0,80 m3/ kg của VS bị pháhủy

= 0,80 x 0,60 x 0,33 x W x1000 = 158,4 x W

 Nhiệt trị của khí sinh học = 5000 kcal/m3

Khả năng thu hồi năng lượng (kWh) = B x 5000 / 860 = 921 x W

Khả năng phát điện (kW) = 921 x W / 24 = 38,4 x W

Với hiệu suất chuyển đổi = 30%

Do vậy, khả năng phát điện (kW) = 11,5 x W

CTR đô thi, nhiên liệu sản xuất từ CTR(RDF

Sử dụng tua bin hơi Bơm bổ sung

Nhìn chung, với khoảng 100 tấn chất thải rắn đô thị, nếu thành phần rác đô thị cóchứa từ 50-60% chất hữu cơ thì có thể tạo thành 1-1.5 Mega Watt điện năng, tùythuộc vào đặc tính của chất thải rắn Ở Việt Nam, theo Tiến sĩ Lê Văn Khoa, Giámđốc Quỹ tái chế TPHCM, tại nhà máy thu hồi khí phát điện tại bãi chôn lấp GòCát, trung bình 1m3 biogas có thể sản xuất được 1,67 kWh điện Như vậy 1 tấnCTR hữu cơ có thể tạo ra trên 300 kWh điện, tiết kiệm được 0,239 m3 đất chôn lấp,giảm 240.000 đồng chi phí chuyên chở, chôn lấp

4.1 Tường nước: tường thành của buồng được nối với các ống của nồi hơi Các

ống này được đặt thẳng đứng và hàn lại với nhau Nước lưu thông trong ống sẽ hấpthu năng lượng nhiệt sinh ra từ lò hơi và tạo ra hơi nóng

4.2 Lò hơi: buồng đốt của lò đốt được làm từ gạch chịu lửa nhằm hạn chế thất

thoát nhiệt qua tường lò Khí lò thải ra có nhiệt độ cao sẽ được hướng vào các ốngnhiệt thải lò hơi riêng lẻ lắp đặt bên ngoài buồng đốt

Sơ đồ hệ thống tận dụng nhiệt: lò hơi để sản xuất hơi nước.

Tuabin hơi, tuabin khí hoặc động cơ pitton tạo năng lượng cơ (tuabin hơi sửdụng các hệ thống lớn 10-50 MW, tuabin khí và động cơ pitton sử dụng trong các

hệ thống nhỏ hơn) Máy phát điện chuyển năng lượng thành điện năng

Hình 1: Hệ thống tuabin hơi

Điện năng

Xả khí

Buồng đốt Tuabin áp lực

Không khí Khí đốt

Hình 2: Hệ thống máy phát tuabin khí

Tuabin khí cần nhiên liệu khí hoặc lỏng: Các nhiên liệu này có thể cung

cấp bởi quá trình sinh học, như khí thải bãi rác hoặc do phân hủy kỵ khí CTR đôthị hoặc nhiệt phân hay khí hóa Tua bin khí tương tự như động cơ phản lực nhằmchuyển hóa nhiệt năng thành cơ năng Máy phát điện được nối trực tiếp với trụccủa tuabin khí Tuabin khí có hiệu suất cao, gọn nên được ứng dụng nhiều trong

hệ thống xử lý khí của bãi rác

5 Các công nghệ thu hồi năng lượng

5.1Công nghệ sinh học

5.1.1 Công nghệ phân hủy kị khí Anaerobic Digestion (AD)

Quá trình này cũng được gọi là methanation sinh học, các chất thải hữu cơđược đặt trong các container kín, tạo điều kiện yếm khí, các chất hữu cơ trải quaqua trình phân hủy nhằm tạo khí metan sinh học, bùn và nước rỉ rác Có thể tạokhoảng 50-150 m3 khí từ một tấn chất thải, tùy thuộc vào thành phần chất thải rắn.Các khí sinh học có thể dùng để đun nóng, đốt, hay dùng để chạy các tua bin nhằmtạo ra điện Đối với bùn từ quá trình phân hủy kị khí, sau một thời gian ổn định, cóthể sử dụng như một chất bổ sung vào đất, cũng có thể bán như phân bón, tùythuộc vào thành phần của phân dựa vào thành phần của chất thải đầu vào Về cơbản, quá trình tiêu hóa kỵ khí có thể được chia thành ba giai đoạn với ba nhóm visinh vật khác nhau

