Microsoft Word ban thao K1 trinh ky doc Science & Technology Development, Vol 14, No K1 2011 Trang 16 XỬ LÝ KHÍ THẢI LÒ ĐỐT RÁC BẰNG XÚC TÁC Lê Văn Lữ(1), Lê Văn Tiệp(2) (1) Trường Đại học Bách khoa,[.]
Science & Technology Development, Vol 14, No.K1- 2011 XỬ LÝ KHÍ THẢI LỊ ĐỐT RÁC BẰNG XÚC TÁC Lê Văn Lữ(1), Lê Văn Tiệp(2) (1) Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM (2) Phân Viện KH Vật liệu TP.HCM (Bài nhận ngày 09 tháng 11 năm 2008, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 23 tháng 12 năm 2010) TĨM TẮT: Lị đốt rác thiết bị cần thiết hữu ích để xử lý rác thải công nghiệp y tế Tuy nhiên, điều kiện yêu cầu để đốt cháy nhiên liệu rác thải lò như: nhiệt độ cao (trên 1.0000C); thời gian lưu khí (trên giây); có mặt ơxy… lại ngun nhân sinh khí nhiễm NOx, CO HC Bài báo trình bày cơng trình nghiên cứu thiết kế xử lý xúc tác deNOx xúc tác ơxy hố nhằm loại bỏ khí thải nhiễm NOx, CO HC sinh lò đốt rác Kết nghiên cứu cho thấy có nhiều triển vọng áp dụng cách hiệu điều kiện Việt Nam Từ khóa: xử lý khí thải, lị đốt rác, xúc tác deNOx GIỚI THIỆU Thành phố Hồ Chí Minh có tốc độ tăng người, chúng đặc biệt quan tâm xử lý nhiều biện pháp khác trưởng 125% năm, có khoảng 800 nhà Một cơng nghệ xử lý có hiệu máy, xí nghiệp lớn khoảng 30.000 sở sản loại chất thải công nghệ xuất qui mô nhỏ Mỗi ngày sở thải thiêu đốt lò Công nghệ xử lý rác thải áp vào môi trường 260 chất thải (tương đương dụng lò đốt rác thường thực 94.900 tấn/năm), có 35 chất thải theo nguyên lý nhiệt phân thiêu đốt nguy hại (tương đương 12.775 tấn/năm) Toàn nhiệt độ cao nhằm phân hủy hoàn toàn chất ngành y tế có 826 bệnh viện, ngày thải nguy hại [6]: thải khoảng 240 rác, có khoảng - Q trình nhiệt phân tiến hành 12-25% chất thải y tế nguy hại cần xử lý buồng đốt sơ cấp lò nhằm chuyển cách đặc biệt Lượng chất thải nguy hại thành phần thể rắn lỏng rác thải rác thải sinh hoạt TP.HCM chiếm thành thể khí nhờ nhiệt tự sinh nhiệt cung khoảng 20%, tương đương 292.000 tấn, gồm cấp bổ sung từ mỏ đốt nhiên liệu Quá trình loại pin, ắc-quy, đèn néon sử dụng, keo, nhiệt phân thực điều kiện thiếu dung môi, sơn phế thải… [2] ôxy nhiệt độ không cao (500-600oC) Rác thải công nghiệp y tế thải - Sau đó, khí nhiệt phân chuyển động lên với số lượng lớn độc tính cao buồng đốt thứ cấp Tại đây, nhờ nhiệt độ cao tác động tiêu cực cách trầm trọng (trên 1.100oC) lượng khơng khí bổ sung, tồn diện đến môi trường sức khỏe chất cháy (thể khí) nhiệt phân Trang 16 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 14, SỐ K1 - 2011 buồng sơ cấp, kể chất ô nhiễm hữu chuyển hoá khác bắt buộc phải dùng phản ứng mạch vòng dioxin furans bị đốt xúc tác cháy hoàn toàn tạo thành CO2 H2O