ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
BÁO CÁO NGHIỆM THU
(Đã chỉnh sửa theo góp ý của Hội đồng nghiệm thu ngày 04/09/2009)
ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN KẾT HỢP VỚI KHÍ HĨA MỘT
SO LOAI CHAT THAI DE THU NHIÊN LIỆU
Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Quốc Bình Tp.Hồ Chí Minh, tháng 09/2009
Trang 2Đề tài đã được chỉnh sửa theo ý kiến đóng góp của Hội đồng Nghiệm thu tổ chức ngày 04/09/2009 tại Sở Khoa học và Cơng nghệ Tp Hồ Chí Minh
Chủ tịch Hội đồng - GSTS Bùi Song Cầu
Phản biện 1 - PGS.TS Đinh Xuân Thắn hj nhgggzem
Trang 3
TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Do rác không được phân loại tại nguồn nên các nhà máy xử lý rác làm phân
compost thường thải ra một lượng lớn chất thải rắn (khoảng 70% KL rác), trong đó chủ yếu là thành phân hữu cơ khó bị phân hủy sinh học, vẫn phải xử lý tiếp, thường vẫn phải chôn lấp Bên cạnh CTRSH ngày càng gia tăng thì chất thải nơng nghiệp (vỏ trấu, rơm, rạ) cũng thải khoảng 30 triệu tấn/năm
Sở KH&CN TP.HCM đã cho phép nhóm nghiên cứu thuộc viện KTNĐ&BVMT
(VITTEP) triển khai để tài “Nghiên cứu ứng dụng quá trình nhiệt phân kết hợp với
khí hóa một số loại chất thải để thu nhiên liệu”, là hoàn toàn phù hợp với chiến lược
quan ly chat thai rắn tại TP.HCM
Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm công nghệ khí hóa trên thiết bị kiểu tầng cố
định (fixed bed) cho thấy: với điều kiện khí hóa ở 800 - 900°C, chế độ cấp khí a < 0,4
khí gas thu được của khí hóa cả chất thải Q từ 1248 - 1380 Kcal/N.mẺ và trấu có
nhiệt trị trung bình Q từ 1056 - 1102 Keal/NmẺ Hiệu suất chuyển hóa nhiên liệu trung bình n > 60% Khí gas có thể sử dụng làm nhiên liệu cho chạy tua bin khí, nồi
hơi, nấu kim loại Sản phẩm khí gas cháy thải ra các chất ô nhiễm đạt tiêu chuẩn khí
thải TCVN 5939 - 2005
Trang 4SUMMARY OF RESEARCH CONTENT
Normally, the municipal solid waste is not segregated at source, therefore, the
Composting plant discharges a huge amount of solid waste (about 70% of weight) It includes the biology undegradable waste, which needs a treatment in a next stage (dumping at the landfill site) Beside, the agriculture work discharges 30 mil of ton a
year
The DOST of Hochiminh City allowed the group of VITTEP performing the project “ Research on application of pyrolysis combining with gasification some types of solid waste to produce fuel” It is suitable with the strategy of solid waste management in Hochiminh City
The results of gasification experiment in the fixed bed showed: at the experimental conditions of 800-900°C; a < 0,4: energy of gas product was from 1248 — 1380 Keal/N.m? for waste Energy of gas product was from 1056 — 1102 Keal/Nm? for rice husk The average efficiency of transformation was larger than 60% The gas product was able to use for electricity, boiler, common furnace The composition of burning of gas product met the TCVN 5939-2005
The project also suggested the gasification technology process for waste and biomass; proposed the designing of gasification equipment system with the capacity
Trang 5MỤC LỤC
Chương một: MỞ ĐẦU .- +22 700.0 r.fg 3
7 2ÿ 0à, 0à U3) rò ssis cai Mebs o6 cc có có co — TƯ 3
12 MỤC TIỂU NGHIÊN CỨU . -oooosoechgorolS021206061.0600.6ce.eecoll 6 1.3 NỘI DŨNG NGHIÊN CỨU -e.2891242472934006000e-cced reo 6
1.4 ĐỐI TƯỢNG & PHẠM VI NGHIÊN CỨU . -esseeerezerree 7
1,5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
l Ý NGHTÀ KHƠA HỌC) 'THỤC TIÊN c0 1626 leeceeel 8
(RET Ook CUA BETA Sa Se aed 8
Chương hai: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU +22+zzt.err.e 10
2.1 TONG QUAN NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC LŨ
2.1.1 Nghiên cứu trong nưỚc - « 5+-5£ 52252 ‡teteeterettetrrrkrrireerrrir 10
2.1.2 Nghiên cứu ở nước ngoài
2.2 TONG QUAN LY THUYET QUA TRINH NHIET PHAN KHi HÓA
2.2.1 Quá trình mhiét phan ececcscseseseseeeeeneesenenesneesnensensseseesnenseeerseanenenenes 24 2.2.1 Qué trink Khf Oa c.essscessessssesesscasensssesscnccarenscesaoesvoneqecscnsenanensessnenersenees 26
2.2.3 Uu nhuge diém cila qué trinh Khi 16a 0 sccsssssssssessesneecessecsnesseessneessssentes 29 2.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới q trình khí hóa - 30
2.3: CÁC LOẠI THIẾT BỊ KHÍ HĨA - -2=sssxzmern 38
2.3.1 Thiết bị khí hóa tầng cố định -ccccccccccceee+zeertrrrrrrrrrrrrrrr 38
2.3.2 Thiết bị khí hóa tầng sơi
2.3.3 Thiết bị khí hóa dạng dòng cuốn
2.4 CƠNG NGHỆ LÀM SẠCH KHÍ GAS
2.4.1 Làm sạch hơi nhựa đường - 5-5: + SS+*Steeteteteterrtetrrerrrerrree 44
2.4.2 Làm sạch khí Halogens và các khí Acid -+«+e++eerexeresrrree 45 2.4.3 Loại bồ các kim loại rặng .cccccnnieneieiisieieiereiiseieiieirrersed 46
2.4.4 Loại bổ kiểm khỏi sản phẩm khí hóa -©5++++c+see+ser 46
Trang 62.5:1 TỔHE qUAT so s22 2 2162215221102529255120193822e:C7EE50 m4 lYieexi T2 WETvEs2e,2101.1105 48
2.5.2 Phân tích định tính cấu trúc hệ thống, « + ++x+e+xerxxerrxee 49
2.5.3 Xây dựng mơ hình
2.5.4 Các phương trình bảo toàn trong hệ dị thể đa phân tán
Chương ba: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ NHIỆT PHÂN, KHÍ HĨA CHẤT
3.1 XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN NHIỆT PHÂN CHẤT THẢI VÀ TRẤU 63
3:1.1 NUGHGH s ni 5 /21235025024925033012902/02274114719/101014 101427 2116.221101707 63
3.1.2.-NGUYH HỆU‹.2.- -ósvsssacacsvseporvvstsspensss sesosssossevpS+9eeoYErsr727+rYeTYE2TS2Y+?2+£7eY +7 63
3.1.3 Thiết bị nghiên cứu . ¿- «¿+ +x++Ek++Yxxtrkxterxxeerkervxerrketrkerkkerrkrerrkee 63
3.1.4 Phương pháp thực hiện
3.1.5 Kết quả
3.2 NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHÍ HĨA ceereersered 67
3.2.1 MỤC ICH TREO CUNY cccsercecseossstsvstcadesceoncsencesestsencasestaresomesizersoratacrencoreconsatta 67 312/0: NEUY ÔN HỆU 0 02020000 0n n0 1000000000010 00000902207704101017 011 015947 /07719/011021717E+2Y 95L 67 3.2-3 Thiết bị, dụng cụ thf mghi@rmn .2 - -.cc-cceonnsenssusssutonstsscnnehsseusonsanserssaneenes 68
