Nghiên cứu ứng dụng quá trình nhiệt phân kết hợp với khí hóa một số loại chất thải để thu nhiên liệu

ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BÁO CÁO NGHIỆM THU (Đã chỉnh sửa theo góp ý 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 Đề tài chỉnh sửa theo ý kiến đóng góp Hội đồng Nghiệm thu tổ chức ngày 04/09/2009 Sở Khoa học Cơng nghệ Tp Hồ Chí Minh Chủ tịch Hội đồng - GSTS Bùi Song Cầu Phản biện - PGS.TS Đinh Xuân Thắn Phản biện - PGS.TSKH Lê Xuân Hải hj nhgggzem TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Do rác không phân loại nguồn nên nhà máy xử lý rác làm phân compost thường thải lượng lớn chất thải rắn (khoảng 70% KL rác), chủ yếu thành phân hữu khó bị phân hủy sinh học, phải xử lý tiếp, thường phải chôn lấp Bên cạnh CTRSH ngày gia tăng chất thải nơng nghiệp (vỏ trấu, rơm, rạ) thải khoảng 30 triệu tấn/năm Sở KH&CN TP.HCM cho phép nhóm nghiên cứu thuộc viện KTNĐ&BVMT (VITTEP) triển khai để tài “Nghiên cứu ứng dụng q trình nhiệt phân kết hợp với khí hóa số loại chất thải để thu nhiên liệu”, hoàn toàn phù hợp với chiến lược quan ly chat thai rắn TP.HCM Từ kết nghiên cứu thực nghiệm cơng nghệ khí hóa thiết bị kiểu tầng cố định (fixed bed) cho thấy: với điều kiện khí hóa 800 - 900°C, chế độ cấp khí a < 0,4 khí gas thu khí hóa chất thải Q từ 1248 - 1380 Kcal/N.mẺ trấu có nhiệt trị trung bình Q từ 1056 - 1102 Keal/NmẺ Hiệu suất chuyển hóa nhiên liệu trung bình n > 60% Khí gas sử dụng làm nhiên liệu cho chạy tua bin khí, nồi hơi, nấu kim loại Sản phẩm khí gas cháy thải chất nhiễm đạt tiêu chuẩn khí thải TCVN 5939 - 2005 Đề tài phân tích để xuất qui trình cơng nghệ khí hóa chất thải biomass, tính tốn thiết kế sơ hệ thống khí hóa chất thải qui mô 200kg/h dự kiến triển khai vào thực tế SUMMARY OF RESEARCH CONTENT therefore, the Normally, the municipal solid waste is not segregated at source, weight) It Composting plant discharges a huge amount of solid waste (about 70% of in a next stage includes the biology undegradable waste, which needs a treatment mil of ton a (dumping at the landfill site) Beside, the agriculture work discharges 30 year ing the The DOST of Hochiminh City allowed the group of VITTEP perform tion some project “ Research on application of pyrolysis combining with gasifica of solid waste types of solid waste to produce fuel” It is suitable with the strategy management in Hochiminh City The results of gasification experiment in the fixed bed showed: at the product was from 1248 experimental conditions of 800-900°C; a < 0,4: energy of gas — 1102 Keal/Nm? — 1380 Keal/N.m? for waste Energy of gas product was from 1056 than 60% The gas for rice husk The average efficiency of transformation was larger The composition of product was able to use for electricity, boiler, common furnace burning of gas product met the TCVN 5939-2005 for waste and The project also suggested the gasification technology process system with the capacity biomass; proposed the designing of gasification equipment of 200kg/h MỤC LỤC Chương một: MỞ ĐẦU .- +22 2ÿ 0à, 0à U3) rò ssis cai Mebs o6 700.0 r.fg cc có có co — TƯ 12 MỤC TIỂU NGHIÊN CỨU . -oooosoechgorolS021206061.0600.6ce.eecoll reo 1.3 NỘI DŨNG NGHIÊN CỨU -e.2891242472934006000e-cced 1.4 ĐỐI TƯỢNG & PHẠM VI NGHIÊN CỨU . -esseeerezerree 1,5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU l Ý NGHTÀ KHƠA HỌC) 'THỤC TIÊN c0 (RET Ook CUA BETA Sa 1626 leeceeel Se aed Chương hai: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU +22+zzt.err.e 10 2.1 TONG QUAN NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC LŨ rrir 10 - 5+-5£ 52252 ‡teteeterettetrrrkrrireer « 2.1.1 Nghiên cứu nưỚc 2.1.2 Nghiên cứu nước 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 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 dịng 2.4 CƠNG NGHỆ LÀM SẠCH KHÍ GAS rerrree 44 - 5-5: + SS+*Steeteteteterrtetrrerr 2.4.1 Làm nhựa đường 2.4.2 Làm khí Halogens khí Acid -+«+e++eerexeresrrree 45 2.4.3 Loại bồ kim loại rặng .cccccnnieneieiisieieiereiiseieiieirrersed 46 2.4.4 Loại bổ kiểm khỏi sản phẩm khí hóa -©5++++c+see+ser 46 2.5 MƠ TẢ TỐN HỌC Q TRÌNH KHÍ HĨA CHẤT THẢI 48 2.5:1 TỔHE qUAT so s22 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 hệ dị thể đa phân tán Chương ba: NGHIÊN CỨU CƠNG 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 /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 3.1.5 Kết 3.2 NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ KHÍ HĨA ceereersered 67 3.2.1 MỤC ICH TREO CUNY cccsercecseossstsvstcadesceoncsencesestsencasestaresomesizersoratacrencoreconsatta 67 312/0: NEUYÔN HỆU 02020000 0n n0 1000000000010 00000902207704101017 011 015947 /07719/011021717E+2Y 95L 67 3.2-3 Thiết bị, dụng cụ thf mghi@rmn - -.cc-cceonnsenssusssutonstsscnnehsseusonsanserssaneenes 68 3⁄24: Cách tiến han thinphismss 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 3.3.1 Kết kiểm tra hàm lượng chất nhiễm khí thải 2559) re teat Ne LE Leh reel are as 93 3.4 XÂY DỰNG CÁC THƠNG SỐ CƠNG 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 HĨA 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 sản phẩm khí gas từ lị khí hóa - - -: -+-+-+-+ 103 4.3.2 Tính tốn nhu cầu khí gas .¿ 5°-55°°++*tv*+t+terttettttrrttiitrirrrirerrie 103 4.3.3 Lựa chọn kiểu lị khí hóa 4.4 QUY TRINH CONG Fe eee an = vafine ce, ert CỔ KHÍ HĨA CƠNG n1 SUẤT 200 iu, 2222312 24,242182eEcgecserteorrortreerrrrmetditadS80010 104 KG GIỮ LG 4.4.1 Sơ đổ công nghệ - ‹ :52cc+sevxxeterrrrrrrrrrrdrrrrrrrtriiirrttrtrrrrrrrriirrri 104 4.4.2 Nguyên lý vận hành thiết bị khí hóa -s-e.-++retrrrtteeeeeeee 106 4.4.3 Các thơng số lị sinh khí . -c++t+rrrttereerrererrrrrete 108 108 trrririiee 00 4.4.4 Các thiết bị phụ trợ cc++tttttr1211ri 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 „116 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 1- TỐC ĐỘ PHÁT SINH, ĐẶC TRƯNG KỸ THUẬT CỦA CTRSH 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 TẠI TP HƠI 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 iii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT VIẾT TẮT THUAT NGỮ TIẾNG VIỆT ASTM Tiêu chuẩn Mỹ (American Standard of Technics : BKH & CN B6 Khoa Hoc & Céng Nghé CTCN Chất thải công nghiệp CE and Materials) Hiệu đốt CTNH Chất thải nguy hại DRE EPA Hiệu phân hủy Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ KU khối lượng KLN kim loại nặng KCN Khu công nghiệp