Cơng nghệ thiêu đốt lị đốt rác phải đảm bảo thỏa mãn bốn yếu tố cần thiết cho đốt cháy hoàn toàn chất thải độc NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA POT XÚC TÁC 2.1 Các chất nhiễm hại là: chất ơxy hố (O2) ba yếu tố “T” Chất nhiễm có khí thải lị đốt q trình thiêu đốt: nhiệt độ (Temperature), rác xử lý Pot xúc tác bao gồm: thời gian (Times) cường độ xáo trộn NOx, CO, VOC, HC, bồ hóng mùi [4] (Turbulence) [6] a) NOx sinh chủ yếu phản ứng trực Khí thải lị đốt rác chứa khí ô nhiễm tiếp nitơ ôxy không khí nhiệt độ monoxit carbon (CO), hợp chất hữu cao theo yêu cầu buồng thứ cấp lị bay (VOC), hydrocarbon (HC), bồ hóng đốt rác [2] Để tránh hình thành NOx phải giảm (soot), ơxít nitơ NO, NO2… (gọi chung nhiệt độ buồng đốt thứ cấp không cho phép NOx) có số hợp chất chứa lưu Muốn không ảnh hưởng đến hiệu suất thiêu huỳnh (S), clo (Cl) phốt (P) Các chất hủy hợp chất hữu cao phân tử cần phải ô nhiễm sinh trình phân huỷ dùng tới xúc tác ơxy hố thích hợp nhiệt đốt cháy thành phần chất thải b) CO, VOC, HC, bồ hóng mùi sinh rác NOx sinh chủ yếu từ phản nhiều trình đốt cháy xảy khơng hồn ứng trực tiếp nitơ ơxy khơng khí tồn thiếu khơng khí (dư nhiên liệu) nhiệt điều kiện nhiệt độ cao tập trung ôxy độ đốt cháy thấp yêu cầu cần thiết Công vùng phản ứng cháy [6] nghệ đốt cháy thích hợp làm giảm đáng kể Tùy theo cơng nghệ q trình đốt tỷ lệ nhiên liệu/khơng khí giàu hay nghèo mà hàm lượng chất nhiễm thay đổi khí thải lị đốt rác [1] Các chất ô nhiễm cần xử lý nghiêm ngặt theo yêu cầu tiêu chuẩn cho phép để tránh gây nhiễm cho mơi trường Mục đích việc xử lý chuyển hoá chất gây ô nhiễm thành hợp chất không độc trước đưa vào khơng khí [6] Một số q trình chuyển hố thực xử lý nhiệt nhiệt độ cao, xử lý phản ứng xúc tác nhiệt độ thấp Một số trình nồng độ chất thành phần khí thải [1] 2.2 Quá trình xử lý xúc tác a) Xúc tác ơxy hóa (combustion catalysts) dùng để chuyển hóa hồn tồn chất nhiễm thành CO2 H2O Các xúc tác thiêu hủy thông dụng chế tạo sở kim loại quý Pt, Pd, Rh, ơxít kim loại chuyển tiếp ơxít số nguyên tố đa hoá trị (Fe, Cu, Co, Ni, Cr, Mn, V, Ti, Zn, Ga…), nguyên tố đất La, Ce, Sm, Pr…, perovskit kiểu YBaCu… Pha hoạt động thường Trang 17 Science & Technology Development, Vol 14, No.K1- 2011 mang chất mang SiO2, tận dụng thành phần HC, VOC CO khí Al2O3, CeO2-ZrO2, monolit… [4] thải để làm chất khử NOx, HC, VOC CO Xúc tác sở platin cho phép phản ứng ơxy hố thực nhiệt độ thấp (dưới o dư chuyển hố hồn tồn thành CO2 H2O qua lớp xúc tác ơxy hố 300 C) đắt nhậy cảm với chất Cần phải lưu ý trình thiêu đầu độc xúc tác chẳng hạn S, đốt rác, cịn tạo lượng khí SO2, xúc tác ơxít thực phản ứng nhiệt độ cao P2O5 HCL sinh từ nhiên liệu