3⁄24: Cách tiến han thinphismss 1 nh: 0s báu GEI à0100178/21001 70
3:215: Kế QUÁ S686 560.6,01000,0esACblkbeelbcssk.bt T6, cs0 hi orS0SE/ toa ttfsifoicl S9 71
3.3 XEM XÉT KHẢ NANG Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG 9
3.3.1 Kết quả kiểm tra hàm lượng các chất ơ nhiễm trong khí thải
2559) re teat Ne LE Leh reel are as 93
3.4 XÂY DỰNG CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ CHO QUY TRÌNH NHIỆT
PHÂN KHÍ HĨA CHẤT THẢI VÀ TRẤU) THU NHIÊN LIỆU KHÍ GAS 98
Chương bốn: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG LỊ KHÍ HÓA CHẤT
THẢI VÀ SINH KHỐI CÔNG SUẤT 200 KG/GIỜ LŨ1
4.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
4.2 MỤC ĐÍCH
4.3 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
4.3.1 Đặc tính của sản phẩm khí gas từ lị khí hóa - - -: -+-+-+-+ 103
Trang 7
4.3.2 Tính tốn nhu cầu khí gas .¿ 5°-55°°++*tv*+t+terttettttrrttiitrirrrirerrie 103
4.3.3 Lựa chọn kiểu lị khí hóa Fe eee ce, ert CỔ n1
4.4 QUY TRINH CONG an = vafine KHÍ HĨA CƠNG SUẤT 200
KG GIỮ LG iu, 2222312 24,242182eEcgecserteorrortreerrrrmetditadS80010 104
4.4.1 Sơ đổ công nghệ - ‹ :52cc+sevxxeterrrrrrrrrrrdrrrrrrrtriiirrttrtrrrrrrrriirrri 104 4.4.2 Nguyên lý vận hành của thiết bị khí hóa -s-e.-++retrrrtteeeeeeee 106 4.4.3 Các thơng số cơ bản của lò sinh khí . -c++t+rrrttereerrererrrrrete 108
4.4.4 Các thiết bị phụ trợ cc++tttttr12112 00 1 ri trrririiee 108 4.5 BẰNG THỐNG KÊ DANH MỤC THIẾT BỊ ĐIỆN .- 111 4.6 BẰNG DỰ TỐN CHI PHÍ
4.7 TÍNH TỐN GIÁ THÀNH
KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ, .S .-ese.eertrtrteterrttErrrrrrrrr 114
TÀI LIỆU THAM KHẢO „116 PHỤ LỤC 1- TỐC ĐỘ PHÁT SINH, ĐẶC TRƯNG KỸ THUẬT CỦA CTRSH TẠI TP HƠI 6 na =ẰŸnŸeeeeeseeeeeeeernr=rs=rm
PHỤ LỤC 2- KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN RÁC HỮU CO TRO TẠI MỘT SỐ NHÀ MÁY, CƠ SỞ LÀM PHÂN COMPOSITE 123 PHU LUC 3— KET QUA DO LUU LƯỢNG KHÍ GAS - 125
PHU LỤC 4~ KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ĐỊNH DANH VÀ ĐỊNH LƯỢNG KIM
LOẠI TRONG TRO THÁI
PHỤ LỤC 5- ĐỘ GIẢM KHỐI LƯỢNG CỦA VẬT LIỆU THEO NHIỆT ĐỘ137 PHỤ LỤC 6- PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN CHẾ TẠO MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ KHÍ HĨA . -< «-stt++++eeeeetree 139
Trang 8
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
VIẾT TẮT THUAT NGỮ TIẾNG VIỆT
Tiêu chuẩn của Mỹ (American Standard of Technics
ASTM and Materials) :
BKH & CN B6 Khoa Hoc & Céng Nghé
CE Hiệu quả đốt
CTCN Chất thải công nghiệp
CTNH Chất thải nguy hại
DRE Hiệu quả phân hủy
EPA Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ
KU khối lượng
KLN kim loại nặng
KCN Khu công nghiệp
KCX Khu chế xuất
TBVTV Thuốc bảo vệ thực vật
TCN Tiêu chuẩn ngành
TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam
THC Téng hydrocarbon
TP HCM Thành Phố Hồ Chí Minh
CTRSH Chất thải rắn sinh hoạt
RSH Rác sinh hoạt
MSW Municipal Solid Waste
BCL Bãi chôn lấp
CLR Chôn lấp rác
Trang 9
DANH SÁCH BẰNG
SỐ TÊN BẢNG SỐ LIỆU TRANG
T1 Nhiệt lượng của một số chất 5
1:2, Nhiệt trị của một số nhiên liệu khí gas 6
i1: Các ứng dụng của công nghệ khí hóa kiểu tầng cố định 15 2.2 Tóm tắt ứng dụng của các thiết bị khí hóa tầng sơi 16 243 Ưu nhược điểm của thiết bị khí hóa tầng cố định 39 24 Ưu, nhược điểm của thiết bị khí hóa tẳng sơi 42
2.5 Phân loại các khí hơi nhựa đường theo nhiệt độ tạo thành 45
2.6 Thanh phần kim loại nặng trong khói thải 46 2.7 Thanh phan kiểm trong một số loại vật liệu 47
3.1 Thành phần hóa học của chất thải 67
312: Thanh phân hóa học của trấu 67
3.3a Thanh phan khí gas ở chế độ thí nghiệm khoảng 800°C 73
3.3b | Nhiệt trị và hiệu suất chuyển hóa ở 800C 73
3.4a | Thành phần khí gas ở chế độ thí nghiệm khoảng 850°C 74
3.4b | Nhiệt trị và hiệu suất chuyển hóa ở 850°C 74 3.5a_ | Thành phần khí gas ở chế độ thí nghiệm khoảng 900°C 75
3.5b Nhiệt trị và hiệu suất chuyển hóa ở 900°C 75 3.6a So sánh thành phần khí gas theo các chế độ cấp khí khác nhau 76
3.6b Nhiệt trị và hiệu suất chuyển hóa trung bình của chất thải 76 301 Chất lượng khí gas theo nhiệt độ khí hóa T6 3.8a “Thành phân khí gas ở chế độ thí nghiệm khoảng 800°C 81
3.8b Nhiệt trị và hiệu suất chuyển hóa ở 800°C 81
3.9a Thanh phần khí gas ở chế độ thí nghiệm khoảng 850°C 82
3.9b | Nhiệt trị và hiệu suất chuyển hóa ở 850°C 82
3.10a | Thanh phần khí gas ở chế độ thí nghiệm khoảng 900°C 83
3.10b | Nhiét tri va hiệu suất chuyén hoa 6 900°C 83
Trang 10
Số TÊN BẢNG SỐ LIỆU TRANG
3.11a _ | So sánh thành phần khí gas theo các chế độ cấp khí khác nhau 84
3.11b | Nhiệt trị và hiệu suất chuyển hóa trung bình của trấu 84 312: Chất lượng khí gas theo nhiệt độ khí hóa 84 3,13) Chỉ tiêu khí gas dùng chạy máy phát điện §7
3.14 | Kết quả khí hóa chất thải theo chế độ thuận đòng và ngược 88
dong
3.15 | Kết quả khí hóa trấu theo chế độ thuận dòng và ngược dong 88 3.16 | Thành phần khí gas trước và sau khi được làm sạch (chất thải) 90
3:17: “Thành phần khí gas trước và sau khi được làm sạch (trấu) 91
3.18 _ | Nơng độ khí thải đốt gas từ khí hóa chất thải 92 3.19 | Nồng độ khí thải đốt gas từ khí hóa trấu 92
3.20 Kết quả phân tích định danh và định lượng các kim loại trong 95
tro thải từ lị khí hóa chất thai
3.21 _ | Kết quả phân tích các chỉ tiêu Hóa-lý trong dung dịch chiết mẫu 96
tro (US EPA- chiết bằng CH;COOH)
4.5 Bảng thống kê danh mục thiết bị điện 11
4.6 Bảng dự tốn chỉ phí 111
4.1 Bảng tính tốn giá thành 113
vi
Trang 11DANH SÁCH HÌNH
SỐ TEN HiNH ANH TRANG
21 Một số hình ảnh khí hóa chất thải 12
22 Quá trình nhiệt phân chất thải Entropic 12 2.3, Sơ đề đốt chất thải có thu hồi năng lượng 13 24 Sơ đồ nhiệt phân chất thải có thu hồi năng lượng 13 An: Sơ đồ khí hóa chất thải có thu hồi năng lượng 14
2.6 Mơ hình thu hồi năng lượng và làm sạch khí gas từ quá trình 14
nhiệt phân khí hóa trấu
2ó: Sơ đồ của quá trình EDDITh 17
2.8 Sơ đổ của công nghệ PKA (Nakicenovic, 1998) 18 2209: Sơ đồ công nghệ của Siemens/KWU Schwel-Brenn 19 2.10 Nguyên lý cơ bản của quá trình RCP 20