TBVTV Thuốc bảo vệ thực vật KCX Khu chế xuất TCN Tiêu chuẩn ngành THC Téng hydrocarbon TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TP HCM Thành Phố Hồ Chí Minh RSH Rác sinh hoạt BCL Bãi chôn lấp CTRSH MSW CLR Chất thải rắn sinh hoạt Municipal Solid Waste Chôn lấp rác iv DANH SÁCH BẰNG SỐ TÊN BẢNG SỐ LIỆU TRANG T1 Nhiệt lượng số chất 1:2, Nhiệt trị số nhiên liệu khí gas i1: Các ứng dụng cơng nghệ khí hóa kiểu tầng cố định 15 2.2 Tóm tắt ứng dụng thiết bị khí hóa tầng sơi 16 243 Ưu nhược điểm thiết bị khí hóa tầng cố định 39 24 Ưu, nhược điểm thiết bị khí hóa tẳng sơi 42 45 2.5 Phân loại khí nhựa đường theo nhiệt độ tạo thành 2.6 Thanh phần kim loại nặng khói thải 46 2.7 Thanh phan kiểm số loại vật liệu 47 Thành phần hóa học chất thải 67 Thanh phân hóa học trấu 67 Thanh phan khí gas chế độ thí nghiệm khoảng 800°C 73 3.1 312: 3.3a 3.3b | Nhiệt trị hiệu suất chuyển hóa 800C 73 3.4a | Thành phần khí gas chế độ thí nghiệm khoảng 850°C 74 3.4b | Nhiệt trị hiệu suất chuyển hóa 850°C 74 3.5a_ | Thành phần khí gas chế độ thí nghiệm khoảng 900°C 75 Nhiệt trị hiệu suất chuyển hóa 900°C 75 3.6a So sánh thành phần khí gas theo chế độ cấp khí khác 76 3.6b Nhiệt trị hiệu suất chuyển hóa trung bình chất thải 76 301 Chất lượng khí gas theo nhiệt độ khí hóa T6 3.8a “Thành phân khí gas chế độ thí nghiệm khoảng 800°C 81 3.8b Nhiệt trị hiệu suất chuyển hóa 800°C 81 3.9a Thanh phần khí gas chế độ thí nghiệm khoảng 850°C 82 3.5b 3.9b | Nhiệt trị hiệu suất chuyển hóa 850°C 82 3.10a | Thanh phần khí gas chế độ thí nghiệm khoảng 900°C 83 3.10b | Nhiét tri va hiệu suất chuyén hoa 900°C 83 TÊN BẢNG SỐ LIỆU Số 3.11a _ | So sánh thành phần khí gas theo chế độ cấp khí khác 3.11b | Nhiệt trị hiệu suất chuyển hóa trung bình trấu TRANG 84 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 khí hóa chất thải theo chế độ thuận đòng ngược 88 dong 3.15 | Kết khí hóa trấu theo chế độ thuận dòng ngược dong 88 3.16 | Thành phần khí gas trước sau làm (chất thải) 90 3:17: “Thành phần khí gas trước sau làm (trấu) 3.18 _ | Nông độ khí thải đốt gas từ khí hóa chất thải 3.19 3.20 | Nồng độ khí thải đốt gas từ khí hóa trấu Kết phân tích định danh định lượng kim loại 91 92 92 95 tro thải từ lị khí hóa chất thai 3.21 _ | Kết phân tích tiêu Hóa-lý dung dịch chiết mẫu 96 tro (US EPA- chiết CH;COOH) 4.5 Bảng thống kê danh mục thiết bị điện 11 4.6 Bảng dự tốn phí 111 4.1 Bảng tính tốn giá thành 113 vi DANH VÀ ĐỊNH LƯỢNG KIM PHỤ LỤC KẾT QUÁ PHÂN TÍCH ĐỊNH LOẠI TRONG TRO THÁI Các ký hiệu kết ~ TBayer: -Tsygenu: ~Tweụe: Cty Bayer CropScience, Lò đốt CTR (bao bì thuốc BVTV)_ “Hoval” KCN AMATA, Biên Hồ, tỉnh Đồng Nai “Hoval” Cty SYNGENTA, KCN Lồ đốt CTR (bao bì thuốc BVTV) biên hồ 2, Biên Hoà, tỉnh Đồng Nai dau ) cia Cty NESTLE, KCN Lị đốtCTR (bao bìhóa chat, gié lau dính bién hoa 2, Bién Hoa, tinh Đồng Nai hại: dầu cặn, giẻ dính dầu ) -Tsạm: — Lồ đốtCTNH (các loại chất thải nguy Rịa- Vũng Tàu Cty Sông Xanh, Mỹ Xuân, Phú Mỹ, Bà thải từ lò đốt CTR CN Kết định danh kim loại tro tích tro thải xác định định danh bán Bằng phương pháp quang phổ phát xạ phân sau: định lượng kim loại mẫu Kết kim loại phát định danh bán định lượng kim Bảng P4.1: Tổng hợp