hay hợp (trên 300 C) lại rẻ tiền, ổn định đặc biệt chất hữu rác thải chứa S, P Cl Các bền kể với chất đầu độc xúc tác Điều thành phần khí thải nhiễm cần phải kiện làm việc xúc tác phải có xử lý triệt để phương pháp hấp thụ hay lượng dư ôxy [4] hấp phụ b) Xúc tác khử thực việc chuyển hố NOx thành nitơ ơxy (q trình deNOx) với tham gia chất khử CO, HC, H2, alcohol, ammoniac… Xúc tác thông dụng chế tạo sở platinic (Pt, Pd, Rh…) ơxít Cu, Co, Fe, Ag… chất mang zeolit, ơxít nhơm, CeO2-ZrO2, monolit vùng nhiệt độ 300-5000C [5] c) Xúc tác ba hướng (three-way catalyst) thực đồng thời hai trình dùng chủ yếu cho việc xử lý khí thải xe Xúc tác làm việc có hiệu tỷ lệ nhiên liệu/khơng khí điều 2.3 Hoạt tính xúc tác ơxy hóa khử dùng cho lị đốt rác a) Xúc tác ơxy hóa: Xúc tác ơxy hóa nhóm nghiên cứu thực từ nhiều năm trước xuất phát từ yêu cầu nghiên cứu xúc tác xử lý khí thải xe xe gắn máy [3] Thành phần khí thải xe xe gắn máy gồm VOC (khoảng 2.000ppm), CO, bồ hóng (soot) lượng NOx (khoảng 400 ppm) Các xúc tác chế tạo sở ôxít kim loại chuyển tiếp Cu, Co, Cr, Ni mang hỗn hợp ơxít nhơm caolanh có khả chuyển hoá đến 100% CO nhiệt độ chỉnh mức hợp lý phải kiểm soát chặt chẽ 2000C hay chuyển hoá 90% hydrocarbon tổng Đây xúc tác sở platin nên việc kiểm (như xylene, toluene…) nhiệt độ 3000C [8] soát hàm lượng S nhiên liệu yêu cầu bắt buộc [7] Việc bố trí hai lớp xúc tác khử-ơxy hố cho phép giải đồng thời hai q trình cách hồn hảo Vì nhóm nghiên cứu lựa chọn phương pháp thiết kế Pot xúc tác dùng cho trình xử lý khí thải lị đốt rác Ngun lý hoạt động Pot xúc tác: xúc tác deNOx Trang 18 Cũng xúc tác này, hoạt tính deNOx đạt 49% nhiệt độ 3500C [5] b) Xúc tác khử (deNOx): Đây xúc tác quan trọng cần ứng dụng để xử lý khí thải lị đốt rác Do yêu cầu nhiệt độ đốt cháy thứ cấp cao (trên 1.0000C) thời gian lưu khí lớn (hơn giây) TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 14, SỐ K1 - 2011 tạo điều kiện thuận lợi để phát sinh khí thải 2.4 Các u cầu xúc tác xử lý khí thải nhiễm NOx lị đốt rác Các cơng trình nghiên cứu xúc tác deNOx áp dụng cho xử lý khí thải cơng nghiệp công bố nhiều [4], [5], [7], [8] Đây hướng nghiên cứu phát triển mạnh giới vòng 10 năm trở lại Tuy nhiên, Việt Nam số cơng trình nhóm khoa học nghiên cứu lĩnh vực hạn chế thiếu phương tiện Nhóm nghiên cứu chúng tơi nhờ có quan hệ hợp tác khoa học với phịng thí nghiệm Pháp chuyên nghiên cứu xúc tác deNOx Viện Khoa học - Có hoạt độ cao: phải chuyển hố 90% chất nhiễm có khí thải - Có độ bền nhiệt bền học cao: khơng bị hao mịn theo dịng khí - Hoạt động ổn định, thời gian sống dài - Không bị đầu độc S, bồ hóng hay bụi để làm việc lâu dài - Dễ tái sinh hoạt tính suy giảm - Cấu hình