2.11 | Sơ đồ quá trình của Compact Power 20
2.12 Hệ thống khí héa Viking 6 Dan Mach 21 2.135 Mơ hình hệ thống khí hóa tại nhà máy CHP-Gussing, Ao 22 2.14 Công nghệ khí hóa sinh khối TPS-BIG-CC 23
215: Mơ hình pilot khí hóa Sydkraft 6 Varnamo 23
2.16 _ | Mối quan hệ giữa nhiệt độ phẩn ứng và hằng số cân bằng 32 2.17 | Ảnh hưởng của lượng hơi nước cấp vào 33
2.18 | Hệ thống khí hóa nghịch dịng 40
2.19 | Hệ thống khí hóa thuận dòng 40
2.20 | Thiết bị khí hóa tầng sơi dạng tuần hoàn 42
2.21 | Thiết bị khí hóa dạng dòng cuốn 4
2.22 | Phân tích định tính cấu trúc hệ thống 50
2.23 | Quan hệ các quá trình hóa lý với cấu tạo thiết bị 51
2.24 | Thanh phan luc bé mặt theo hướng x trên một thể tích hữu han 59 S21 Sơ đồ cấu tạo thiết bị phân tích nhiệt vi sai 63
vii
Trang 12SỐ TÊN HÌNH ẢNH TRANG
3.2 Thiết bị phân tích nhiệt vi sai 64
3.3 Đường cong TG của rác hỗn hợp 65
3.4 Đường cong TG của trấu 66
ces Cột khí hóa (gasifier) 69
3.6 Hình ảnh của mơ hình khí hóa 70
Bis Diễn biến chất lượng khí gas theo thời gian khí hóa 6 800°C 77 3.8 Diễn biến chất lượng khí gas theo thời gian khí hóa ở 850°C T7 3.9 Diễn biến chất lượng khí gas theo thời gian khí hóa ở 900°%C 7
3.10 Diễn biến nhiệt độ theo thời gian khí hóa chất thải ở 800% 78 S111 Diễn biến nhiệt độ theo thời gian khí hóa chat thai 6 850°C 78 3.12 Diễn biến nhiệt độ theo thời gian khí hóa chất thải ở 900%C 78
3.13 | Diễn biến chất lượng khí gas theo thời gian khí hóa trấu ở 800°C 85 3.11 _ | Diễn biến chất lượng khí gas theo thời gian khí hóa trấu ở 850°C 85 3.12 | Diễn biến chất lượng khí gas theo thời gian khí hóa trấu ở 85
900°C
4.1 Sơ đồ công nghệ hệ thống xử li Ếc thải với lị khí hóa 105
4.2 Các vùng và các bộ phận chính của lị sinh khí 106
Vili
Trang 13ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN KẾT HỢP VỚI KHÍ HĨA MỘT SỐ LOẠI CHẤT THẢI ĐỂ THU NHIÊN LIỆU
1 Cơ quan chủ quần
Sở Khoa Học và Công Nghệ TP Hồ Chí Minh
Địa chỉ: 244 Điện Biên Phủ, Quận 3, TP.HCM
Điện Thoại: 3925883
2 Cơ quan chủ trì
Viện Kỹ Thuật Nhiệt Đới &Bảo Vệ Môi Trường
Địa chỉ: 57A Trương Quốc Dung, quận Phú Nhuận, TP.HCM Điện thoại: 08.38.446262
3 Chủ nhiệm để tài
TS Nguyễn Quốc Bình
Tên cơ quan đang cơng tác: Viện Kỹ Thuật Nhiệt Đới & Bảo Vệ Môi Trường (VITTEP)
Địa chỉ cơ quan: 57A Trương Quốc Dung, quận Phú Nhuận, TP.HCM Số điện thoại: 08.38446262 - 38459208
Điện thoại cơ quan: 08.38459208 Fax: 38422329
Địa chỉ nhà riêng: 3/22 Nguyễn Thái Sơn, F3, Gò Vấp, TP.HCM Điện thoại nhà riêng: 38942450 ĐTDĐ: 0913921648 E-mail: quocbinh58@ yahoo.co.uk
4 Thư ký khoa học
ThS.NCS Lê Anh Kiên
Š Cơ quan phối hợp chính
Trang 146 Danh sách các cán bộ phối hợp thực hiện chính
TT Ho tén Hoc vi Chuyén nganh Don vi céng tac
1 |Lê Anh Kiên Th§-NCS | KTMT Viện KTNĐ&BVMT
2 | Trần Hóa Ths KTMT Viện KTNĐ&BVMT
3 | Nguyễn Thành Vinh ThS KTMT Viện KTNĐ&BVMT
4 | Thái Tiến Dũng ThS QLMT Viện KTNĐ&BVMT
5_ | Trần Ngọc Lam Tuyển KS CNMT Viện KTNĐ&BVMT
6 |Lê Đức Trung TS KTMT Viện MT&TN
7 | Lê Thị Thúy Hằng KS QLMT Viện KTNĐ&BVMT
8 | Nguyễn Thành Luân KS KTMT Viện KTNĐ&BVMT
9 | Lé Kim Phụng TS CNHH ĐHBK-TP.HCM
10 | Võ Xuân Khanh KS KTMT Viện KTNĐ&BVMT
11 | Một số thành viên khác
Trang 15
Chương một: MỞ ĐẦU 11 ĐẶT VẤN ĐỂ
Tại Thành phố Hổ Chí Minh (TP.HCM) cho đến năm 2008, tổng lượng chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) phát sinh đã đạt khoảng 6.000 - 6.500
tấn/ngày, trong đó thu gom được khoảng 4.900 - 5.200 tấn/ngày, tái chế/tái sinh
khoảng 700 - 900 tấn/ngày Hiện nay công nghệ xử lý CTRSH ở Việt Nam nói
chung và ở TP.HCM nói riêng phổ biến là chôn lấp, trong đó chủ yếu là chôn lấp cổ điển Riêng TP.HCM và một vài địa phương có bãi chơn lấp hợp vệ sinh Sắp tới TP.HCM sẽ triển khai một số dự án xử lý CTRSH làm phân hữu cơ Ưu
điểm của công nghệ này là tận dụng được phần hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học trong rác làm phân bón Với đặc tính của CTRSH ở TP.HCM có nhiều các
thành phân trơ, khó bị phân huỷ sinh học chủ yếu gồm cao su, gỗ, củi, kim loại,
giẻ, vải, simili, nhựa (bao bì, túi nilon), cặn trơ Hơn nữa do không được phân loại tại nguồn nên sau khi làm phân rác, các nhà máy vẫn còn thải ra một lượng lớn chất thải (xem phụ lục 1,2)
Kết qua khảo sát thực tế tại một số nhà máy dang sản xuất phân rác ở Đẳng
Nai, Vũng Tàu, Nghệ an, Đồng tháp .cho thấy hầu hết các nhà máy xử lý rác làm phân hữu cơ hiện nay ở Việt Nam chỉ tận dụng được 20 - 30% khối lượng
rác thải, 70 - 80% KL chat thải rắn còn lại (cả thành phần hữu cơ và vơ cơ)
trong đó vẫn còn khối lượng lớn các thành phần hữu cơ, khó bị phân hủy sinh
học, vẫn phải xử lý tiếp, thường vẫn phải chôn lấp
Bên cạnh CTRSH ngày càng gia tăng thì chất thải nông nghiệp (vỏ trấu,
rơm, rạ) ngày càng nhiều, theo EVN thì lượng chất thải biomass ước tính trên 30
triệu tấn/năm Chính điều đó đã gây ra tình trạng ơ nhiễm mơi trường khơng
khí, đất nước nghiêm trọng ở nhiều địa phương trong cả nước Tùy điều kiện cụ
thể của mỗi nước và thành phân của chất thải mà người ta áp dụng các công
Trang 16Trong “Chiến lược Quản lý Môi trường TP Hồ Chí Minh đến năm 2010” và trong “Chiến lược Bảo vệ Môi trường Quốc gia giai đoạn 2000 — 2015, tầm nhìn 2020” đã xác định phải tăng cường công tác tái sử dụng, tái sinh, tái chế và áp
dụng công nghệ xử lý mới để giảm 30 - 50% lượng chất thải rắn đô thị đổ ra các bãi chôn lấp
Một số loại hình đang được ưu tiên kêu gọi đầu tư vào lĩnh vực tái sinh, tái
chế và xử lý chất thải rắn đô thị của Thành phố, sắp xếp theo thứ tự ưu tiên lần
lượt như sau (Nguồn: Sở TNMT TP HCM, 2006)
© Tái sử dụng, tái sinh, tái chế các loại chất thải và phế liệu
s Sản xuất khí sinh học (CH,) (từ bãi chôn lấp vệ sinh hoặc thiết bị lên men
ky khí) và phát điện kết hợp chế biến compost và sản xuất phân hữu cơ se Chế biến compost và sản xuất phân hữu cơ
e Sản xuất nhiên liệu (nhiệt phân) và phát điện e Đốt kết hợp phát điện
