BÁO CÁOKỸ THUẬT XỬ LÝ BÙN THẢIXỬ LÝ BÙN THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHÍ HÓA

BÁO CÁO KỸ THUẬT XỬ LÝ BÙN THẢI XỬ LÝ BÙN THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHÍ HĨA TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH KHOA MƠI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN BỘ MÔN KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG GVHD: PGS.TS NGUYỄN TẤN PHONG HVTH: PHAN ĐÌNH ĐƠNG LƯƠNG XUÂN LÂM TP.HỒ CHÍ MINH, 09/2016 1570558 MỤC LỤC: GIỚI THIỆU Thời đại cơng nghiệp hóa, đại hóa, mơi trường ngày bị nhiễm người quan tâm đến lợi nhuận kinh tế nên vấn đề mơi trường khơng phải tiêu chí quan trọng Khi lượng rác thải hay nước thải tồn đọng thời gian dài phát sinh mùi, nước rỉ rác chí cịn phân hủy nên bùn Mặt khác, rác thải tồn nhiều loại chất thải có kích thước nhỏ, kết hợp với nước tạo thành loại bùn ô nhiễm Trong thực tế, chất thải nhà máy, xí nghiệp thải mơi trường chủ yếu dạng bùn Giải vần đề thách thức lớn Những cách xử lý thông thường dùng để xử lý bùn thải thường chôn lấp hợp vệ sinh, ép khô Nhưng cách không giải triệt để Vấn đề đặt vừa xử lý triệt để, vừa sử dụng lượng q trình sản phẩm sinh sản phẩm có ích Hiện nay, phương pháp xử lý bùn quan tâm phương pháp xử lý bùn thải phương pháp khí hóa Sản phẩm q trình khí hóa khơng khí làm nhiên liệu, sử dụng sản xuất điện khơng sinh dioxon, khí gây ung thư trình xử lý XỬ LÝ BÙN THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHÍ HĨA Bùn thải 1.1 Khái niệm bùn thải Bùn thải hỗn hợp nhớt, hỗn hợp bán rắn bao gồm chất hữu chứa vi sinh vật, kim loại độc hại, hóa chất hữu tổng hợp giải chất thải rắn khỏi nước thải công nghiệp nước nhà máy xử lý nước thải Đặc điểm bùn thải Bùn thải sản phẩm cuối hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt công 1.2 nghiệp, từ xử lý bậc (vật lý/hóa học), bậc (sinh học) bậc cao (loại bỏ Nito, Photpho) Do tùy loại bùn thải mà chúng chứa độc tố sau đây: - Chất độ hại chứa kim loại nặng: Cd, Cr (III) Cr (VI), Cu, Hg, Ni, Pb, Zn, - Ag, nhóm kim loại platinum kim (As, Se) Các chất ô nhiễm hữu Vi khuẩn, vi rút, động vật nguyên sinh, giun ký sinh nấm Hình 1: Nguồn gốc bùn thải (ICON, 2001, modified) 1.3 Các công nghệ xử lý bùn thải - Thiêu đốt: phương pháp oxy hóa nhiệt độ cao với có mặt oxy khơng khí, sản phẩm cháy chất khí chất trơ khơng cháy Đây phương pháp phổ biến, nhiều nơi áp dụng, q trình oxy hóa chất thải nhiệt độ cao, tạo khí CO2, H2O Nhưng nhược điểm phương pháp tạo chất độc dioxin, furan… - Bãi chôn lấp: chi phí cao để vận chuyển bùn thải đến bãi chơn lấp, dễ rị rỉ - ngồi nhiễm chất độc vào nước ngầm môi trường đất Phương pháp khí hóa: q trình đốt cháy bùn thải môi trường thiếu ôxi để sản sinh chất khí dễ cháy Carbon monoxide (CO), hydro (H 2) phần khí metan (CH 4) Hỗn hợp gọi hỗn hợp khí cháy Hỗn hợp khí cháy sử dụng để chạy động đốt (cả loại động nén cao áp loại động đánh lửa), sử dụng để sản xuất me bùn thảiol (CH3OH) – nhiên liệu cho động nhiệt nguyên liệu cho ngành cơng nghiệp hóa chất quan trọng nguyên liệu cho hệ thống máy phát điện thông qua động đốt để tạo công học làm quay máy phát tạo nguồn điện Phương pháp ưa chuộng để xử lý bùn thải lợi ích phương pháp mang lại Phương pháp khí hóa 2.1 Khái niệm Khí hóa chuyển đổi vật liệu chứa cacbon tạo thành khí tổng hợp Khí tổng hợp hỗn hợp khí dễ cháy, thơng thường chứa khí carbon, monoxide, hydrogen, nito, khí carbon dioxide methane Khí tổng hợp có nhiệt trị thấp, dao động từ 100 – 300 BTU/SCF, khí tổng hợp sử dụng nhiên liệu để tạo điện hay sinh nước làm máy phát điện 2.2 Các phản ứng hóa học q trình khí hóa Các phản ứng q trình khí hóa diễn có mặt nước oxy để phân hủy carbon Một số sản phẩm q trình khí hóa làm nhiên liệu cho q trình khí hóa kia, lượng nhiệt phát sinh cung cấp cho q trình khí hóa tiếp sau Nhiệt độ khí hóa thường 800 oC đến 1200oC Để thuận lợi cho q trình khí hóa, chất thải rắn bổ sung thêm than đá, than cốc để trì nhiệt độ cần thiết q trình khí hóa Khí hóa thiêu đốt gia nhiệt, sản phẩm thu nhiệt, nước (có thể sản xuất điện) có nhược điểm q trình đốt cháy sinh chất gây ung thư, dioxin, furan… 2.3 Ưu nhược điểm phương pháp khí hóa  Ưu điểm: - Giảm đáng kể khối lượng thể tích bùn thải - Giảm lượng bùn cần chôn lấp - Sử dụng oxy nên giảm lượng khí phát thải - Tận dụng nguồn khí sản phẩm (sản xuất điện, methanol,…)  Nhược điểm: - Chi phí đầu tư cao - Quá trình nhiều giai đoạn phức tạp - Sản phẩm khí cần phải sạch/tinh khiết - Cần cung cấp lượng cho trình phản ứng Một số phương pháp khí hóa bùn thải Trong suốt q trình khí hóa, bùn thải trải qua giai đoạn thay đổi tính chất vật lý hóa học Các phản ứng hóa học xảy điều kiện có nước với hàm lượng oxy ngày giảm khí Các phản ứng hóa học biểu diễn bảng sau: Phản ứng C (fuel) + O2 → CO2 + heat Quá trình trao đổi nhiệt Tỏa nhiệt C + H2O (steam) → CO + H2 Thu nhiệt C + CO2 → 2CO Thu nhiệt C + 2H2 → CH4 Tỏa nhiệt CO + H2O → CO2 + H2 Tỏa nhiệt CO + 3H2 → CH4 + H2O Tỏa nhiệt Quá trình khí hóa bùn thải chia làm giai đoạn sau: (1) sấy khô; (2) Nhiệt phân (3) khí hóa  Giai đoạn sấy khơ Ở giai đoạn bùn thải tách nước làm khô lên đến 85 – 93 % (Furness and Hoggett, 2000) phụ thuộc vào phương pháp khí hóa sử dụng Giai đoạn nhiệt độ cần khoảng 150oC (302oF)  Giai đoạn nhiệt phân Bùn thải sau sấy khô tiếp tục gia nhiệt lên đến 400 oC (752oF) tháp nhiệt phân  Giai đoạn nhiệt (khí hóa) Đây giai đoạn quan trọng tồn q trình khí hóa Trong giai đoạn này, sản phẩm trình nhiệt phân, nước ngưng tụ không ngưng tụ, bụi bùn