thích hợp để hạn chế trở lực cho dịng khí qua Pot xúc tác Cơng nghệ Việt Nam trang bị thiết bị Để đảm bảo cho xúc tác làm việc có hiệu chuyên dụng để nghiên cứu phản ứng này, từ lâu dài, điều kiện nhiệt độ nhiều năm qua tiến hành nghiên Pot xúc tác, tốc độ dịng khí phải ổn định cứu xúc tác deNOx nhiều hệ xúc tác khác kiểm soát nghiêm ngặt phát hệ xúc tác có khả chuyển hố đến 98% NOx thành N2 O2 nhiệt độ khoảng 5000C KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Từ thành phần đặc trưng khí thải lị đốt Xúc tác loại chưa có điều kiện áp dụng rác, đề nhiệm vụ xúc tác phải tham gia có hiệu để chế tạo Pot xúc tác xử lý khí thực q trình ơxy hố (để xử lý CO, thải xe nhiệt độ nơi đặt Pot thấp VOC, HC, bồ hóng) q trình khử (để xử lý 500 C, nhiên chúng lại thích hợp NOx) Xúc tác ba hướng (three-way catalyst) lò đốt rác nhiệt độ khí thải cao nên chế tạo sở kim loại quý dễ dàng trì nhiệt độ thích hợp Pt, Rh, Pd… để thực đồng thời hai nhiệm 0 khoảng 500 C qua Pot xúc tác vụ này, chúng sử dụng phổ Nguyên liệu chế tạo loại xúc tác ôxy biến để xử lý khí thải xe hơi, nhiên xúc tác hoá deNOx lựa chọn sở loại khơng thích hợp với việc xử lý khí thải vật liệu dễ kiếm có giá thành khơng cao lị đốt rác thải thành phần chúng khơng Cấu hình xúc tác nghiên cứu cải tiến giống với khí thải xe hơi, khó điều chỉnh tỷ để tăng hàng loạt tính riêng xúc tác lệ ôxy/chất khử tỷ lệ thích hợp cho xúc tác ba đơn vị thể tích, đồng thời đáp ứng yêu hướng hoạt động Mặt khác, khí thải cầu độ bền cơ, nhiệt tránh gây nên lực lò đốt rác có chứa nhiều chất đầu độc xúc tác cản dịng khí thải mạnh, chẳng hạn hợp chất lưu huỳnh, đồng Trang 19 Science & Technology Development, Vol 14, No.K1- 2011 thời loại xúc tác đắt tiền Vì vậy, giải số xúc tác sở đất pháp kết hợp cách hợp lý hai loại xúc M/Ce-Zr (M=Co, Pd…) tác ơxy hố khử (đều rẻ nhiều so với b/ Xúc tác khử NOx điều kiện có ơxy xúc tác platinic) có tính khả thi hiệu hydrocarbon: nhóm nghiên cứu chúng tơi thành cơng việc tìm loại xúc tác a/ Xúc tác ơxy hố chế tạo sở có gọi tên Amma sở chất mang ơxít kim loại chuyển tiếp (Cu, Ni, Cr, ơxít nhơm, xúc tác thích hợp để Co…) mang hỗn hợp ơxít nhơm kết hợp với xúc tác ôxy hóa nói caolanh nhóm nghiên cứu chế tạo chế tạo Pot xúc tác xử lý khí thải thử nghiệm trước tỏ thích hợp với nhiệm lò đốt rác, chúng có khả chuyển vụ với độ chuyển hoá CO hydrocarbon hoá tới 98% NOx thành N2 nhiệt độ đạt 100% nhiệt độ 300 C, tốc độ thể tích 4500C, với tốc độ thể tích VVH 20.000 h-1 VVH 10.000 h-1 Ngồi kết thí nghiệm Hình 1: dùng xúc tác ơxy hoá sở perovskites 600 Al O (gamma) RSTP 7/11 température 482°C 100 400°C 95% 78% 96% 96% 16% NOx propène 300 0.0 0.1 200 14% 11% 2% 400 58% 