Tài liệu Tính toán, thiết kế mô hình thực nghiệm cacbon hóa chất thải rắn đô thị công suất 3-5kg-mẻ

Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT LỜI NÓI ĐẦU Vấn đề môi trường đang là vấn đề bức bách không chỉ đối với mỗi người, mỗi quốc gia, mà còn trở thành vấn đề toàn cầu. Một trong những vấn đề môi trường được quan tâm nhiều đó là vấn đề rác thải sinh hoạt. Mỗi năm cả nước thải trên 15 triệu tấn rác, nhưng mới chỉ thu gom được 45% - 50%. Điều kiện chủ yếu để đảm bảo tốt trạng thái vệ sinh ở khu dân cư đô thị là phải có kế hoạch làm sạch và quét dọn thường xuyên các loại chất thải ở các khu nhà ở. Đó là chất thải sinh hoạt, thức ăn dư thừa, các loại rác thải đường phố… Các loại chất thải này sẽ gây ô nhiễm, nhiễm khuẩn đối với môi trường xung quanh. Rác thải được thu gom chủ yếu đổ vào các bãi tạm bợ, đại khái mà không được xử lý, hoặc chôn lấp theo quy hoạch và hợp vệ sinh vẫn gây ảnh hưởng đến môi trường sống, nguồn nước mặt, nguồn nước ngầm, tốn 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 (than hoạt tính), phục vụ cho các nhiều lĩnh vực khác trong cuộc sống như: nghiên cứu khoa học, hay xử lý các loại nước thải… TrÇn V¨n HuÖ 1 MSSV: 505303026 Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT Trong quá trình làm nghiên cứu khoa học, nhóm sinh viên (khoa Công nghệ sinh học và môi trường - Trường đại học Phương Đông) đã tiến hành thực nghiệm tại Viện Công nghệ môi trường, với quy mô nhỏ 10-50 g chất thải với các thành phần chất thải đô thị khác nhau như vải, gỗ, giấy… ở các nhiệt độ, thời gian khác nhau, đã có một số kết quả nhất định về khả năng thu được sản phẩm và giá trị của sản phẩm. Chính vì vậy muốn phát triển nghiên cứu ở mức độ cao hơn, quy mô lớn hơn để có thể tiến dần đến việc triển khai ứng dụng. Xuất phát từ những lý do trên, tác giả đã chọn đề tài nghiên cứu: “Tính toán, thiết kế mô hình thực nghiệm cacbon hóa chất thải rắn đô thị công suất 3-5kg/mẻ ” Trong nghiên cứu này, tôi đã cố gắng tìm hiểu tài liệu, thu thập thông tin,… để hoàn thành báo cáo. Song, không thể tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình nghiên cứu, rất mong nhận sự đóng góp ý kiến của Quý thầy cô, cùng các bạn để báo cáo được hoàn thiện hơn. Sau đây là những nội dung chính mà tác giả trình bày trong báo cáo: Chương I: Tổng quan công nghệ cacbon hoá Chương II: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu Chương III: Tính toán và thiết kế các thông số cơ bản của lò đốt Chương IV: Kết luận và kiến nghị TrÇn V¨n HuÖ 2 MSSV: 505303026 Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT Chương I: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ CACBON HOÁ 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%. Mức sống dân cư nói chung từng bước được nâng cao, phong cách tiêu dùng, thói quen sinh hoạt của xã hội đã và đang có nhiều thay đổi. Từ những yếu tố trên mà chất thải rắn đô thị phát sinh từ các hộ gia đình cũng biến đổi không ngừng cả về số lượng, chất lượng và thành phần. Nếu những chất thải này không được thu gom và xử lý kịp thời sẽ gây tác động xấu đến môi trường sống, làm ảnh hưởng đến đời sống và sức khỏe con