thải oxy hóa để giảm chuyển thành hắc ín, nước khí Bùn thải đốt cháy oxy thêm vào lò Nhiệt độ giai đoạn khoảng từ 800 - 1400oC (1472 - 2552oF) Để trì nhiệt độ mong muốn buồng khí hóa cần bổ sung q trình khí hóa than đá dầu mỏ Sau khí hóa bùn thải, nhiệt độ dịng khí tổng hợp làm nguội nhờ q trình trao đổi nhiệt với nước, bùn dịng khí lạnh Quá trình làm mát kết thúc việc loại bỏ hạt bụi dịng khí tổng hợp Các hạt bụi bị giữ lại nước lọc ướt khô cylone phương pháp khác Độ ẩm dịng khí tổng hơp cần xem xét làm lạnh điểm sương dễ kết tụ thành ống dẫn Bất kỳ loại nước hấp thụ hay dạng ngưng tụ làm ạnh khí tổng hơp chứa khí hịa tan NH 3, HCN, HCl, H2S Tiếp tục trình sàng lọc có điều kiện có chất khí mong muốn Các dịng khí khác thu hồi từ việc làm lạnh làm nóng khí tổng hợp tuần hồn sử dung cho việc làm mát, nguyên liệu cho tháp hấp thụ sau xử lý sơ Một phần nhỏ nước cần làm để tránh tác động từ muối hịa tan Khí ngưng tụ nước trơ để loại bỏ NH 3, CO2, H2S Tất giai đoạn diễn buồng phản ứng khí hóa hoạt động tùy thuộc vào loại công nghệ Hầu hết lị phản ứng q trình khí hóa sử dụng công nghệ sau đây: 3.1 Lị phản ứng cố định Hình 2: sơ đồ sử lý bùn thải lò phản ứng cố định Lò phản ứng cố định loại lị mà nhiên liệu bùn thải trình phản ứng cố định sàn tĩnh Thơng thường có ba phương pháp sử dụng loại lò 3.1.1 Phương pháp khí hóa thuận Hình 3: Lị sử dụng q trình khí hóa thuận Theo phương pháp bùn thải nạp vào từ đỉnh lị xuống phía dưới, gió (khơng khí, nước ) vào lị từ đáy lị cịn sản phẩm khí cửa lị phía Như gió bùn thải ngược chiều Đặc điểm q trình: phân chia chiều cao lị thành vùng phản ứng, vùng vùng Dưới vùng xỉ, tiếp vùng cháy, vùng khí hóa, vùng nhiệt phân, vùng sấy Cụ thể sau - Vùng xỉ: Vùng chủ yếu chứa xỉ để chuẩn bị đưa khỏi lò, nhiệt độ tương đối thấp, nhiên oxy có phản ứng với phần bùn thải lại - xỉ Ở vùng chủ yếu khơng khí gia nhiệt để tiếp vào vùng cháy Vùng cháy: Trong vùng cháy xảy phản ứng C + O → CO + CO2; CO vừa tạo lại phản ứng tiếp với oxy tự gió để tạo CO2 (2CO + O2  2CO2) Trong vùng nhiệt toả mạnh, lượng nhiệt dùng để cung cấp cho - phản ứng vùng khí hóa vùng khác Vùng khí hóa: Trong vùng CO2 nước từ vùng cháy vào gây phản ứng sau: C + CO2 = 2CO - Q1 C + H2O = CO + H2 - Q2 C + 2H2O = CO2 + 2H2 - Q3 Đây phản ứng quan trọng vùng khí hóa phản ứng tạo khí dùng làm khí đốt dùng làm nguyên liệu cho công nghiệp tổng hợp hóa học (CO H2) sản xuất phân đạm hóa chất khác - Vùng nhiệt phân: Khí khỏi vùng nhiệt phân có nhiệt độ thấp vùng khí hóa nhiệt phải cấp cho phản ứng khử Nhiệt khí khoảng 700oC cung cấp cho bùn vùng nhiệt phân Do bùn dem khí hóa chứa nhiều thành phần khác nên sản phẩm phân huỷ bùn không chứa CO, H 2, CO2 mà cịn có hợp chất hữu khác sản phẩm khí thuận lợi dùng làm nhiên