Để tài “Nghiên cứu ứng dụng quá trình nhiệt phân kết hợp với khí hóa một số' loại chất thải để thu nhiên liệu” được để xuất thực hiện, hoàn toàn phù hợp với
chiến lược quản lý chất thải rấn tại TP.HCM Đề tài thành công sẽ làm tiền để
cho việc nâng cấp đăng ký thành các dự án, tao tiên để cho việc triển khai ứng
dụng vào thực tế, đồng thời góp phần cho công tác bảo vệ môi trường, xử lý
chất thải theo hướng tận dụng, thu hồi năng lượng
Xử lý chất thải theo hướng tận dung, coi chất thải như một nguồn “nguyên liệu” đang ngày càng được nhiều nước quan tâm Đặc biệt, trước tình hình khan
hiếm nhiên liệu trên toàn thế giới, khoa học tiến hành tìm kiếm các nguồn
nhiên liệu khác để thay thế nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng cạn kiỆt Và
chất thải rắn nói chung đặc biệt là CTRSH có thành phần chủ yếu C, H, O, là một trong các nguồn nguyên liệu có khả năng cung cấp năng lượng cao, cần phải được quan tâm nghiên cứu Trong chất thải sinh hoạt có chứa các chất ở dạng vô cơ và hữu cơ Các chất hữu cơ như thực phẩm, gỗ, giấy, cao su, nhựa
Trang 17Ngoại trừ các chất vô cơ, các chất ở dạng hữu cơ có một giá trị nhiệt trị nhất định chúng có thể chuyển từ dạng này sang dạng khác ví dụ như từ rắn sang
lồng hoặc khí Một số chất có nhiệt trị gần tương đương với dầu như PE, PP, PS
[1-3]
Một số nghiên cứu của công ty Texaco (Mỹ) đã nhận định năng lượng thu
được từ quá trình khí hóa 33 triệu tấn rác sinh hoạt tương đương 16 ti gallons dâu (thùng Mỹ) [4] Quá trình biến chất thải thành điện năng, nhiên liệu dạng
lỏng, khí đang được ứng dụng và phát triển ở rất nhiều nước trên thế giới nhằm giảm thiểu ô nhiễm do rác thải gây ra và biến rác thải thành một nguồn ngun
liệu có ích trong cuộc sống
Bang 1.1 Nhiệt lượng của một số chất [4]
Thanh phan Nhiệt lượng Thanh phan Nhiệt lượng
Trung binh (KJ/kg) Trung binh(KJ/kg)
Rác làm vườn 7000 Dầu (số2) 48500
Rac sinh hoat 10800 Gỗ 15500
Giấy 17000 Than 27000
Thực phẩm 6000 Cao su 23287
Trang 18Bảng 1.2 Nhiệt trị của một số nhiên liệu khí gas [5]
Nhiên liệu Nhiệt trị cao (HHV) Nhiệt trị thấp (LHV) Btu/lb, Ki/kg Btu/lb,, KJ/kg H; (hyđrogen) 61,030 141,834 51,593 119,902 CO (cacbonmonoxit) 4,346 10,100 4,346 10,100 CH, (methane) 23,880 55,497 21,515 50,001 C,H, (ethane) 22,329 51,893 20,430 47,479 C3Hg (propane) 21,670 50,361 19,944 46,350 C,H jo (butane) 21,316 49,538 19,679 45,734 CoH, (ethylene) 21,646 50,305 20,276 47,121 C5H; (acetylene) 21,477 49,913 20,734 48,186
Gas thién nhién 23,300 54,149 21,150 49,153
Gas sản xuất 2,500 5,810 2,280 5,299
Ghỉ chú: 1Btu/Ib„ = 2.324 KI/kg 1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
- Thông qua các nghiên cứu thực nghiệm q trình khí hóa nhiên liệu gốc chất thải, sinh khối nông nghiệp (trấu), đưa ra được các thông số vận hành,
thiết bị khí hóa thu hồi nhiên liệu phù hợp làm tiền đề cho việc triển khai ở
qui mô pilot phục vụ cho q trình đốt cơng nghiệp
- Nghiên cứu tận dụng để giẩm tối đa lượng chất thải phải chôn lấp, tiết
kiệm đất chôn lấp, giảm nguy cơ gây ô nhiễm môi trường từ các bãi chôn lấp chất thải
1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
1 Tổng quan tài liệu về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
2 Tổng quan lý thuyết về công nghệ khí hóa để thu hồi nhiên liệu
3 Nghiên cứu một số đặc tính hóa, lý cơ bản của chất thải
Trang 19nghiên cứu
3.2 Xác định độ giảm khối lượng theo nhiệt độ của một số loại chất thải để
xác định nhiệt độ nhiệt phân tối ưu
4 Nghiên cứu thực nghiệm công nghệ nhiệt phân thu nhiên liệu trên mơ
hình phịng thí nghiệm: chất thải được chọn nghiên cứu là rác sinh hoạt sau
khi đã loại bỏ các thành phần rau quả, thực phẩm hoặc các thành phần hữu cơ
trơ bị loại ra từ các nhà máy sản xuất phân compost, sinh khối nông nghiệp
(trấu) Các nội dung nghiên cứu chính gồm:
- Xác định điều kiện khí hóa thích hợp
- Nghiên cứu công nghệ làm sạch, làm giàu nhiên liệu thu được (loại tạp
chất như các chất ô nhiễm, tạp khơng có lợi)
- Kiểm tra đo đạc thành phần cơ bản của nhiên liệu
- Định hướng khả năng ứng dụng sẳẩn phẩm khí hóa thu được phục vụ cho
các cơ sở sản xuất công nghiệp
1.4 ĐỐI TƯỢNG & PHẠM VI NGHIÊN CỨU
-_ Đối tượng được để tài tập trung nghiên cứu:
+ Phần hữu cơ trơ trong rác sinh hoạt (phần thải ra từ các nhà máy sản xuất
phân composte)
+ Biomass cụ thể trong để tài này nghiên cứu khí hóa trấu
- Pham vi nghiên cứu: để tài tập trung nghiên cứu cơng nghệ khí hóa trên thiết
bị kiểu tầng cố định (fixed bed)
1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU a Nghiên cứu lý thuyết
1 Thu thập tài liệu về tình hình phát sinh, đặc tính và thành phan và các
phương pháp xử lý chất thải sinh hoạt bằng phương pháp nhiệt
2 Tìm hiểu thu thập tài liệu về tình hình nghiên cứu khí hóa chất thải, khí hóa
than và các nhiên liệu rắn khác trong và ngoài nước
3 Hồi cứu một số cơng trình thực tế ứng dụng công nghệ nhiệt phân, khí hóa xử
Trang 20lý chất thải thu nhiên liệu
4 Tổng quan lý thuyết công nghệ khí hóa chất thải nói chung thành nhiên liệu
khí gas
b Nghiên cứu thực nghiệm
Sử dụng các phương pháp tiêu chuẩn của Việt nam và một số tiêu chuẩn tham khảo Quốc tế Được thực hiện tại phịng thí nghiệm của VITTEP
c Thiết bị, phương pháp lấy mẫu, phân tích
1 Lị nung NABERTHERM - Kích thước 16 35x30x30 cm 2 Thiết bị khí hóa
3 TESTO 350, TESTO 360 chế tạo tại CHLB Đức theo tiêu chuẩn ISO 9001
với phần mềm chuyên dụng Statistical 6.0 Thiết bị này dùng để đo trực tiếp
các thành phần khí như CHạ, CO, CO;, hơi nước và nhiệt độ trong khí thải 4 Các thiết bị khác của Viện kỹ thuật Nhiệt đới & bảo vệ Môi trường và một
số phịng thí nghiệm của các cơ quan khác
5 Tiến hành nghiên cứu trên thiết bị phân tích nhiệt vi sai NETZSCH TG 209, Khoa Vật Liệu - Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM
1.6 ¥ NGHIA KHOA HOC, THUC TIEN
- Đã xây dựng cơ sở khoa học cho nghiên cứu xử lý CTRSH theo hướng tái chế tận thu sản phẩm, góp phần làm hồn thiện qui trình xử lý chất thải chung cho Thành Phố, làm rõ quan điểm coi “chất thải là một nguồn nguyên liệu”