kết phân tích loại tro thải từ lị đốt CTR CN Don vi tinh theo % khối lượng khô TT | CHỈTIÊU KET QUA Tpayer | Tsyngenta Tnestle Tsxanb Trocặn | Tro CTCN dầu ie VÀ a 10 TH, 12 1S: 14 Al Si Mg Ca Ba Fe Vv Mn Ti Co Ni Cr Mo Sn if 0,5 1,5 >3 0,5 2 0,18 0,002 0,7 0,05 - 0,3 0,6 0,02 0,07 0,05 0,01 0,005 >] 0,003 0,5 0,3 0,03 - 0,003 0,003 0,003 0,004 0,0005 0,07 0,005 0,05 15 0,05 - 0,002 0,01 0,005 0,002 0,003 0,005 - 0,001 0,5 0,07 35) - 0,005 0,007 0,02 Du KET QUA CHỈ TIÊU Tnestle Tpayer | Tsyngenta Tro cain Tsxanh dau Tro CTCN 1S; Sb : - - 0,03 is 16 Bi 0,025 17 Cu 0,06 0,001 0,5 = 0,05 = 0,08 Si 18 Ag 0,00001 0,00002 0,0005 0,00001 19 Pb 0,001 0,002 0,0002 0,007 0,005 20 Zn 0,08 0,05 0,65 0,09 0,1 21 Cd - - - 0,0003 22 23 Ga Zr 0,005 - 0,003 0,001 0,002 0,004 0,15 = - 24 P 0,15 0,25 0,03 0,05 0,15 25 Na 0,5 15 0,5 12 0,5 0,00001 | a : # g Hg 26 Kết phân tích định lượng kim loại tro thải từ lò đốt CTR CN Dựa vào kết định danh kim loại để phân tích định lượng nguyên tố cụ thể Phân tích định lượng kim loại thực theo phương pháp tiêu chuẩn tương ứng Thiết bị sử dụng hấp thụ nguyên tử (AAS), quang phổ so màu (spectrophotometer GENESYS- 5), quang phổ phát xạ nguyên tử Plasma Số thiết bị đo chuyên dụng Bảng P4.2: Tổng hợp kết phân tích định lượng kim loại tro thải Đơn vị tính theo khối lượng khơ Tr | CHITIEU | Divi tinh KET QUA Tpayer | Tsyngenm | TNesue Tsxanh Cặn dầu | CTCN 4,53 ile *h Al Si % 3,22 5,20 1,75 7,32 % 0,48 2,17 0,69 3,36 2,46 ehh Mg % 1,26 3,26 2,26 1,87 0,35 Ca % 2,10 3,63 2,86 1,22 0,51 Ba % 0,17 0,05 0,06 0,05 0,03 Fe % 1,88 4,68 1,78 3,82 1,37 Ts Mn V % 0,67 133 6011 0,33 2,34 mg/kg 18 55 36 4528 8950 - 43 = 32 41 10 Ti Co 11 Ni 13 Mo 12, Gr mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg 450 - 333 - - 30 21 25 36 28 43 115 26 12 45 Sf 133 TT | CHỈTIÊU | Dwi tính Tpayec | TSyngema | KẾT QUẢ TNesue 14 Sn mg/kg | 630 465 4270 16 Bi mg/kg | 250 16 Z 18 Ag mg/kg | 1,30 15, Sb mg/kg = 667 173 a = 263 - 736 27900 443 10,5 17,6 1,66 67 43 mg/kg 780 435 6126 T79 955 P % 0,17 0,25 0,03 0,05 0,13 Na % 0,43 1,5 0,5 1/2 0,58 Cu mg/kg 480 19, Pb mg/kg 20 Zn 24 25 26 - Căn dầu | CTCN 4200 iis 2ï) 57) 23 = Tsxanb Cả Ga Zr Hg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg 52 _ - 0,16 : 36 15 - 0,13 " : 23 - 4,24 2,6 31 1227 - 0,21 R i - 134 Kết phân tích dung dịch chiết từ tro (kiểm tra tính nguy hại tro thải) - Kết theo phương pháp chiết tro bang CH;COOH (US EPA) Bảng P4.3: Tổng hợp kết phân tích tiêu Hóa- lý dung dịch chiết mẫu tro theo US EPA lò đốt CTR CN (phương pháp chiết CH:COOH) KET QUA TT | Chỉ tiêu phân | Đơn vị | tủ Bs 10 H1 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 21 acl ie Độ đục SS Téng can Độ NTU mg/l mg/l | mg/l | NH,-N N-NO¿ N-NO; Soe cr P-PO, S” COD Mg Ca Mn Cr Pb Cd Zn Fe As Hg Cu AI Sĩ Sn Sb mg/l mgi mg/l mg/l mgi mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg1 mg mg1 mgi mg mg/l mg] mg mg1 mg/l mg/l mg eting/CaCO3 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | Teayer | Tsyngenta | Teste 23 4436 | 1326 17 28 6152 884 15 30 6537 | 2152 0,84 0,26 2,23 2/25 0 883 665 485 365 33,8 38/2 1,23 0/75 610 830 585 263 T34 384 163 87 9,33 6,86 133 | 1/05