48% NO 500 température (°C) Conversion de NO, NOx, C H (%) 100 0.2 0.3 0.4 temps (h) Hình Biến thiên độ chuyển hoá NOx thành N2 theo nhiệt độ điều kiện TPSR (phản ứng theo chương trình nhiệt độ) -1 VVH=22.000 h ; CHC = 1900 ppm; CNOx= 340 ppm; CO2 = 8% (thể tích) Đây xúc tác khử thích hợp để đem kết hợp với xúc tác ơxy hố nói chế tạo Pot xúc tác xử lý khí thải cho lị đốt rác c/ Nguyên lý kết hợp hai loại xúc tác Pot xúc tác: Điều đáng phải lưu ý khí thải lị đốt rác tồn chất khử (CO, Trang 20 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 14, SOÁ K1 - 2011 hydrocarbon) NOx; NOx chuyển đủ phải cung cấp bổ sung cách đưa khí hố với hiệu suất cao nhiệt độ mà HC từ bên ngồi vào lượng chất khử dư có mặt xúc tác ơxy hố khơng cịn CO phải ơxy hố hồn tồn sau qua lớp hydrocarbon Vì phải bố trí lớp xúc tác xúc tác ôxy hoá Pot xúc tác ôxy hoá sau lớp xúc tác khử Nghiên cứu thực sở bố trí hai - Phản ứng deNOx thực có lớp xúc tác nối tiếp xúc tác deNOx mặt chất khử (HC, CO, H2, alcohol, NH3…), tiếp xúc với khí thải trước lớp xúc tác ơxy hố khí thải lượng chất khử khơng Kết thử nghiệm trình bày Hình 2: 600 2lits superposés TPSR 29/11/00 95% 450°C 71% 400 45% propène 300 290°C 240°C 200 NOx NO température(°C) conv NO, NOx, C3H6 (%) 500 99% 100 100 température -100 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 temps(h) Hình Biến thiên độ chuyển hóa HC, NOx theo nhiệt độ điều kiện sử dụng hai lớp xúc tác điều kiện phản ứng nêu Hình Theo Hình 2, rõ ràng nhiệt độ 5000C sau qua hai lớp xúc tác toàn khí NOx HC bị chuyển hố hết thành CO2, H2O N2 THIẾT KẾ - CHẾ TẠO POT XÚC TÁC Kết thực nghiệm sở để nghiên cứu thiết kế chế tạo Pot xúc tác xử lý khí thải lị đốt rác y tế khn khổ cơng trình nghiên cứu khoa học TP.HCM chủ trì việc nghiên cứu chế tạo lò đốt chất thải rắn y tế năm 2002 [2] Cấu tạo Pot xúc tác trình bày Hình Đặc tính kỹ thuật Pot xúc tác: - Nhiệt độ làm việc: 400 ÷ 5000C - Lưu lượng dịng khí: 700 m3/h - Nồng độ ôxy phải 8% Sở Khoa học, Công nghệ Môi trường Trang 21 Science & Technology Development, Vol 14, No.K1- 2011 - Hiệu suất xử lý đạt 98% khơng khí hai 5000C Cơng đoạn cuối Cấu hình xúc tác chọn ống xúc tác nung môi trường không khí hình trụ có đường kính ngồi 15mm, đường kính 11mm, chiều cao 15mm Chất mang hai 8000C Trở lực gây lớp xúc tác sau nung nóng hai 500 C khắc phục áp suất âm tạo nên nhờ quạt tẩm dung dịch nước muối kim loại hoạt gió có thơng số kỹ thuật thích hợp bố trí Pot động, sấy khơ nung tiếp môi trường xúc tác Ký hiệu: 1- Đo nhiệt độ khí vào 2- Lớp vật liệu chịu lửa/cách nhiệt 3- Lớp xúc tác deNOx 4- Lớp xúc tác ơxy hố 5- Giá đỡ xúc tác Hình Pot xúc tác xử lý khói thải lò đốt rác thải KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu phịng thí nghiệm, hình thành sở khoa học để thiết kế chế tạo Pot xúc tác xử lý khí thải lị đồng thời với việc tận dụng chất khử có sẵn thành phần khí thải cho phép đồng thời loại bỏ hồn tồn chất nhiễm CO, HC NOx đốt rác Pot xúc tác cấu tạo gồm hai lớp Đây nghiên cứu xúc tác bố trí nối tiếp: phía trước lớp nhóm mà kết ứng dụng vào xúc tác khử NOx (deNOx) phía sau lớp thực tiễn, mang ý nghĩa khoa học thực tiễn xúc tác ơxy hố Với cách bố trí xúc tác hợp lý cao lĩnh vực xử lý ô nhiễm - bảo vệ môi trường Trang 22 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 14, SỐ K1 - 2011 CATALYSTS TO TREAT POLLUTION GASES OF THE INCINERATORS Le Van Lu(1), Le Van Tiep(2) (1) University of technology – VNU HCM (2)Material sciences sub-institute in ho chi minh city ABSTRACT: Incineration is a useful way to treat industrial and medical waste However, the combustion process in the incinerators can produce many toxic gases like nitrogen oxides (NOx), monoxide carbon (CO), hydro cacbon (HC) In this paper we present the study and design of the deNOx and oxidation catalyst system, which can be used to treat pollution gases NOx, CO, HC that are produced in the incinerators The study results show good prospect for applying the treatment system in Vietnam industry Keywords: Incinerators, deNOx and oxidation catalysts TÀI LIỆU THAM KHẢO [5] Lê Văn Tiệp, Các kết nghiên cứu trình deNOx, Paris, (2000- [1] Lê Văn Lữ, Bài giảng ngun lý lị cơng nghiệp, Trường Đại học Bách khoa, ĐHQg-HCM, (1998) [2] Lê Văn Lữ cộng sự, Thiết kế lò đốt rác y tế 30kg/h, Đề tài Sở Khoa học, Công nghệ Môi trường TP.HCM (2002) [3] Lê Văn Tiệp cộng sự, Đề tài nghiên cứu KH cấp Trung tâm KHTN&CNQG, nghiệm thu năm 2001) [6] Calvin R Brunner, Hazardous Waste Incineration, Mc Graw-Hill Book Company, (1980) [7] Charles N Satterfield, Heterogeneous Catalysis in Practice, Mc Graw-Hill Book Company, (1980) [8] Guest Editor: J.W Geus, Catalysis Today, Vol.47, Nos 1-4, (1999) 2000 [4] Lê Văn Tiệp – Kết nghiên cứu Đại học Paris – Cộng Hoà Pháp, (2000) Trang 23 ... tác: - Nhiệt độ làm việc: 400 ÷ 5000C - Lưu lượng dịng khí: 700 m3/h - Nồng độ ôxy phải 8% Sở Khoa học, Công nghệ Môi trường Trang 21 Science & Technology Development, Vol 14, No.K 1- 2011 - Hiệu... sấy khơ nung tiếp môi trường xúc tác Ký hiệu: 1- Đo nhiệt độ khí vào 2- Lớp vật liệu chịu lửa/cách nhiệt 3- Lớp xúc tác deNOx 4- Lớp xúc tác ơxy hố 5- Giá đỡ xúc tác Hình Pot xúc tác xử lý khói... Viện Khoa học - Có hoạt độ cao: phải chuyển hố 90% chất nhiễm có khí thải - Có độ bền nhiệt bền học cao: khơng bị hao mịn theo dịng khí - Hoạt động ổn định, thời gian sống dài - Không bị đầu