- Để tài thành công sẽ làm giảm chỉ phí cho xử lý chất thải, tiết kiệm bớt đất sử dụng làm bãi chơn lấp chất thải, góp phẩn giải quyết tình trạng ô nhiễm môi
trường do CTRSH gây ra hiện nay tại TP Hồ Chí Minh
- Đối với công tác đào tạo cán bộ khoa học: tạo điều kiện cho một số học viên
thực hiện luận văn cao học, đại học
1.7 KET QUA CUA DE TAI
- Đã hoàn thành báo cáo chuyên dé:
1 Tổng quan các cơng trình n/c có liên quan tới quá trình nhiệt phân — khí hóa
Trang 212 Tổng quan lý thuyết quá trình nhiệt phân và khí hóa thu nhiên liệu
3 Tổng quan các phương pháp làm sạch, làm giàu khí gas thu được từ quá trình nhiệt phân làm nhiên liệu
4 Xây dựng mơ hình tốn học cho quá trình nhiệt phân một số vật liệu
5 Nghiên cứu biến đối khối lượng theo nhiệt độ một số chất điển hình trong
chất thải
6 Nghiên cứu thực nghiệm nhiệt phân và khí hóa thu nhiên liệu từ chất thải là rác sinh hoạt có thành phần hữu cơ trơ
7 Nghiên cứu thực nghiệm nhiệt phân và khí hóa thu nhiên liệu từ biomass
- Đã chế tạo mơ hình nghiên cứu thực nghiệm cơng nghệ khí hóa - Đã hướng dẫn 03 luận văn cao học:
1 Học viên: Nguyễn Thị Hồng Yến Tên luận văn cao hoc “N/c thyc nghiệm
khả năng thu hồi khí gas làm nhiên liệu từ quá trình nhiệt phân khí hóa các thành phần hữu cơ tra trong CTRSH” Viện MT&TN Đã bảo vệ 2008
- 03 luận văn cao học đang thực hiện, dự kiến bảo vệ 12.2009 tại Viện MT&TN
+ Học viên: Nguyễn Hồng Dân Tên luận văn cao học “ Nghiên cứu cơng nghệ khí hóa trấu trên thiết bị tầng cố định”
+ Học viên: Nguyễn Thanh Thúy Tên luận văn cao học “ Nghiên cứu cơng
nghệ khí hóa chất thải ngành giày da trên thiết bị tầng cố định”
+ Học viên: Bùi Nguyễn Quí Việt Tên luận văn cao học “ Nghiên cứu xây
dựng mơ phỏng tốn học q trình nhiệt phân khí hóa một số loại chất thải”
- Đã đăng được 02 bài báo trên tạp chí, hội nghị khoa học:
1 Tên bài báo: M⁄ thu hồi dung môi từ chất thải photoresist Tap chi
NCKHKT& CNQS Số 24 - 2008
2 Tên bài báo: Nghiên cứu cơng nghệ khí hóa chất thải rắn sinh hoạt để thu nhiên liệu Kỷ yếu hội thảo khoa học “An toàn — Sức khỏe — Môi trường” ĐH
Trang 22Chương hai: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
2.1 TONG QUAN NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 2.1.1 Nghiên cứu trong nước
Ở Việt Nam, nghiên cứu ứng dụng q trình khí hóa chất thải phục vụ cho sin xuất điện năng, tận dụng nhiệt cho sản xuất, dich vu chưa có nhiều
Hướng tận dụng giai đoạn khí hóa chất thải để thu hổi nhiên liệu sạch là một
hướng nghiên cứu mới, chưa có nhiều thông tin nghiên cứu theo hướng này
- Đối với chất thải sinh khối: Nghiên cứu tái sử dụng chất thải sinh khối
cho lò hơi công nghiệp để thu hồi năng lượng, Việt Nam đã tham gia trong ban
điều hành dự án “về hiệu quả năng lượng cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ tiểu
vùng Sông Mêkong thuộc hiệp hội các quốc gia Đông Nam A”
TS Chu Văn Thiện và các cộng sự thuộc Viện cơ điện nông nghiệp Việt
Nam thiết kế, lò đốt ga trấu để cung cấp nhiệt lượng phục vụ cho việc sấy, bảo
quản nơng sản Loại lị này được cải tiến từ loại lò tương tự của Viện nghiên
cứu lúa quốc tế (IRRI)
Thực hiện dự án Sử dụng năng luợng từ chất phế thải sinh thái do chính phủ Australia tài trợ, Bộ NN&PTNT đã giao cho Viện Cơ điện Nông nghiệp
thực hiện dự án Xây dựng dây chuyển công nghệ phát điện và nhiệt kết hợp theo phương pháp đốt tầng sôi dùng trấu và phụ phẩm nông nghiệp tại Công ty Lương thực Long An nhằm tận dụng, nâng cao hiệu quả sử dụng chất phế thải
biến thành điện năng và nguồn nhiệt sạch Nhiệm vụ của dự án là xây dựng dây
chuyển công nghệ mang tính trình diễn hệ thống phát điện kết hợp nhiên liệu từ trấu bằng công nghệ đốt tầng sôi, phục vụ cho khâu sấy sản phẩm nông
nghiệp với nguồn điện phát là 50kWh Sau dự án thí điểm tại Công ty Lương
thực Long An, hiện tại, các nhà khoa học đã triển khai thêm 3 hệ thống tương
tự tại Sơn La (dùng để sấy gỗ), Đắc Lắc (sấy cà phê) và Thanh Hóa (áp dụng trong dây chuyển sản xuất phân bón)
Trang 23- Đối với chất thải sinh hoạt:
Một số tác giả đã nghiên cứu thu hồi dung môi (dâu nhiên liệu) tử chất thải
cao su, nhựa Doanh nghiệp tư nhân Hoàng Đại tại Hải Phòng, đã tiến hành
nghiên cứu và triển khai dây chuyển công nghệ diéu chế dầu DO từ cao su,
nhựa phế thải công suất 2 tấn/ngày, vốn đầu tư khoảng 2 tỉ đồng/dây chuyển
Hiện nay Doanh nghiệp tư nhân Hoàng Đại đang mời chào các đơn vị hợp tác
đâu tư triển khai công nghệ
- Tác giả Lê Xuân Hải - Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh cũng có một số cơng trình nghiên cứu cơ bản liên quan tới quá trình khí
hóa một số loại nhiên liệu rắn cho lò đốt công nghiệp
- TS Nguyễn Vĩnh Khanh - Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí
Minh đã thực hiện để tài cấp TP.HCM “nghiên cứu công nghệ sẵn xuất nhiên
liệu rắn từ chất thải plastic và vỏ trấu” từ 12/2007 — 5/2009 Kết quả bước đầu
cho thấy nhiên liệu có thể sử dụng cho các lò đốt công nghiệp
- Trong thời gian qua, Tác giả cùng các cộng sự thuộc phòng Kiểm sốt ơ
nhiễm khơng khí - Viện kỹ thuật Nhiệt đới & Bảo vệ Môi trường cũng đã thực hiện một số dé tài nghiên cứu có liện quan tới để tài:
- Đốt chất thải: có dé tài “ Nghiên cứu ứng dụng quá trình nhiệt phân để
đốt chất thải nguy hại cho TP.HCM” — (Sở KH&CNMT TP.HCM Năm 2002) - Dét chất thải có tính tới việc tận dụng nhiệt để sấy chất thải - đã kết hợp
với Công ty Việt úc triển khai trong thực tế năm 2005
- Nghiên cứu ứng dụng quá trình nhiệt phân để xử lý thành phần hữu cơ
trơ trong CTRSH theo hướng tận dụng làm vật liệu lót đường -(Sở KH&CN TP.HCM Năm 2006)
- Trong năm 2006 -2007 nhóm nghiên cứu đã thực hiện để tài nghiên cứu
cấp cơ sở với để tài: “Bước đầu nghiên cứu thăm dò khả năng thu hổi khí gas
làm nhiên liệu từ quá trình nhiệt phân và khí hóa rác thai”.(VITTEP 2007)
Đề tài đã nghiên cứu trên qui mô phòng thi nghiệm, đã xác định một số