Giai đoạn I: Nó bao gồm các vi khuẩn lên men, trong đó bao gồm kỵ khí và

vi sinh vật tùy ý Vật liệu hữu cơ phức tạp, carbohydrate, protein và chất béo bịthủy phân và lên men thành acid béo, alcohol, khí carbon dioxide, hydro, amoniac

và sulfua

Giai đoạn II: Trong giai đoạn này, vi khuẩn acetogenic tiêu thụ các sản phẩm của

giai đoạn I và tạo ra hydro, carbon dioxide và acid acetic

Giai đoạn III: chủ yếu vi khuẩn sử dụng hai loại men methanogenic Loại men đầu

làm giảm carbon dioxide để tạo khí mê-tan, loại men thứ hai làm giảm cácdecarboxylates của axit axetic nhằm tạo khí mê-tan và carbon dioxide

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kị khí bao gồm nhiệt độ, pH,chất dinh dưỡng, tốc độ tải, độc tố Nhiệt độ tối ưu là khoảng 35-38 oC, đối với vi

sinh vật thuộc nhóm mesophilic thì nhiệt độ thích hợp khoảng 20-45oC, đối với vi

khuẩn thermophillic, nhiệt độ cần thiết khoảng 45-60oC, như vậy sẽ hiệu quả hơncho các hệ thống cung cấp nhiệt nhằm sản xuất điện

Phân hủy kị khí (AD) đối với chất thải rắn có lợi thế nhất định so với phânhủy hiếu khí về sản xuất năng lượng, phân compost và lợi ích môi trường, cụ thể:+ Chất lượng phân compost tốt hơn do nitơ không bị mất bởi quá trình oxy hóa + Hệ thống khép kín nên không gây ô nhiễm môi trường không khí.

+ Mang lại nhiều lợi ích cho môi trường

Hình 3: Sơ đồ hệ thống Anaerobic Digestion (AD)

5.1.2 Kiểu dáng và cấu hình của các hệ thống Anaerobic Digestion (AD)

Các thiết kế và cấu hình khác nhau của các hệ thống AD được phát triển bởinhững công ty khác nhau để phù hợp với thành phần chất thải rắn và từng giaiđoạn phát triển của vi sinh vật.

a/ Hệ thống phân hủy chất thải rắn có hàm lượng trung bình/ thấp

Một số lượng lớn các hệ thống hiện nay sẵn có trên thị trường thế giới ápdụng để phân hủy rác thải có nồng độ chất thải rắn thấp (<10%) hay trung bình(10-16%) Một số hệ thống này, khi áp dụng cho chất thải rắn đô thị hay thị trường

xử lý chất thải, yêu cầu sử dụng nước, nước bùn thải hay phân bón

Ưu điểm của phương pháp này là chi phí vận hành đơn giản và thiết bị rẻtiền Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống này là tốn nhiều nước, phải xử lý nướcthải và tốn năng lượng để gia nhiệt cho hệ thống

b/ Hệ thống phân hủy chất thải rắn có nồng độ cao

Các hệ thống này được phát triển vào cuối thập niên tám mươi không chỉ đểchỉ áp dụng đối với chất thải rắn đô thị mà còn cho công nghiệp, chất thải nôngnghiệp Hệ thống này có thể phân hủy rác thải có nồng độ chất thải rắn từ 16-40%.Các hệ thống này được gọi là “ phân hủy khô” hay “ phân bón kị khí” khi nồng độrắn khoảng 25-40% và nước được cung cấp cho hệ thống là rất ít Hệ thống này cónhiều thiết kế khác nhau