người. Vì vậy, việc quản lý chất thải là một thách thức lớn, với chi phí cho hoạt động không nhỏ, nhưng điều quan trọng là nó 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 lớn. Khi tính toán thiết kế mô hình, cần xác định tiềm năng phát triển công nghệ, sau đây là một số tìm hiểu về tiềm năng phát triển công nghệ cacbon hóa ở Việt Nam. I.1. Hiện trạng chất thải rắn Việt Nam Lượng phát sinh CTR ở Việt Nam lên đến hơn 15 triệu tấn mỗi năm, trong đó chất thải sinh hoạt từ các hộ gia đình, nhà hàng, khu chợ và kinh doanh chiếm tới 80% tổng lượng chất thải phát sinh trong cả nước. Lượng còn lại phát sinh từ các cơ sở công nghiệp. Chất thải nguy hại công nghiệp và các nguồn chất thải y tế nguy hại, tuy phát sinh với khối lượng ít hơn nhiều, nhưng cũng được coi là nguồn thải đáng lưu ý do chúng có nguy cơ gây nguy hại cho sức khoẻ con người và môi trường rất cao nếu như nó không được xử lý theo cách thích hợp [1]. I.1.1. Chất thải sinh hoạt [1,2,6,7] Nguồn phát thải chính là các thành phố ở Việt Nam (Bảng 1). Các đô thị, dân số đô thị chỉ chiếm khoảng 24% dân số cả nước nhưng lại phát sinh đến hơn 6 triệu tấn mỗi năm (khoảng 50% tổng lượng chất thải rắn sinh hoạt cả nước), đến năm 2010 với quy mô dân sô đô thị chiếm xấp xỉ 33% thì lượng chất thải TrÇn V¨n HuÖ 3 MSSV: 505303026 Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT rắn sinh hoạt tiếp tục gia tăng. Ước tính mỗi người dân đô thị ở Việt Nam trung bình thải ra khoảng trên 2/3 kg mỗi ngày, gấp đôi lượng thải bình quân đầu người ở nông thôn. Bảng 1. Phát sinh chất thải sinh hoạt [1] Địa điểm Lượng phát thải theo đầu người (kg/người/ngày) % so với tổng lượng thải % thành phần hữu cơ Đô thị (toàn quốc) 0,7 50 55 Tp. Hồ Chí Minh 1,3 9 Hà Nội 1,0 6 Đà Nẵng 0,9 2 Nông thôn (toàn quốc) 0,3 50 60-65 Nguồn: Khảo sát của nhóm tư vấn 2004; số niệu về nông thôn tính toán từ số liệu của cục môi trường năm 2000 và ĐHNN I Hà Nội năm 2003. I.1.2. Chất thải công nghiệp [1,2,6,7] Ước tính, lượng phát sinh chất thải công nghiệp chiếm khoảng 20-25% tổng lượng chất thải, tuỳ theo quy mô và cơ cấu công nghiệp của từng tỉnh, thành phố (Hình 1). 6% 1% 30% 48% 5% 10% Đông nam bộ Miền núi phía Bắc Nam trung bộ Đồng bắng sông Cửu long Đồng bằng sông Hông Tây nguyên Hình 1. Tỉ lệ lượng phát sinh chất thải công nghiệp theo quy mô vùng TrÇn V¨n HuÖ 4 MSSV: 505303026 Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT Chất thải công nghiệp tập trung nhiều ở miền Nam, chủ yếu là khu vực Đông Nam bộ, trong đó Thành phố Hồ Chí Minh chiếm khối lượng đáng kể (31% tổng lượng chất thải công nghiệp cả nước). Chất thải công nghiệp phát sinh từ các làng nghề ở vùng nông thôn chủ yếu tập trung ở các tỉnh phía Bắc. Với 1.450 làng nghề mỗi năm phát thải cỡ 774.000 tấn chất thải công nghiệp không nguy hại (54% lượng chất thải này phát sinh từ 2 tỉnh Bắc Ninh và Hà Nội (bao gồm cả tỉnh Hà Tây cũ)) I.1.3. Chất thải nguy hại [1,2,6,7] Tổng lượng chất thải nguy hại năm 2003 phát sinh ước tính khoảng 160.000 tấn, trong đó 130.000 tấn phát sinh từ công nghiệp, 21.000 tấn phát sinh từ các bệnh viện, cơ sở y tế và điều dưỡng. Trong khi các nguồn phát sinh