Trang 24điều kiện nhiệt phân-khí hóa chất thải phụ thuộc nhiệt độ, chế độ cấp khí, hơi nước, đã bước đầu đánh giá được chất lượng khí gas thu được từ q trình khí hóa một số loại chất thải Một số hình ảnh nghiên cứu thử nghiệm khí hóa chất thải được trình bày ở hình 2.1
Hình 2.1 Một số hình ảnh khí hóa chất thải
Ngoài ra, trong những nỗ lực tìm kiếm các giải pháp xử lý chất thải rắn phù
hợp với điều kiện Việt Nam, Sở Tài Nguyên Môi Trường và Chỉ Cục Bảo Vệ Môi
trường TP HCM đã phối hợp cùng với Công ty Entropic Energy (Hoa Kỳ) tổ chức Hội thảo giới thiệu phương pháp xử lý chất thải rắn và chất thải nguy hại bằng
công nghệ Entropic vào ngày 12-07-2005 Công ty Entropic Energy cũng đề xuất mơ hình nhà máy xử lý rác phù hợp với TP HCM với công suất xử lý là 6.400 tấn
rác/ngày; sản phẩm chính thu được là 1.500 tấn than tổng hợp Nếu xây dựng một nhà máy phát điện kèm theo sử dụng hết chỗ than này thì sẽ cho ra một lượng điện
năng là 150 MW/ngày; hơn nữa cịn có nhiều sản phẩm khác như nhiên liệu tái
sinh, nước, khí hydrro, dầu nặng, nhẹ
KH Kh
Die Bite #20 on: thải đã qua
đ đ đ ¥ ỹ giai
đoạn tiến xử lý
£=E= -
KH tổng kớp Lim mat
Trang 25
2.1.2 Nghiên cứu ở nước ngoài
Xử lý chất thải theo hướng tái sinh năng lượng, hiện đang được nghiên cứu,
triển khai ứng dụng tại nhiều nước trên thế giới như Nhật, Mỹ, Đức, Hàn Quốc
Hiện nay tại Mỹ có 114 cơng trình tái sinh năng lượng tại 32 bang trên toàn nước
và đã sản xuất lượng điện cho 1,2 triệu hộ gia đình và doanh nghiệp Một số quá trình xử lý chất thải có thu hồi năng lượng được đưa ra trong các hình 2.3 — 2.6
Khí nhiên liệu sạch Chỗn lấp
IS Mạng lưới đi Thiết bị Điện L tngSGEOEĐ 0) -
phụ ượ
Lò đết Khi Điện
phụ trợ nhiền Lâm sạch khi liệu thiên liệu
Sản) - —
Trên sass Sản xuất năng
Cắt lượng
= Tro ling Tro Nhiệt
Cin rin haw
Nguyên liệu tải
i chế: “Thiết bị tiểu thụ nhiệt
Hình 2.3: Sơ đô đốt chất thải có thu hồi năng lượng [6]
Mạng lưới điện
Tiển xứ lý chất thải sere]
Sang Dérkhi gus
2 Gu
Then D Sản xuất
Nguyễn Đi than năng lượng
liệu tất chả điện/nhữht ®[ Can dn } Thiết bị tiêu thụ — +
chiệt
Chia lito
Dértrong 10 Tạo than Ung dung cho qua
xi ming hoạt tính trình lâm sạch khí
rhiên liêu
Hình 2.4 Sơ đồ nhiệt phân chất thải có thu hồi năng lượng [6]
Trang 26Mạng lưới điện Din Thiết bi nhụ trợ
Sang Détkhi gas
Hội Cie le
Sản xuất
Nguyên Chị gen, > DE than —»|_ năng lượng
liệu tải co ` điền /nhiệt
Cn rin Thiết bị tiểu thụ +
- nhiệt
Đất trong lò Tyo than Ung dung cho qua
xỉ mãng hogt tinh trình lâm sạch khí chiến liên
Hình 2.5 Sơ đồ khí hóa chất thải có thu hơi năng lượng [6]
lực ae
Hình 2.6 Mơ hình thu hồi năng lượng và làm sạch khí gas từ quá trình
nhiệt phân khí hóa trấu
(Nguôn: “Rice Husk Engine Generator”)
Trang 27
Nghiên cứu cơ bản q trình khí hóa đã được thực hiện từ lâu và ở nhiều nơi
trên thế giới Các loại thiết bị và công nghệ khí hóa hiện nay có thể được chia
thành hai nhóm chính như sau:
e Thiét bi khí hóa dạng tâng cố định (fxed bed) e - Và thiết bị khí hóa dạng tầng sôi (fluidized bed)
Thống kê các ứng dụng của cơng nghệ khí hóa kiểu tầng cố định dạng
updraft và downdraft được trình bày trong bảng 2.1
Bảng 2.1 Các ứng dụng của công nghệ khí hóa kiểu tầng cố định [7]
Nước Dang Vật liệu khí hóa Cơng suất Tổ chức/dự án
USA Downdraft | Gốc cây cù lần IMW CLEW
Downdraft | Mảnh gỗ, lõi bắp 40kW Stwalley Engg
Denmark —_| Updraft Da, chất thải 2-15MW DTI
Updraft Rom, manh gé, ci | 1-15 MW VOLUND R&D
Centre
Downdraft | G6 dam 0.5MW Hollesen Engg
New Downdraft | G6 cuc, gỗ mảnh 30kW Fluidyne
Zealand
France Downdraft | Gỗ chấtthảinông | 100-600kW | Martezo
nghiệp
UK Downdraft | Sinh khối, chất thải 30kW Newcastle University sinh hoat of technology
Downdraft | Chat thdicéngnéng | 300kW Shawton Engineering
nghiệp
Switzerland | Stratified | Gỗ,sinhkhốinông | 50-2500kW | DASAG
nghiệp
Downdraft | Gỗ, gỗ thải 0.25-4MW HTV Energy
India Downdraft | Gỗ mảnh, vỏ gạo 100kg/h Associated Engineering
Works
Downdraft | Thân gỗ, vỏ trấu 100kg/h Ankur Scientific
Energy Technologies
Trang 28
Nước Dạng Vật liệu khí hóa Cơng suất Tổ chức/dự án
Belgium Small scale | Gỗ mảnh 160kW: SRC Gazel
South Downdraft | Gỗ cục, mảnh 30-5S00kW SystBM Johansson
Africa gas producers
Finland BIONEER | Gé manh,rdm, RDF | 4-5MW Ahlstrom Corporation
updraft Gỗ thanh, than bùn | 64MW VTT
Netherlands | Downdraft | Vỏ trấu 150kW KARA Energy Systems China Downdraft | Mạt cưa 200kW Huairou wood
equipment Downdraft | Chất thải sau thu 300kW Huantai Integrate
hoach Gassupply
System
Tóm tắt các ứng dụng của thiết bị khí hóa tầng sơi trình bày trong bằng 2.2 Bang 2.2 Tóm tắt ứng dụng của các thiết bị khí hóa tầng sơi [7]
TT 'Tên khách hàng Vật liệu Năng suất | Thờigian | Điện năng khí hóa khí hóa hồn thành sinh ra
1 | Aomori RER Bin 450 Ungay | 3.2001 17.800kW
(225 x 2)
2 Joetsu Wide-range Plastic thải, | 15,7 ngày — regional Union bùn đen 3.2000
ch Sakata Local Clean MSW 196 t/ngày 1.990kW
Union (98 x 2) 3.2002
4, | Nikko Mikkaichi Plastic thai | 70 Ưngày _—
Recycling 1.2001
5 | Kawaguchi City MSW 420 Ungay | 11.2002 11.700kW
(140 x3)
6 | Ube City MSW 198 vngay | 11.2002 4.100kW
Trang 29
TT: “Tên khách hàng Vật liệu Năng suất “Thời gian Điện năng khí hóa khí hóa hồn thành sinh ra Chuno Wide-range MSW 168 ngày | 3.2003 1.980kW
regional Union (56 x 3)
Minami-Shishu Wide- | MSW 168 ngày | 3.2003 ——
range regional Union (56 x 3)
Giới thiệu một số quy trình cơng nghệ khí hóa ở quy mơ cơng nghiệp 1 Quy trình EDDITh
Quy trinh EDDITh® (Thide Environment, 2002a and Vrancken et al., 2001)
gồm có lị quay để sấy nhiên liệu đầu vào bằng khí nóng, một lị quay thực hiện
phản ứng nhiệt phân sử dụng khí cháy trao đổi nhiệt bên ngoài, một buồng đốt
được trang bị béc đốt sinh NOx thấp và thiết bị tách than, thu hồi kim loại
Hình 2.7 Sơ đồ của quá trình EDDITh [§]
17
Trang 30Các thơng số kỹ thuật tóm tắt như sau:
« Sứ dụng khơng khí để sấy ngun liệu đầu vào (là chất thải rắn sinh hoạt)
se Trung bình, một tấn chất thải sẽ thu được 400 kg khí có nhiệt trị khoảng