liệu không thuận lợi cho q trình tổng hợp hóa học Do có phân bố vùng phản ứng nên từ lên vùng cháy có nhiệt độ cao nhất, tiếp vùng khí hóa có nhiệt độ thấp có phản ứng thu nhiệt, vùng nhiệt phân có nhiệt độ thấp cuối vùng sấy có nhiệt độ thấp phải tiêu tốn nhiệt vào trình bốc nước Như nhiệt lượng vùng cháy phân phối cho vùng khác để thực q trình khí hóa.Sự truyền nhiệt từ vùng nhiệt độ cao đến vùng nhiệt độ thấp chủ yếu đường đối lưu, đường khác Khi từ xuống dưới, trọng lượng kích thước bùn giảm dần bùn tham gia vào phản ứng phân huỷ 10 nhiệt (nhiệt phân), phản ứng khí hóa, phản ứng cháy Tại vùng xỉ, hàm lượng O2 H2O cao gió vào từ đáy lị chuyển động ngược chiều với bùn thải đưa vào 3.1.2 Q trình khí hóa nghịch Hình 4.Lị sử dụng q trình khí hóa ngịch Q trình khí hóa nghịch q trình mà bùn thải đổ từ đỉnh lị xuống dưới, gió từ phía lị chiều với bùn xuống phía Sản phẩm khí q trình khí hóa phía đáy lị Do khí hóa thực điều kiện nên chúng có đặc điểm sau: - Phân bố lại khu vực lị ngược với q trình khí hóa thuận Theo đường gió vào, từ xuống bao gồm vùng sau: Vùng sấy khô, vùng nhiệt phân, vùng cháy, vùng khí hóa, vùng tro xỉ Bùn bị nhiệt phân, sau cháy tiếp vào vùng khí hóa Sản phẩm q trình nhiệt phân vùng nhiệt phân khơng - ngồi mà tiếp tục qua vùng cháy, vùng khí hóa vùng tro xỉ ngồi Hình thức trao đổi nhiệt lị khí hóa nghịch Trong lị khí hóa nghịch, vùng có nhiệt độ cao vùng cháy, có xu hướng trao đổi nhiệt với khu vực xung quanh 11 Nhiệt truyền cho vùng khí hóa chủ yếu q trình đối lưu, cịn nhiệt truyền lên phía - (vùng nhiệt phân) chủ yếu xạ dẫn nhiệt Ảnh hưởng trình nhiệt phân trình khí hóa nghịch Trong lị khí hóa nghịch, sản phẩm q trình nhiệt phân (nhiệt phân) phải qua khu vực cháy, có dư oxy nhiệt độ cao nên đại phận khí chất lỏng nhiệt phân bị cháy bị phân hủy tiếp, nên sản phẩm q trình khí hóa nghịch chủ yếu có CO, H2, H2O, lượng nhỏ loại hydrocacbon Hàm lượng chất q trình khí hóa nghịch thấp, khí sản xuất theo q trình khí hóa thuận có hàm lượng cao Sản phẩm khí từ q trình khí hóa nghịch có chất lượng tốt từ q trình khí hóa thuận nên khí dùng để chạy động đốt chế biến hóa học 3.1.3 Khí hóa liên hợp Q trình khí hóa liên hợp q trình kết hợp phương pháp khí hóa thuận phương pháp khí hóa nghịch thiết bị  Ưu nhược điểm phương pháp khí hóa liên hợp: Q trình khí hóa nghịch có ưu điểm sản phẩm có hàm lượng hydrocacbon bé, khuyết điểm có phần bùn thải chưa tham gia hoàn toàn vào phản ứng khí hóa bị thải Q trình khí hóa thuận có ưu điểm bùn thải tham gia hoàn toàn vào phản ứng cháy khử Quá trình khí hóa liên hợp khắc phục nhược điểm hai q trình khí hóa Song phương pháp liên hợp vận tốc gió lớn chúng có khả thừa oxy, lên khó khăn lớn đưa từ lên gây cháy sản phẩm khí CO, H2 Nếu vận tốc gió q bé, lượng bùn thải cịn lại tro xỉ lại tăng lên Do phương pháp khí hóa liên hợp có ưu điểm dùng hạn chế, dùng kết hợp với than bùn để sản xuất khí chạy máy phát điện 12  Ưu nhược điểm q trình khí hóa tầng cố định - Nhờ xếp vùng phản ứng lò, vùng vùng kia, nên nhiệt độ lò giảm dần từ lên trên, bùn thải Hình Lị sử dụng q trình khí hóa liên hợp xuống - nóng Phương pháp khí hóa tầng cố định, phương pháp khí hóa nghịch liên hợp, có ưu điểm sử dụng tất loại nhiên liệu ban đầu khác mà không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng khí khí hóa đầu Bùn thải kết hợp với nhiên liệu than đá từ vùng sấy qua vùng nhiệt phân nên ẩm chất bốc thoát hết, đến vùng khí hóa vùng cháy bùn thải giữ nhiệt độ cần thiết cho phản ứng khử phản - ứng cháy, chất lượng khí sản phẩm tốt Chính phương pháp cho phép khí hóa tất loại bùn thải có trộn lẫn với nhiên liệu để gia nhiệt cho phép sản xuất khí có chứa nhiều hydrocacbon Vì khí sản phẩm có nhiệt cháy cao, có lợi dùng - vào mục đích chạy máy phát điện Mất mát cacbon theo xỉ phương pháp tương đối ít, theo chiều chuyển động bùn thải từ xuống nồng độ tác nhân khí O2, H2O tăng lên nồng độ cacbon pha rắn giảm dần Nhược điểm phương pháp mát nhiệt theo xỉ nhiều vùng tro xỉ tiếp xúc trực tiếp với vùng cháy, vùng có nhiệt độ cao, hiệu suất nhiệt q trình 3.2 khơng cao Lị phản ứng tầng sơi 13 Hình Sơ đồ xử lý bùn thải lị khí hóa tầng sơi Với khối lượng than cám than bụi nhiều, tới 50% tổng số lượng than khai thác Vì khơng phải lúc sử dụng than dạng viên lớn để trộn lẫn với bùn thải để xử lý Những lúc việc áp dụng cơng nghệ thích hợp để sử dụng loại than có kích thước hạt nhỏ kết hợp để xử lý bùn thải cần thiết 14 Than cám than bụi có kích thước hạt nhỏ - 10mm - 2mm, đưa loại bùn thải với loại than vào lị khí hóa trở lực lớp bùn thải lớn Vì khí hóa dạng tầng cố định phải dùng tốc độ gió lớn khắc phục trở lực để đảm bảo cho lị có suất định Nhưng tăng tốc độ gió khơng tránh khỏi có số hạt "sơi" lên, số hạt có kích thước nhỏ lại bay lơ lửng khí bay ngồi lị phản ứng Như chế độ khí hóa kiểu tầng cố định khơng cịn giữ nguyên chế độ hoạt động Do phương pháp khí hóa bùn thải theo phương pháp tầng sơi dạng dịng phù hợp Hình Chi tiết lị khí hóa tầng sơi - Đặc điểm ưu điểm quy trình khí hóa tầng sơi Hỗn hợp bùn thải - than liên tục chuyển vào lị khí hóa Bùn thải than đảo trộn lớp sôi nên q trình truyền nhiệt cao, - điều làm cho phân bố nhiệt độ đồng theo chiều cao lò Cấu tạo lò đơn giản, vốn đầu tư thấp Khi thổi gió vào lị, hạt lớn tập trung đáy lò Các hạt nhỏ phía 3.2.1 dễ dàng bay ngồi lị theo gió Để làm giảm lượng bụi bùn thải bay theo gió ngồi người ta đưa cấp nhiệt bậc khoảng lị để tăng cường q trình khí hóa Nhưng gió bậc thổi từ đáy lị lên chủ yếu 15 - Khi