chất thải nguy hại từ hoạt động nông nghiệp chỉ chiếm khoảng 8.600 tấn. Phần lớn chất thải công nghiệp nguy hại phát sinh ở miền Nam, chiếm khoảng 64% tổng lượng chất thải nguy hại phát sinh của cả nước, trong đó một nửa là lượng chất thải phát sinh từ Thành phố Hồ Chí Minh. Tiếp theo là các tỉnh phía Bắc với lượng chất thải nguy hại phát sinh chiếm 33%. Ngành công nghiệp nhẹ là nguồn phát sinh chất thải công nghiệp nguy hại lớn nhất (chiếm 47%), tiếp theo là ngành công nghiệp hoá chất (24%) và ngành công nghiệp luyện kim (20%). (Hình 2). 1% 8% 20% 47% 24% Công nghiệp nhẹ Luyện kim Điện, điện tử Hóa chất Chế biến thực phẩm Hình 2. Tỉ lệ đóng góp lượng chất thải nguy hại của một số ngành Mỗi tỉnh/thành đều phát sinh một lượng lớn chất thải y tế nguy hại. Khoảng 20% tổng lượng chất thải y tế là chất thải nguy hại. Tuy Thành phố Hồ TrÇn V¨n HuÖ 5 MSSV: 505303026 Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT Chí Minh và Hà Nội chiếm 23% tổng công suất bệnh viện của cả nước, nhưng hệ thống các bệnh viện trong cả nước đã được đầu tư xây dựng rất tốt với số lượng giường bệnh của mỗi tỉnh ít nhất đạt mức 500 giường. Thành phố Hồ Chí Minh, Thanh Hoá và Hà Nội phát sinh cỡ 6.000 tấn chất thải y tế nguy hại mỗi năm. Các tỉnh/thành phố khác có khối lượng phát sinh chất thải y tế nguy hại ít hơn, cỡ khoảng 70-600 tấn mỗi năm. Các hoạt động nông nghiệp mỗi năm phát sinh một lượng khá lớn các chất tồn dư thuốc bảo vệ thực vật độc hại và các loại bao bì, thùng chứa thuốc trừ sâu. Khoảng 8.600 tấn chất thải nông nghiệp nguy hại chủ yếu gồm các loại thuốc trừ sâu, bao bì và thùng chứa thuốc trừ sâu, mà trong số đó có nhiều loại thuốc trừ sâu đã cấm sử dụng và được nhập lậu. Lượng thuốc trừ sâu được dùng nhiều nhất là ở vùng Đồng bằng sông Cửu Long. Việt Nam đang trong thời kỳ đổi mới và phát triển kinh tế, quá trình đô thị hoá và hiện đại hoá diễn ra nhanh. Với tốc độ tăng trưởng như hiện nay thì dự báo đến năm 2010 tổng lượng chất thải phát sinh sẽ lên đến trên 23 triệu tấn và thành phần chất thải sẽ thay đổi từ chỗ dễ phân huỷ và ít nguy hại sang khó phân huỷ và nguy hại. I.1.4. Thành phần chất thải rắn đô thị [7,8,11] Thành phần chất thải rắn ở nước ta rất đa dạng và đặc trưng theo từng khu vực dân cư sinh sống (thói quen, mức độ văn minh, tốc độ phát triển). Các đặc trưng chính của chất thải rắn - 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 chất thải rắn đóng vai trò rất quan trọng trong việc lựa chọn các công nghệ xử lý. Thành phần chất thải rắn 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 lớn. TrÇn V¨n HuÖ 6 MSSV: 505303026 Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT Bảng 2. Thành phần chất thải rắn ở một số đô thị [7] (tính theo trọng lượng, %) TT Thành phần Hà Hải TP Đà nội Phòng Hạ Long Nẵng TP Hồ Chí Minh 1 Chất hữu cơ 50,10 50,58 40,1- 44,7 31,50 41,25 2 Cao su, nhựa 5,50 4,52 2,7- 4,5 22,50 8,78 3 Giấy, catton, giẻ vụn 4,20 7,52 5,5- 5,7 6,81 24,83 4 Kim loại 2,5 0,22 0,3- 0,5 1,40 1,55 5 Thủy tinh, sứ, gốm 1,8 0,63 3,9- 8,5 1,8 5,59 6 Đất, đá, cát, gạch vụn 35,90 36,53 47,5- 36,1 36,00 18,00 Độ ẩm 47,7 45- 48 40- 46 39,05 27,18 Độ tro 15,9 16,62 11,0 40,25 58,75 Tỷ trọng (tấn/m3) 0,42 0,45 0,57- 0,65 0,38 0,412 Nguồn: Số liệu quan trắc - CEETIA Bảng 3. Thành phần chất thải ở Hà Nội [7] Tỷ lệ phần trăm so với tổng lượng chất thải rắn (năm) Thành phần chất thải 1995 2003 Hữu cơ 51,8 48,1 Vải, giấy 4,2 1,8 Nhựa, cao su, da, gỗ, lông da cầm 4,3 10,5 Nhựa là 15% Kim loại 5,5 5,0 Thủy tinh 0,5 7,2 Chất trơ 30,0 10,4 Khác 0,2 0,4 Nguồn: Số liệu năm 2003 lấy từ số liệu quan trắc của CEETIA, 2003. TrÇn V¨n HuÖ 7 MSSV: 505303026 Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT Bảng 4. Thành phần chất thải ở khu dân cư điển hình Cầu Giấy - Hà Nội[11] Loại rác NT, kg LQTT, YH, kg kg Tổng, NT, LQTL, kg % % YH, % Trung bình % Giấy 8,193 11,771 13,342 34,026 13,50 18,52 11,28 13,73 Plastic 5,955 6,846 12,572 25,373 9,02 10,77 10,63 10,24 Vải 0,701 0,498 1,742 2,941 1,06 0,78 1,47 1,19 Cao su 0,197 0,015 0,308 0,520 0,30 0,02 0,26 0,21 Da 0,305 0,305 0,48 0,12 Thủy tinh 0,796 0,947 2,507 4,250 1,21 1,49 2,12 1,71 Kim loại 1,227 0,985 0,912 3,124 1,86 1,55 0,77 1,26 cành 2,657 1,430 8,206 12,293 4,02 2,25 6,94 4,96 Gỗ 0,392 0,470 1,220 2,082 0,59 0,74 1,03 0,84 Gốm, sứ 0,059 0,116 1,493 1,668 0,09 0,18 1,26 0,67 Thức ăn 30,669 38,138 63,609 132,416 46,45 60,02 53,78 53,43 Khác 14,460 2,027 12,365 28,852 3,19 10,45 11,64 Tổng 66,026 63,547 118,276 247,850 100,00 100,00 100,00 100,00 Lá, cây 21,90 NT: Khu chung cư Nghĩa Tân nhiều tầng kiểu cũ; LQTTL: Làng Quốc tế Thăng Long; YH: Khu nhà liền kề Yên Hòa Nguồn: Viện Công nghệ Môi trường năm 2006 I.2. Tổng quan công nghệ Cacbon hóa [7] I.2.1. Khái niệm quá trình cacbon hoá Hiện nay, phương pháp thiêu đốt được sử dụng phổ biến để xử lý chất thải y tế, và chất thải nguy hại, nhằm ngăn ngừa dịch bệnh và các sự cố nguy hiểm về môi trường. 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 số công nghệ 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 xử lý ô nhiễm TrÇn V¨n HuÖ 8 MSSV: 505303026 Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT 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. 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 dioxin 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 rắn 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, mêtan và một TrÇn V¨n HuÖ 9 MSSV: 505303026 Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT số loại hợp chất hữu cơ khác dễ bay hơi. Khí tổng hợp có nhiệt trị là 10 - 20 MJ/Nm3. I.2.2. Ưu điểm của công nghệ cacbon hoá - Giảm khối lượng chất thải rắn - 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. - 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) - Thay thế cho phương pháp chôn lấp hiện nay, do tình trạng quá tải và không xử lý được các thành phần không có khả năng phân hủy sinh học. I.3. Tình hình nghiên cứu công nghệ Cacbon hóa [7,8,9] I.3.1 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 TrÇn V¨n HuÖ 10 MSSV: 505303026 Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT 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 1990 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 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 TrÇn V¨n HuÖ 11 MSSV: 505303026 Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT 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 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 TrÇn V¨n HuÖ 12 MSSV: 505303026 Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT 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 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. TrÇn V¨n HuÖ 13 MSSV: 505303026 Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT 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. Mỗi 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. 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 như 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. TrÇn V¨n HuÖ 14 MSSV: 505303026 Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT 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. 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. I.4.2. 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, TrÇn V¨n HuÖ 15 MSSV: 505303026 Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT vỏ trấu. Trong các thí nghiệm tiêu biểu, hệ thống nén ở 1MPa bằng không khí và 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 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. TrÇn V¨n HuÖ 16 MSSV: 505303026 Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT 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 2002, sinh khối được đựng trong hộp hình trụ nhỏ và đưa vào khoang cacbon hóa 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. Như vậy, công nghệ cacbon hóa áp suất cao có hiệu quả lớn, tuy nhiên áp dụng ở Việt Nam tại thời điểm hiện tại chưa phù hợp vì trình độ công nghệ hiện tại chưa cao. Trong tương lai, Việt Nam được đầu tư nghiên cứu công nghệ này với nguồn nguyên liệu của Việt Nam. TrÇn V¨n HuÖ 17 MSSV: 505303026 Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT I.4. Đánh giá tiềm năng nguyên liệu cho phương pháp cacbon hóa ở Việt Nam [7] Nguyên liệu cho phương pháp cacbon hóa ở Việt Nam rất đa dạng. Ngoài các sản phẩm là sinh khối nông nghiệp, chất thải nông nghiệp như lõi ngô, vỏ trấu, vỏ dừa ta còn có thể dùng các thành phần hữu cơ trong chất thải đô thị. Các thành phần này (xương động vật, gỗ, cao su, plastic, giấy,…) khó phân hủy sinh học. Phương pháp xử lý phổ biến ở nước ta hiện nay là chôn lấp hoặc thiêu đốt có (hoặc không) thu hồi nhiệt năng. Thành phần cacbon hóa của các chất thải này cao, do đó nó có thể đươc sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình cacbon hóa vừa tạo ra các sản phẩm có ích, vừa giảm bớt gánh nặng cho việc xử lý rác thải Trong mục này, tác giả xin đề cập chi tiết đến thành phần rác thải đô thị ở Hà Nội nói riêng để thấy được tiềm năng nguyên liệu cho phương pháp cacbon hóa tại Việt Nam. Một số kết quả nghiên cứu khảo sát của Viện Công nghệ môi trường Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam năm 2006 cho biết một cách cụ thể hơn một số nét đặc trưng của rác thải sinh hoạt từ các hộ gia đình ở đô thị Việt Nam, một thành phần đáng kể của rác thải đô thị nói chung. Tại Hà Nội, tổng lượng chất thải được thu gom riêng ở khu vực nội thành là 722.335 tấn/năm (khoảng 2.450 tấn/ngày) [Nguồn: URENCO, 2006]. Theo kết quả nghiên cứu, điều tra, khảo sát của Viện Công nghệ môi trường - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam năm 2006, tỷ lệ thành phần rác thải hữu cơ phát sinh từ các hộ gia đình khá cao, dao động quanh mức 80-85%, trong đó khoảng 55% là rác thải hữu cơ thực phẩm thích hợp làm phân composting phục vụ cho sản xuất nông nghiệp (bảng 5) TrÇn V¨n HuÖ 18 MSSV: 505303026 Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT Bảng 5. Tỷ lệ trung bình các thành phần rác thải chính khu vực nội thành Hà Nội (%) [7] Tổng rác thải phát sinh Rác thải không từ các hộ gia đình tái chế Giấy 13,73 9,8972 Plastic 10,24 8,2853 Vải 1,19 1,3100 Cao su 0,21 0,2316 Da 0,12 0,1359 Thủy tinh 1,71 0,6646 Kim loại 1,26 0,4975 Lá, cành cây 4,96 5,4756 Gỗ 0,84 0,9274 Gốm, sứ 0,67 0,7430 Thức ăn 53,43 58,9180 Khác 11,64 12,8510 Tổng 100,00 100,00 Nguồn: Viện công nghệ môi trường - Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam, 2006 Các chất hữu cơ khác như plastic, giấy, vải , cao su, da, cành, lá cây,… là những chất phân hủy chậm trong điều kiện chôn lấp, chiếm khoảng 30% (khoảng 750 tấn/ngày). Nếu xem xét các thành phần này trong rác thải của các hộ gia đình đổ vào xe thu gom của các Công ty vệ sinh môi trường sau khi có sự phân loại tự phát các thành phần có thể bán cho đồng nát thì còn khoảng 26%, tức khoảng 611 tấn/ngày ở riêng thành phố Hà Nội (bảng 5). Việc tái chế các loại chất thải trên để sử dụng như nguyên phụ liệu cho các ngành sản xuất, với trình độ công nghệ hiện có, còn có giá thành cao và gây ô nhiễm môi trường thứ phát mà hiện nay chưa kiểm soát nổi. Chính vì vậy, việc TrÇn V¨n HuÖ 19 MSSV: 505303026 Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT xử lý phổ biến hiện nay ở nước ta là chôn lấp, chế biến làm phân hữu cơ composting (một phần) hoặc thiêu đốt có (hoặc không) thu hồi nhiệt năng. 15% 26% Thực phẩm 59% Hữu cơ khó phân hủy Còn lại Hình 3. Tỷ lệ trung bình của các nhóm rác thải chính thành phố Hà Nội Với 26% tổng lượng rác đô thị, lượng rác khó phân hủy sinh học có thể sử dụng để xử lý các chất thải thành than (cacbon hóa) thì đây là nguồn nguyên liệu đáng kể cho quá trình này, chưa kể đến lượng sinh khối của nông nghiệp ở Việt Nam. Ngoài ra, Việt Nam cũng là một nước nông nghiệp, lượng rác thải nông nghiệp khá lớn nhưng hiện nay chưa có biện pháp nào thu gom, xử lý hiệu quả. Lõi ngô, vỏ trấu hay vỏ dừa… đều có thể là nguyện liệu cho quá trình cacbon hóa. Tóm lại, lượng chất thải hàng năm của nước ta rất lớn, thành phần đa dạng, có rất nhiều thành phần với khối lượng lớn các chất có thể tiến hành cho phương pháp cacbon hoá. Cacbon hoá là quá trình đốt nguyên liệu trong điều kiện thiếu oxi, tạo ra sản phẩm là than hoạt tính, có nhiều ứng dụng trong thực tế. Công nghệ này đã được tiến hành nghiên cứu từ rất sớm với nhiều dự án nổi tiếng như: Coalite, Mcintire…, tuy nhiên các dự án trên chưa tiến hành với rác thải, và sản phẩm tạo thành chủ yếu là than hoạt tính. Việt Nam có tiềm năng lớn về nguyên liệu, có rất nhiều khả năng phát triển công nghệ cacbon hoá. TrÇn V¨n HuÖ 20 MSSV: 505303026