12 MI/kg, 240 kg than cốc, 51 kg kim loại, 61 kg tạp chất trơ, 10 kg muối có thành phần chính là CaCl; và NaCl, và 20 kg tro cặn
2 Công nghệ PKA
Công nghệ này gồm modular khí hóa, nhiệt phân ở nhiệt độ cao Nhiệt độ
nhiệt phân: 500-550°C trong một lị quay ngồi khoảng 4560 phút Sau đó khí
hóa ở 1400-1500°C
'Nap liệu (sau khi nghiển)
Bộ lạ thìn — Bblee Bộ rửa khí : Bộ xửý
hogt tinh Hydrogen sulfide
Nước rửa khí
Hình 2.8 Sơ đồ của công nghệ PKA (Nakicenovic, 1998) [8]
Các thông số kỹ thuật tóm tắt như sau:
e Nguyên liệu đầu vào: CTRSH, vỏ xe đã sử dụng, CTCN và nhựa thải e Xửlý sơ bộ nguyên liệu đầu vào: phân loại, sàng, nghiền
Trang 313 Công nghệ SIEMENS Schwel-Brenn
Công nghệ là q trình cacbon hóa khơng liên tục dựa trên chế độ nhiệt phân Kiener (Bracker, 2001 and Kempin, 1996) Nhiệt độ nhiệt phân bắt đầu ở
450°C khoảng 1 giờ Sau đó được đốt trong lị ở nhiệt độ 1300°C để tạo hơi trong lò hơi đạt 400°C với áp suất hơi 40bar, hơi này dùng cho việc chạy máy phát điện với hiệu suất phát điện là 24%
CHAT NHI THAL TRONG II 7 NHIGT PHA! LÒ HƠI BỘ THU,BỤ1 J j NẠP XOẤN VÍT BĂNG TẢI a: 'BUỔNG ĐỐT Fe NFe GLASS
xi MAY PHATTUA BIN
Hình 2.9 Sơ đồ cơng nghệ của Siemens/KWU Schwel-Brenn [8]
4 Céng nghé Von Roll RCP
Cơng nghệ nhiệt phân-khí hóa RCP (recycled clean products) được thực
hiện bởi Von Roll/Inova căn bản dựa trên quy trình Duotherm Nhiệt độ tại vùng cháy đạt 1400°C
Năm 1997, tại Đức, công nghệ này đã triển khai ở quy mô pilot với 6 tấn/h
CTRSH, sản sinh ra 16MW điện (Richers et al., 1999)
Trang 32Buẩng đất La bai
Phẩu cạp HỆ tổng nỗi tuổ: Tu bi nhiệt
sug ebay Thi kim log! ee ane
Hình 2.10 Nguyên lý cơ bản của quá trình RCP [8] 5 Quy trinh Compact Power
Quy trình được thực hiện bởi Compact Power Ltd của UK sử dụng nhiệt phân, khí hóa và đốt ở nhiệt độ cao để chuyển hóa các loại vật liệu thành khí Khí cháy được sử dụng để khí hóa có nhiệt độ khoảng 1200-1250°C, hơi nước
được sử dụng để khí hóa than
Hình 2.11 Sơ đồ quá trình của Compaet Power [8]
Trang 33Mô hình pilot được triển khai ở Avonmouth - Bristol (UK) với quy mô 6,8
tấn/h để xử lý CTRSH với công suất phát điện đạt 7,8 MW Năm 2003, mô hình
được triển khai thực hiện ở Dargavel gần Dumfries - UK, được vận hành bởi công ty Batneec (Dumfries) Ltd ctia Scotland
6 Cơng nghệ khí héa Viking, Dan Mach
Dựa vào hệ thống khí hóa 2 bậc nhà máy sản sinh ra 250kW nhiệt và
100kW điện được xây dung tai Blare, Aars bởi công ty Danish REKA
Maskinfabrikken
Gỗ hoặc rơm được nhiệt phân bước đầu ở 600C Kết quả là hình thành các
chất dễ bay hơi, các chất này tiếp tục phản ứng với hỗn hợp khí/ hơi nước Khí
gas hình thành có chứa hàm lượng nhổ hắc ín Bước tiếp theo là giai đoạn khí hóa cặn cacbon làm giảm hàm lượng hắc ín bên trong lò Khí thành phẩm được
làm lạnh và làm sạch và nạp vào động cơ Perkin
Nhiệt thừa từ khí xả động cơ được tận dụng cho giai đoạn nhiệt phân ban
đâu Hiệu suất phát sinh điện năng được đánh giá là 25% Kiểm tra trên mơ
hình pilot của nhà máy, khí gas có nhiệt trị 6 MI/NnỶ, đạt hiệu suất nhiệt
khoảng 90%
` Viking Gasifier, DTU Dk
liệu 340 KWVIh
nen sơng Đáp al a
is, lý khí
Hình 2.12 Hệ thống khí hóa Viking ở Đan Mạch [9]
Trang 347 Cơng nghệ khí hóa tầng sơi tuần hồn (CFB — Cireulating Fluidized
Bed), Gussing-Ao
Công suất hoạt động: 4,5MW nhiệt và 2MW điện
ee
Thiét bị ! khí , Riba kat
giảnht Loc Giảinhiệt Lọc khixé Khixd Tro bay:
Hình 2.13 Mơ hình hệ thống khí hóa tại nhà máy CHP-Gussing, Ao[9] 8 Cơng nghệ khí hóa tích hợp BIG-CC ( Biomass Integrated Gasification
Combined Cycle), Hà Lan
Trong hệ thống khí hóa sinh khối kết hợp tuần hoàn (Biomass Integrated
Gasification Combined Cycle - BIG-CC), ban đầu gỗ được chuyển hóa thành
khí gas trong lị khí hóa tầng sơi Khí được đốt cháy trong nhà máy tuần hồn
có chứa tubin khí và tuabin hơi để nâng hiệu suất cực đại Khí được nén và phun vào bên trong tuabin khí và nó sẽ được đốt cháy ở nhiệt độ cao Khí xả ra
từ tuabin khí có nhiệt độ cao đi qua nổi hơi để thu hồi nhiệt Hơi phát ra từ nôi
hơi được sử dụng để vận hành tuabin hơi Khí trước khi sử dụng cho các mục
đích khác cần phải được làm sạch
Trang 35Ngăn xếp „ “Xúc tác Dolomite Nhiên liệu | s Chuẩn bị
ta “Thu nhiệt và sinh hơi nước (ˆ
Chuyển đến lưới điện
Hình 2.14 Cơng nghệ khí hóa sinh khối TPS-BIG-CC [10]
9 Cơng nghệ khí hóa IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle),
Đức O 7=, mm
Cấp nhiệt cho khu vực|
Trang 36
Trong bộ khí hóa khí nén, khí gas sinh ra được nạp trực tiếp vào tuabin khí sau khi đã loại bổ các thành phần tạp chất như bụi
Hệ thống thu hổi bụi được thực hiện ở nhiệt độ < 400°C, giữ ở nhiệt độ đủ
cao để duy trì lượng hắc ín ở pha hơi
22 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN KHÍ HĨA 2.2.1 Quá trình nhiệt phân
- Nhiệt phân là quá trình phân hủy chất thải ở nhiệt độ cao (thường dưới 650°C) trong điều kiện thiếu oxy hoặc khơng có oxy Bản chất của quá trình
này là cracking nhiệt không xúc tác để chuyển chất thải từ các hợp chất phức
tạp (có phân tử lượng cao) thành các hợp chất đơn giản hơn (có phân tử lượng
thấp) Sản phẩm thu được cũng như tốc độ nhiệt phân phụ thuộc vào điều kiện
nhiệt phân, thành phần và tính chất của chất thải [12]
~ Trong quá trình nhiệt phân, phần ứng quan trọng nhất là bẻ gãy mạch liên kết C-C, không xúc tác chúng tạo thành những gốc tự do có đặc tính chuỗi
- Nhiệt độ càng tăng thì sự cắt mạch càng sâu, yếu tố nhiệt độ quyết định
đến sản phẩm của quá trình nhiệt phân Ở nhiệt độ cao, các sản phẩm dạng
lỏng một mặt bị hóa hơi, mặt khác lại tiếp tục bị nhiệt phân cắt mạch tạo thành
các sản phẩm đơn giản hơn
- Cặn cacbon hay san phẩm cốc hóa thu được là do sự phân hóa
hydrocacbon đến cacbon tự do
- Quá trình nhiệt phân là quá trình thu nhiệt Nguyên lý nhiệt phân
Khi quá trình nhiệt phân xảy ra, vật liệu bị đốt nóng sẽ co lại do các vật chất bay hơi từ bên trong ra bên ngoài và do sự co giãn vật liệu không đồng nhất nên đôi khi xuất hiện các đứt gãy trên bể mặt và bên trong vật liệu