Hình 4 Sơ đồ hệ thống Anaerobic Digestion nồng độ cao

Ưu điểm của phương pháp này là có thể phân hủy được cả xenlulo, ít kimloại nặng trong sản phẩm hữu cơ thu được, tuy nhiên chi phí đầu tư lớn.

c/ Hệ thống phân hủy hai giai đoạn

Trong quá trình phân hủy kị khí gồm gia đoạn acid hóa và metan hoa Người

ta dùng thiết bị tách riêng hai quá trình nhằm tăng hiệu suất Tuy nhiên, hệ thốngcần phải được vận hành và kiểm soát chặt chẽ

Hình 5 Sơ đồ hệ thống phân hủy hai giai đoạn

Ưu điểm của phương pháp này là hiệu suất thu hồi khí cao, tuy nhiên hệthống này lại tốn diện tích, cần kinh nghiệm của người vận hành

5.2 Công nghệ thiêu đốt

Công nghệ thiêu đốt là quá trình đốt cháy trực tiếp của chất thải với sự hiệndiện của không khí ở nhiệt độ trên 8000C, giải phóng được nhiệt, khí trơ và tro Sảnlượng năng lượng phụ thuộc vào mật độ và thành phần của chất thải, tỷ lệ phầntrăm độ ẩm tương đối, ngoài ra còn do tổn thất nhiệt, nhiệt độ đánh lửa, kích thước

và hình dạng của rác, thiết kế của các hệ thống đốt (hệ thống cố định/ tầng sôi).Trong thực tế, có khoảng 65 -80% năng lượng của các chất hữu cơ có thể đượcphục hồi như năng lượng nhiệt, có thể được sử dụng hay cho ứng dụng trực tiếp, đểsản xuất điện năng thông qua các tua bin hơi nước, các máy phát điện (với hiệusuất chuyển đổi khoảng 30%)

Nhiệt độ cháy của lò khoảng 7600C ở buồng sơ cấp, khoảng 8700C tại buồngthứ cấp Nhiệt độ này cần thiết để khử mùi nhưng không đủ để đốt cháy hoặc làmtan chảy thủy tinh Để tránh những thiếu sót của những lò đốt thông thường, một

số lò đốt hiện đại có thể sử dụng nhiệt độ lên đến 16500C bằng cách bổ sung nhiênliệu Với nhiệt độ này, có thể giảm đến 97 % lượng rác thải, kim loại bị chuyển đổi

và thủy tinh thành tro

Chất thải bị đốt cháy để giảm khối lượng có thể không cần bất kì nhiên liệuphụ trợ ngoại trừ khi khởi động Khi mục đích của phương pháp đốt nhằm sản xuấthơi nước, nhiên liệu bổ sung có thể được sử dụng với rác nghiền thành bột, vì hàmlượng chất thải sẽ thay đổi năng lượng, ta cũng cần phải bổ sung nhiên liệu phụ trợtrong trường hợp chất thải hiện diện trong lò không đủ.

Trong khi phương pháp thiêu đốt được sử dụng rộng rãi như là một phươngpháp quan trọng để xử lý chất thải, nó gắn liền với việc gây ô nhiễm môi trường,mặc dù ở những mức độ khác nhau Chúng ta có thể kiểm soát việc này bằng cáchlắp đặt các thiết bị kiểm soát ô nhiễm phù hợp, xây dựng lò phù hợp và kiểm soátquá trình cháy

Ví dụ, nếu rác thải sinh nhiều nhiệt hơn so với dự kiến, thì người ta sẽ cho ít rácthải vào hơn Ngoài ra, người ta không thể tận dụng được kim loại, do chúng đãbiến thành tro trong quá trình đốt Hàng loạt nhà máy thiêu đốt như vậy đã hoạtđộng thành công ở châu Âu trong hơn một trăm năm nay