khí hóa tầng sơi, nhiên liệu gió hướng từ đáy lò, bùn thải tiếp xúc với vùng có nhiệt độ cao Quá trình sấy, nhiệt phân xảy vùng Lượng chất bốc sinh gặp oxy gió cháy hết thành CO2 H2O, phần nhỏ khác bị nhiệt phân Vì khí sản phẩm khỏi đỉnh lị khơng có sản phẩm lỏng, khơng có loại - hyđrocacbon nên khí sạch, dùng cho tổng hợp hóa học có lợi Vì khí hóa tầng sôi nên bùn than chuyển động lị khơng có ranh giới rõ rệt vùng phản ứng nhiệt độ trung bình lị giảm xuống Vì đặc điểm nên nhiệt độ lị phương pháp khí hóa tầng sơi đạt từ 900 đến 1000oC 3.2.2 Nhược điểm quy trình khí hóa tầng sơi Để nâng cao nhiệt độ lị, dùng thêm oxy nước vào gió, nâng nhiệt độ phản ứng cao 1150oC, nhiệt độ làm chẩy xỉ Do nhiệt độ lị khơng nâng cao nên việc xử lý bùn thải khơng thích hợp cho q trình khí hóa tầng sơi 3.3 Lị phản ứng dạng Theo phương pháp ngun liệu bùn thải nguyên liệu chứa cacbon thể rắn lỏng Người ta khí hóa bùn thải oxy nước áp suất khí Bùn thải nguyên liệu than nghiền mịn đến kích thước < 0,1mm, độ ẩm khơng q - 8% Lị khí hóa thiết bị trịn nằm ngang (hình 6), phía lót vật liệu chịu nhiệt Vịi phun để chuyển nhiên liệu, oxy, nước (còn gọi đầu khí hóa) bố trí đối diện Bùn thải bụi chuyển vào bunke nạp liệu, từ vít soắn chuyến vào vịi phun với oxy nước Tỷ lệ oxy, hỗn hợp bùn thải - bụi than nước cho nhiệt lò cao nhiệt độ chảy lỏng tro, từ 1500 - 1600 oC Khí hóa điều kiện đạt mức chuyển hóa cacbon cao Khí sản phẩm tạo thành có hàm lượng cacbon oxyt (CO) cao Hỗn hợp bùn thải – than bụi vào lò trước hết tác dụng với oxy để tạo nhiệt độ cao cho phản ứng khử khác 16 + Hình Sơ đồ xử lý bùn thải dạng Hiện phương pháp khí hóa dạng dịng Phương pháp khí hóa nhiệt độ cao đạt hiệu suất nhận khí tổng hợp cao, tất chất hữu bùn thải nhiên liệu chuyển hóa thành CO2, CO, H2, H2O Do làm lạnh khí khơng cần có cơng đoạn tách chất nhựa, dầu, benzen, phenol Nhờ q trình làm khí nói chung đơn giản Lị khí hóa có trang bị vỏ áo để làm lạnh tường lị Q trình khí hóa tiêu thụ oxy 0,39 - 0,45 m 3/1m3 hỗn hợp CO + H2 Hiệu suất q trình khí hóa tính theo tỉ số nhiệt cháy hỗn hợp khí sản phẩm CO + H cho nhiệt cháy hỗn hợp bùn thải – than đá 72% Phương pháp khí hóa dạng dịng có nhiều ưu điểm cịn phải cải tiến thêm để nâng cao cường độ trình khí hóa, người ta cải tiến cách khí hóa áp suất cao 20 – 30 atm, tháo xỉ lỏng Nhờ mà cường độ q trình khí hóa đạt cao 17 Kết luận Đối với lò phản ứng cố định tầng sôi thường làm vật liệu chịu nhiệt làm lạnh nước để bảo vệ tháp phản ứng xảy nhiệt độ cao thường có khung xoay hay cố định Đối với loại khí dịch chuyển làm nóng gián tiếp qua tháp phản ứng kim loại, loại phổ biến so với khí hóa cố định đồng Mặc dù phát triển gần ứng dụng khí hóa bùn thải q trình Lurgi-Phurgas dựa khí hóa tuần hồn đồng Các q trình khí hóa tạo khí với lượng khoảng 23MJ/m Tuy nhiên giới hạn trình phát thải từ q trình khí hóa bùn thải Đó điều hợp lý việc phát thải cao hay thấp phụ thuộc ơng nghệ khí khóa khác nhau, đặc điểm bùn, điều kiện trình (nhiệt độ áp suất) hệ thống điêu kiện khí Các chất phát thải trình thường dioxin, furan, thủy ngân, kim loại nặng, NOx, N2O CO giàm đáng kể khí hóa Mặc dầu mối quan tâm lớn xỉ sau q trình khí hóa cịn kim loại nặng Các hợp chất hữu khác benzene, toluene, naphthalene acenaphthalene tìm thấy mức thấp sản phẩm khí từ mơt số hệ thống khí hóa Tuy nhiên khí tổng hợp sử dụng làm nhiên liệu dốt cháy turbine hợp chất phát thải hợp chất hữu nhiễm khơng phát hiên chiếm tỷ lệ nhỏ (khoảng phần tỷ nồng độ) Cá nguồn nhiên liệu them vào để trì nhiệt độ lị phản ứng khơng phát sinh khí CO2, đó, góp phần tạo sản phẩm khí Case study: “Fate of heavy metals and radioactive metals in gasification of sewage sludge” 5.1 Mục tiêu nghiên cứu Xác định q trình xảy kim loại nặng khí hóa bùn thải Sử dụng kim loại phóng xạ: cadmium, strontium, cesium, cobalt, arsenic, mercury, zin copper 5.2 Mơ hình thí nghiệm 18 Hình – Mơ hình thí nghiệm Q trình khí hóa gồm có chất rắn dạng hột (kích thước – mm mơ hình thí nghiệm, lên tới mm quy mơ cơng nghiệp), khí phản ứng (oxygen) khí tiếp tục qua phản ứng khí hóa Khí hóa chất lỏng xảy khu vực nhiệt rộng (ITZ), nhiệt độ đạt 1200 oC Tại 20% chất rắn chứa carbon (char) bị chuyển thành khí, phần cịn lại chất khống bùn thải Phần lớn sản phẩm chất rắn chứa carbon, trình khí hóa chuyển tất chất chứa carbon thành khí đốt Phần lớn sản phẩm char hữu ích cho xử lý bùn thải sản phẩm char không chứa nước thêm điều kiện bùn ướt hỗn hợp char bùn dùng cho khí hóa, hồn thành chu trình tách nước khí hóa Phản ứng tỏa nhiệt diễn ITZ (q trình khí hóa diễn ra): 19 Phản ứng thu nhiệt diễn phần nhỏ carbon monoxide sản phầm phần carbon đốt phản ứng tỏa nhiệt carbon với CO Khí từ khí hóa bùn thải chứa khoảng 50% thể tích CO 2, phần cịn lại CO, H2 khí methane tỏa lượng nhiệt lớn có khả phá hủy hợp chất hữu chịu nhiệt, chlorobenzene polychlorinated biphenyls (PCBs) đến 99,9999% Và lượng nhiệt dư tận dụng cho mục đích khác Lượng kim loại nặng đa số tồn sản phẩm Char, tro xỉ - thể tích giảm lớn sau lượng kim loại thu hồi đem chơn lấp 5.3 Mơ tả thí nghiệm Chất phóng xạ cadmium (Cd), stronti (Sr), cesium (Cs), asen (As), thủy ngân (Hg), kẽm (Zn), đồng (Cu) chuẩn bị cách chiếu xạ muối kim loại dòng neutron nhiệt Đại học Missouri Research Reactor Trong trường hợp, hàm lượng kim loại đủ để tạo khoảng hoạt động phạm vi 2-20 microCuries (mCi) việc đếm mẫu Phóng xạ Coban Co-60 xem mẫu đối chứng Các đặc điểm chất phóng xạ sử dụng thể bảng 20 Bảng 1: Đặc điểm kim loại thí nghiệm Và muối chiếu xạ tần số khác nhau, bùn lấy từ nhà máy nhà máy xử lý nước thải cho thêm hàm lượng kim loại vào bùn (đạt 400mg/l) sau đem sấy khơ Q trình Khí hóa thực ống Vycor (chịu nhiệt silica) hình Các phần gồm bình 250 ml ngâm nước Các lọc char chứa 5,0 g hạt char với kích thước1-2 mm chuẩn bị khí hóa, bùn sấy khơ sau nghiền, sàng lọc chứa 20 cm ống Vycor Đối với tất kim loại trừ thủy ngân, khí thải từ lọc char sục qua 100 ml dung dịch 10% axit nitric để xác định nồng độ kim loại khỏi hệ thống khí hóa Bố trí cho thiết bị khí hóa bao gồm lớp đáy 5,0 g bùn khơ có kích thước hạt 1-2 mm hạt khơ bùn thải phóng xạ lớp với 30,2 g 1-2 mm bùn thải với hàm lượng chất phóng xạ tăng cao Tổng chiều dài cột bùn khơ khí hóa trước khí hố 15,8 cm Oxy đưa vào khí hóa với tốc độ dòng chảy 24,2 1,1 ml / phút Sau hồn tất q trình khí hóa, lượng chất phóng xạ tính vào dư lượng char từ khí hóa, ngưng tụ, lọc char, giải pháp 10% axit nitric thơng qua sản phẩm khí sục vào cuối tàu lấy mẫu 5.4 Kết thảo luận Bùn khô sử dụng nghiên cứu khí hóa dễ dàng tạo hỗn hợp khí dễ cháy sol khí Khí đốt sợi cháy với lửa màu vàng chứng tỏ có diện hydrocacbon Các thành phần xác định phương pháp sắc ký khí, thể bảng Các phân vùng chất phóng xạ phần khác hệ thống khí hóa thể Bảng Bảng 2: thành phần chất sau khí hóa Trong bảng cadmium, strontium, caesium, coban, kẽm giữ lại hoàn tồn char q trình khí hóa, có tỷ lệ nhỏ đồng ngồi, hầu hết số giữ lại sản 21 phẩm ngưng tụ lọc Một lượng nhỏ asen ngồi, phần nhỏ đo lọc char lọc axit nitric Còn thủy ngân giữ lại lọc char Các kết phù hợp với tính chất kim loại q trình nhiệt Trong thời gian khí hóa, lượng sol khí đáng kể tạo chất dễ bay hơi arsenic phần có khả ngưng tụ với hạt sol khí thu từ khí hóa Trong điều kiện đặc biệt tạo thành thạch tín chuyển đổi phần để Arsine dễ bay hơi, AsH3 Sự biến động thủy ngân không đáng ngạc nhiên Số lượng mẫu khí thu từ q trình khí hóa cho thấy tất thủy ngân phát thải kết hợp với hạt aerosol ngưng tụ lại Điều cho thấy cần thiết để làm giảm hình thành aerosol tăng thu aerosol q trình khí hóa Bảng 3: Phân vùng kim loại Bảng cho thấy tỷ lệ phần trăm kim loại lưu giữ sản phẩm char đo lọc axit nitric 50% 22 Bảng 4: tỷ lệ phần trăm kim loại lưu giữ sản phẩm char 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO ICON, “Pollutants in Urban Waste Water and Sewage Sludge”, Office for Official Publications of the European Communities, Luxembourg, 2001, pp 231 Paul D.Fericelli, “Comparision of Sludge Treatment by Gasification vs Incineration”, LACCEI’2011 Thomas W.Marrero, Brendan P.McAuley, William R.Sutterlin, J.Steven Morris, Stanley E.Manahan, “Fate of heavy metals and radioactive metals in gasification of sewage sludge”, Waste Management, No.24, 2004, pp 193 – 198 24