Quá trình nhiệt phân xẩy ra đối với chất thải rắn:
Nhiệt phẩm
Chit thai rin —————x Chấtbay hơi (gas + Can rin
Trang 37» Khí gas gồm: CH¿, C,Hy, Hạ, CO, CO, NO,, SO,, hơi nước
"_ Cặn rắn: Carbon cố định và tro (ơxít kim loại, muối vô cơ)
» Chất thải rắn có thể nhiệt phân như: sinh khối thực vật, cao su, giấy,
plastic, carton, gỗ, bùn thải nguy hại
Nhiệt phân nhanh ở nhiệt độ cao đóng vai trò quan trọng như là bước đầu
tiên của quá trình đốt và khí hóa Là quá trình phân hủy nhiệt sinh khối với sự
có mặt của chất oxy hóa, nhờ hấp thụ nhiệt (nhiệt này được lấy từ quá trình đốt
cháy các nhiên liệu khác) Nhiệt độ tiến hành vào khoảng: 400 - 800°C và sinh
ra 3 dạng thành phẩm:
" Dạng khí (15-30%): CO, Hạ, CO;, CHạ, hydrocac bon Cạ — Cs
= Dang léng (50-60%): H2O, hydrocacbon nang
= Dang rn: 20-30%: bitum cing mét s6 hgp chat khéc
Những phản ứng hóa học xảy ra khi cracking nhiệt và nhiệt phân [12, 43]
Cally + CH; với m=n+i, (2m+2) =2n‡j
CmHay¿——
L_, C\Ha2 +C,H, vdi m=k+p, (2m+2) = (2k+2) + 2p Các phần ứng trên xảy ra đều khơng có mặt xúc tác, chúng tạo thành những gốc tự do và có đặc tính chuỗi
Ban đầu phân tử hydrocacbon bị phân cắt tạo ra hai gốc tự do:
RCH;-CH;R' > RCH:-CH; + R` (sự khởi đầu chuỗi)
Các gốc tự do có thể gắn kết phân tử hydrocacbon khác tạo thanh những
hydrocacbon thấp và gốc tự do mới
RCH:-CH;R + R' > RCH-CH:R' + R`H (phát triển chuỗi) Sau đó gốc tự do mới này bị tách hydro tạo thành anken và gốc nhỏ hơn
RCH-CH:R => R' + RCH =CH:
Trang 38RCH:-CH;R + R -> RCH;-CHR' + RH,
RCH:-CHR > RCH =CHR' +H, H+RCH:-CH:R -> RCH;-CHR' + Hạ
“Trong quá trình nhiệt phân ở nhiệt độ cao, ngoài sản phẩm lỏng và khí thu được cịn có chất rắn-than, (bổ hóng), hoặc sản phẩm cốc hóa Sự tạo thành muội than được giải thích bằng sự phân hóa hydrocacbon đến C tự do
Quá trình nhiệt phân sinh khối
Trong quá trình nhiệt phân, sinh khối được đốt nóng với sự có mặt của
khơng khí ở nhiệt độ khoảng 500°C Sự thay đổi tỉ lệ giữa nhiệt độ và khoảng
thời gian phản ứng của quá trình có thể dẫn đến sự thay đổi thành phần khí và
tro Nhiệt phân chậm làm gia tăng sản lượng carbon cố định, nhựa đường
(Lehmann 2007a) Khi cân thu sản phẩm lỏng ta thực hiện q trình nhiệt phân
nhanh, ví dụ như dâu sinh học Các sản phẩm phụ của q trình nhiệt phân (khí
và lỏng) được sử dụng để đáp ứng nhu cầu năng lượng của quá trình hoặc thậm
chí có thể sản xuất ra các dạng năng lượng phụ
Worasuwannarak et al, 2007 đã quan sát sự khác nhau của các dạng khí sinh
ra trong q trình nhiệt phân các dạng vật liệu sinh khối khác nhau, và nó được cho là do thành phần helmicellulose, cellulose, và lignin Quá trình nhiệt phân
cellulose thông qua 2 dang phan ứng: suy giảm từng bậc, phân hủy và cốc hóa
ở nhiệt độ thấp hơn, và quá trình bay hơi cấp kèm theo việc hình thành
levoglucosan ở nhiệt độ cao hơn của quá trình nhiệt phân
2.2.2 Q trình khí hóa
Khí hóa là q trình chuyển hóa các chất như biomass, chất thải hữu cơ
(PDF) thành khí gas tổng hợp (synthetic natural gas — SNG) ở nhiệt độ và áp suất cao Người ta có thể chia thành loại khí hóa nhiệt độ cao và khí hóa nhiệt độ thấp
Trang 39- Khí hóa nhiệt độ cao (high-temperature gasification) tiến hành ở nhiệt độ
cao > 1200, quá trình này tạo ra khí tổng hợp chứa phần lớn CO va H;(hơn
85 % thể tích) và một phan nhỏ CO; và CH¡ và một số chất khác [4]
- Khí hóa nhiệt độ thấp (Iow-temperature gasification) tiến hành ở nhiệt độ < 1000PC, quá trình này tạo ra khí tổng hợp ngồi CO va H; còn lượng lớn hydrocacbon (chủ yếu là mêtan và một số hydrocacbon dễ bay hơi khác) 6 điểu kiện này có một phần phản ứng chuyển CO và H; thành CH¿ (phan ting
11, 12 bên dưới)
“Tác nhân khí hóa là khơng khí, hoặc oxy nguyên chất có thể có sự tham gia của hơi nước
Khí hóa là một kỹ thuật tối ưu cho việc giảm thể tích của chất rắn và thu hồi năng lượng Với sản phẩm khí cháy thu được từ q trình khí hóa được dùng cho động cơ đốt trong, turbine khí hoặc nổi hơi, sấy nóng
Q trình khí hóa trải qua 4 giai đoạn tương ứng với 4 vùng trong thiết bị
khí hóa [4]:
a Sấy khơ (Drying):
Lầm bay hơi ẩm chứa trong nguyên liệu Nguyên liệu nạp vào lò được sấy khô tai vùng này Nhiệt cung cấp cho quá trình nhiệt phân và sấy khô chủ yếu la do dịng khí tạo thành chuyển động ngược dòng và một phần là do bức xa
nhiệt từ vùng cháy
b Nhiệt phân (Pyrolysis):
Làm cắt mạch liên kết C-C của nguyên liệu tạo khí nhiệt phân (pyrolysis
gas) và cặn cacbon Tại vùng nhiệt phân (vùng bán cốc), nguyên liệu bị phân
hủy tạo thành hỗn hợp khí bay hơi và cặn rắn Sản phẩm của quá trình nhiệt
phân ở vùng bán cốc không thóat ra ngồi mà tiếp tục đi qua vùng chầy
Quá trình nhiệt phân thật sự xảy ra tại khoảng nhiệt độ 280 — 700°C, khi đó sẽ tạo thành một lượng lớn hắc ín, một số methyl alcohol được hình thành và
khí gas chứa CO;,
Trang 40c Oxy héa ( Oxidation) :
Ding oxy để oxy hóa hydrocacbon thành CO; và H;O Các phẩn ứng hóa học của quá trình khí hóa chủ yếu diễn ra trong giai đoan này Nguyên liệu rắn
có khả năng cháy được cấu thành từ những nguyên tố C, H, O; do đó khi phan
ứng cháy hoàn toần xẩy ra với lượng oXy dư sẽ tạo thành CO; và HạO theo
phương trình (1) và (7)
d Khit (Reduction):
Đây là giai đoan khử phan cặn cacbon cịn lại để tạo khí gas CO va Hp Sau vùng cháy, lượng cặn cacbon còn lại và sản phẩm cháy như CO; và hơi
nước được chuyển về vùng khử, tại đây các phần ứng khử (3 — 4), (8 -10) xảy ra và kết quả hình thành khí CO và Hạ
Các phản ứng hóa học của khí hóa than [4],[13]:
AH (KJ/mol) C+O;=CO; +394,1 () 2C +O;=2CO +110,4 (2)
Giữa than với hơi nước:
C+HO = CO+H; -135,0 (3) C+2H;O = CO;+2H; -96,6 (4) 2C +2H;O = CO; + CH¿ (5) Những phần ứng thứ cấp của sản phẩm các phần ung sd cấp 2CO + O2 = 2CO2 +283,7 (6) 2H; + O;= 2HạO +245,3 (7) CO;+C=2CO - 173,3 (8) CO + HạO = CO; + H; +38,4 (9) C + 2H) = CHy +84,3 (10)
2CO + 2H, = CH, + CO2 +274.4 (il)
2CO + 3H, = CH, + H20 (12)
Ngoài ra cịn có nhiều phần ứng phụ, đáng quan tâm là những phần ứng: