3 Phát sinh rác thải nylon sơ cấp năm 2015 1.1.3 Tính chất lý, hóa của rác thải nylon nhóm PE − Khối lượng riêng: có trọng lượng tương đối nhẹ, tùy thuộc vào loại nhựa và kích thước của
TỔNG QUAN
NYLON
1.1.1 Khái niệm và nguồn gốc rác thải nylon
Nylon là một tên gọi chung cho một họ polymer tổng hợp bao gồm các polyamide (Monomer được liên kết bởi các liên kết amide) Nylon là một chất dẻo nhiệt giống như nhựa nhiệt dẻo, thường được làm từ dầu mỏ, có thể được chế biến nóng chảy thành sợi, màng mỏng hoặc nhiều hình dạng Nylon gồm các bao bì bằng nhựa polyethylene (PE) sau khi sử dụng trở thành rác thải Rác thải nylon thực chất là một hỗn hợp nhựa, trong đó chiếm phần lớn là nhựa PE
Dựa trên các đặc tính các đặc tính vật lý và hóa học độc đáo của chúng, con người có thể đúc thành các vật thể rắn khác nhau được ứng dụng trong đa dạng các lĩnh vực Nhìn chung có 8 lĩnh vực chính: bao bì, xây dựng, dệt may, sản phẩm tiêu dùng, điện/điện tử, máy móc công nghiệp, giao thông vận thải và các lĩnh vực khác Trong đó bao bì đóng vai trò chiếm tỷ trọng lớn nhất của rác thải nylon Năm
2015, nhu cầu sản xuất bao bì trên toàn thế giới là 146 triệu tấn chiếm khoảng 1/3 tổng rác thải nylon Và trong cùng năm đó, trong tổng số rác thải nylon thải ra ngoài môi trường có 141 triệu tấn bao bì [1]
Hình 1 1 Nhu cầu sử dụng rác thải nylon của các lĩnh vực năm 2015 Đối với các lĩnh vực khác ngoại trừ lĩnh vực xây dựng, có một chút khác biệt về số lượng sản xuất và rác thải Đối với rác thải nylon trong ngành xây dựng chỉ chiếm khoảng 20% sản phẩm xây dựng vì tuổi thọ sử dụng của các loại nhựa này
Bao bì Xây dựng Dệt may Khác Tiêu dùng Vận tải Điện/Điện tử
11 khá dài Tuy nhiên đối với các kĩnh vực khác, đặc biệt trong lĩnh vực bao bì thì chúng có tuổi thọ sử dụng rất ngắn Theo [1], số liệu thống kê nhu cầu sử dụng rác thải nylon của các lĩnh vực năm 2015 được trình bày trong Hình 1.1, và lượng rác thải nylon phát sinh của các lĩnh vực năm 2015 được thể hiện ở Hình 1.2
Hình 1 2 Lượng rác thải nylon phát sinh của các lĩnh vực năm 2015
1.1.2 Phân loại rác thải nylon
Các polyme khác nhau có thể được kết hợp để tạo ra các loại nhựa khác nhau
Vì mỗi loại nhựa đều có những tính chất vật lý và hóa học riêng Thông thường, nhựa bao gồm polyetylen mật độ thấp (LDPE), polyetylen mật độ cao (HDPE), polypropylen (PP), Polystyren (PS), polyvinyl clorua (PVC), polyetylen terephthalate (PET), polyurethan (PUR), và những loại khác [2]
− LDPE là một loại nhựa trong suốt, linh hoạt và dẻo dai Hầu hết các túi mua sắm, chai, nắp và dây cáp đều được làm bằng nó Với đặc tính điện ổn định, nó có thể được sử dụng để làm dây và cáp;
− HDPE là một loại nhựa đa năng với nhiều công dụng nó có thể được sử dụng để làm đồ chơi, đóng gói chất tẩy rửa và hộp đựng đồ uống không ga vì nó có khả năng kháng hóa chất;
− PP có khả năng chịu nhiệt và chống ẩm, điều này xác định rằng nó có thể được sử dụng cho các hộp đựng và bao bì chống vi sóng Ngoài ra, vì nó có thể vừa cứng vừa linh hoạt, nó cung cấp nhiều định dạng đóng gói khác nhau;
Bao bì Dệt may Khác Tiêu dùng Vận tải Xây dựng Điện/Điện tử
− PET có khả năng chống khí, chống ẩm và bền Vì vậy, người ta thường thấy các hộp đựng đồ uống có ga được làm từ nó Chất liệu rẻ tiền này làm cho đồ uống có ga trở nên gần gũi và phổ biến hơn rất nhiều;
− PVC rất quan trọng đối với xây dựng vì nó ổn định và chịu được thời tiết Thông thường, nó được sử dụng để làm khung cửa sổ, tấm ốp tường và cách điện cho cáp;
− PS có đặc tính dễ dàng nở rộng và trở lên nhẹ vì vậy nó thường được dùng để sản xuất cốc, khay, hộp đựng xốp Đối với mỗi loại nhựa lại có tính chất khác nhau và ứng dụng khác nhau Chính những đặc điểm đó quyết định độ khó của việc tái chế Theo [1], sự phân bổ các loại nhựa trong rác thải nylon phát sinh năm 2015 được trình bày trong hình 1.3 Qua đó cho thấy HDPE và PET được tái chế rộng rãi Đối với PVC, có clo bên trong, khi xử lý có thể thải ra dioxin nguy hiểm, gây khó khăn cho việc tái chế Điều này càng khó cho việc tái chế những loại nhựa hỗn hợp Trong khi các loại nhựa như LDPE và PS thì hoàn toàn không được tái chế
Các đặc tính độc đáo không chỉ xác định các ứng dụng khác nhau của các loại nhựa khác nhau mà còn cho thấy tiềm năng cao của nhựa nhiệt phân thành dầu Theo [3], các chất dễ bay hơi đối với tất cả các loại nhựa đều cao, nghĩa là các loại nhựa này rất dễ chuyển hóa thành dầu Trong khi hàm lượng tro thấp ít ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất thu dầu, ngoại trừ polypropylene hơi cao so với các loại khác
[4] Những thông số đó làm cho quá trình nhiệt phân nhựa trở thành một phương pháp hợp lý để quản lý rác thải nylon
Theo [1], có số liệu lượng rác thải nylon sơ cấp được trình bày trong hình 1.3 Cho thấy, các loại nhựa thuộc nhựa PE chiểm tỷ trọng rất lớn trong lượng rác thải nylon phát sinh Các loại nhựa thuộc nhóm PE như: HDPE, LDPE, MDPE Chúng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như sản xuất trai lọ, bao bì, túi nhựa, bọc dây điện… Vì vậy, đề tài này tập trung thiết kế hệ thống xử lý rác thải thuộc nhóm nhựa PE
Hình 1 3 Phát sinh rác thải nylon sơ cấp năm 2015
1.1.3 Tính chất lý, hóa của rác thải nylon nhóm PE
Những tính chất vật lý quan trọng bao gồm nhiệt độ nhiệt phân, khối lượng riếng, độ ẩm, kích thước, độ bền và khả năng phân hủy:
− Nhiệt độ nhiệt phân: tùy vào nhiệt độ khác nhau mà tỷ lệ sản phẩm thu được khác nhau Theo [5] nhiệt độ nhiệt phân của các loại nhựa PE sẽ trong khoảng 300-700 o C;
− Khối lượng riêng: có trọng lượng tương đối nhẹ, tùy thuộc vào loại nhựa và kích thước của rác;
− Độ ẩm: được sử dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực quản lý rác thải nylon là đo khối lượng ướt;
− Độ bền: có độ bền cao, có thể tồn tại trong môi trường tự nhiên trong thời gian dài, từ hàng trăm đến hàng nghìn năm;
CÔNG NGHỆ XỬ LÝ RÁC THẢI NYLON Ở VIỆT NAM VÀ THẾ GIỚI 17
Chôn lấp là phương pháp cổ điển nhất để xử lý rác thải nylon Tuy vậy, việc chôn lấp rác thải nylon là một biện pháp không mong muốn, do rác thải nylon chiếm khối lượng, thể tích lớn, số lượng rác thải nylon cần chôn lấp cũng rất nhiều khiến chúng nhanh chóng lấp đầy các khu chôn lấp rác thải Ngoài ra, rác thải nylon có thể tạo thành các “bẫy” lưu giữ khí metan, tạo thành những “quả bóng khí” có xu hướng di chuyển lên phía bề mặt Những “quả bóng khí” này có thể phá vỡ lớp phủ bề mặt, gây ô nhiễm môi trường nước và không khí xung quanh Chưa kể đó, rác thải nylon với độ bền vốn được coi là tính chất vật lý ưu việt của nó, sẽ tồn tại rất lâu và khó bị phân hủy Ngoài ra, quá trình phân hủy yếm khí rác thải nylon trong điều kiện bãi chôn lấp cũng sinh ra nhiều chất độc hại, đặc biệt là khí
H2S sinh ra từ lưu huỳnh dùng trong lưu hóa rác thải nylon
1.2.1.2 Công nghệ đốt rác thải nylon Đây là phương pháp phổ biến nhất trong việc xử lý rác thải nylon Quá trình cháy của rác thải nylon khá dễ dàng, nó có nhiệt trị tương đương với dầu FO Phương pháp thiêu đốt phổ biến hiện nay gồm hai phương pháp chủ yếu là thiêu đốt trực tiếp không kiểm soát và đốt có thu hồi nhiệt
Chỉ riêng ở Mỹ, việc đốt rác thải nhựa đã tạo ra 59 triệu tấn carbon dioxide vào năm 2015 và sẽ tăng lên 49 triệu tấn vào năm 2030 và 91 triệu tấn vào năm 2050 Điều này làm cho việc đốt rác thải nhựa trở thành một yếu tố đáng ngại gây ra phát thải khí nhà kính Đốt rác thải nhựa phế liệu là một vấn đề gây nguy hiểm đối với sức khỏe Sự hiểu biết các yếu tố độc hại của khí thải đốt rác thải nhựa là điều cần
18 thiết đối với nhân viên vận hành Đi kèm với việc đốt rác thải nylon là quá trình phát thải khí độc hại, vì khi nâng nhiệt độ đốt rác thải nylon sẽ tạo ra làn khói đen thoát ra ngoài, và lên nhiệt độ cao mật độ khói càng dày đặc Các nghiên cứu về quá trình đốt rác thải nhựa đã xác định một hàm lượng lớn benzo (a) pyrene, chất gây ung thư và lượng khí thải cao của các hợp chất độc hại khác, đặc biệt là benzen, với nồng độ thường vượt quá một phần triệu bị phát thải ra ngoài Đối với quá trình đốt trong lò đốt hoặc trong nồi hơi công nghiệp nhằm thu hồi nhiệt sản phẩm được tạo ra chủ yếu là: Oxit cacbon, lưu huỳnh nitơ nước, khí trơ và năng lượng Những sản phẩm này có thể được sử dụng vào các quá trình khác nhằm giảm chị phí đốt Tuy nhiên trong rác thải nhựa thường chứa nhiều hợp chất không phù hợp tiêu chuẩn, một số chất chưa đốt hoàn toàn, có thể phát ra một làn khói dày đặc, một loạt các hydrocacbon pyrolytic và tro có thể gây hại cho môi trường và sức khỏe con người Ngoài ra, do quá trình lưu hóa của rác thải nylon nên quá trình đốt cháy rác thải rác thải nylon sản sinh ra nhiều khí SO2 nên việc xử lý khí thải rất tốn kém Một loạt các sản phẩm phân hủy được tạo ra trong quá trình đốt rác thải nhựa phế liệu bao gồm tro (carbon, kẽm oxit, titanium dioxide, silicon dioxides…), các hợp chất của lưu huỳnh (carbon disulfit, sulfur dioxit, hydrogen sulfit), PAH thường được phát hiện trong dòng chảy dầu (chẳng hạn như benzo (a) pyren, chrysen, vv), và các loại dầu paraffinic naphthenic, oxit cacbon và nitơ, các hạt bụi và các hydrocacbon thơm khác nhau bao gồm cả xylen, toluen, benzen, vv Các sản phẩm phân hủy được mở rộng và đa dạng tùy thuộc vào một nhiều yếu tố chẳng hạn như loại rác thải nhựa, tỷ lệ, kích thước đống, nhiệt độ môi trường xung quanh và độ ẩm
1.2.1.3 Công nghệ nhiệt phân, tái chế rác thải nylon
Nhiệt phân nhựa đã tạo được sự chú ý đặc biệt trên toàn cầu với một số nhà máy chế biến hiện đang hoạt động Một ví dụ điển hình là nhà máy tái chế đặt tại Swindon ở Anh do Recycling Technologies vận hành Nhà máy RT7000 có công suất tái chế 7.000 tấn/năm, bao gồm polystyrene và bao bì mềm, để sản xuất 5.250 tấn dầu để xuất khẩu và sử dụng trong nước Sản phẩm chính là dầu, trong đó 70% được xuất khẩu để sử dụng làm nhiên liệu và nguyên liệu bền vững cho sản xuất nhựa trong khi 30% sản phẩm còn lại là sản phẩm tương đương sáp dùng cho sản xuất nến và sơn Khí và than còn sót lại cung cấp năng lượng cho quá trình tái chế
Do đó, việc sản xuất dầu nhiệt phân có tiềm năng thay thế việc sử dụng dầu nguyên chất trong sản xuất nhựa và chất bôi trơn
Về mặt kinh tế, nhiên liệu được sản xuất từ nhựa phế thải có thể giảm chi phí nhập khẩu và tiêu thụ dầu thô, vì dầu được sản xuất có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho vận tải và phát điện vốn là những đối tượng tiêu thụ chính nhiên liệu hóa thạch Về mặt kinh tế, những điều này làm giảm ngoại tệ nhập khẩu của các nước không sản xuất dầu, do đó tiết kiệm dự trữ ngoại hối, tăng cường hơn nữa đồng nội tệ của các nước nhập khẩu dầu, dẫn đến trữ lượng dầu toàn cầu bền vững hơn cho tiêu dùng
Bảng 1 3 So sánh các công nghệ xử lý rác thải nylon
1.2.2 Công nghệ xử lý rác thải nylon ở Việt Nam
Tại Việt Nam, việc kiểm soát và xử lý rác thải nylon còn nhiều hạn chế Vì vậy, các phương pháp xử lý chủ yếu gồm 2 phương pháp:
− Phương pháp chôn lấp: là phương pháp phổ biến nhất ở Việt Nam, do rác thải nylon chiếm khối lượng, thể tích lớn, số lượng rác thải nylon cần chôn lấp cũng rất nhiều Không những vậy, do lượng phát sinh rác thải nylon ngày một lớn dẫn đến các bãi chôn lấp không thể đáp ứng được nhu cầu dẫn đến ùn ứ và bốc mùi Tiêu biểu như các khu chôn lấp rác Xuân Sơn, Đa Phước… Chôn lấp rác thải cũng gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường, bao gồm: ô nhiễm nguồn đất, ô nhiễm nguồn nước, không khí và hệ sinh thái;
− Phương pháp đốt : đốt rác thải nylon là phương pháp khá phổ biến, chiếm khoảng 15% tổng lượng rác thải thu gom Phương pháp này có ưu điểm là có thể xử lý được lượng rác thải nylon lớn trong thời gian ngắn Tuy
Xử lý nguyên liệu Cổng nghệ Chi phí vận hành
Chôn lấp Không có Rất thấp Không cần Thấp Thấp Cao Không có
Thiêu đốt Có Thấp Không cần Thấp Thấp Cao Không có
Nghiền cơ học Có Kém Cần chọn lọc Thấp Khá thấp Khá cao Thấp
Phân hủy vi sinh Có Rất tốt Không cần Cao Cao Thấp Thấp
Nhiệt phân Có Rất tốt Chọn lọc, làm sạch và phân loại Cao Cao Cao Cao
Tái chế Có Rất tốt Chọn và làm sạch Cao Cao Thấp Cao
20 nhiên, đốt rác thải cũng gây ra các tác động tiêu cực đến môi trường, như ô nhiễm không khí, ô nhiễm nước, ô nhiễm đất Không những vậy khi đốt rác, nhiệt lượng sinh ra thường không được tận dụng nên gây lãng phí Các khu đốt rác thải tiêu biểu như khu liên hợp xử lý chất thải Nam Sơn sử dụng công nghệ đốt rác phát điện có công suất lớn nhất, với gần 4.000 tấn rác mỗi ngày Đây cũng là một trong những khu tận dụng được nhiệt thải để phát điện, ngoài ra còn khu đốt rác thải Đa Phước Nhưng vì Việt Nam vẫn còn rất hạn chế trong việc quản lý rác thải từ nguồn, nên việc đốt rác thải gặp rất nhiều khó khăn
Thực trạng cho thấy phương pháp xử lý rác thải nylon của Việt Nam ở các khu xử lý hiện nay chủ yếu vẫn là chôn lấp, lạc hậu, còn hạn chế ứng dụng công nghệ tiên tiến vào xử lý như: Công nghệ đốt rác, nhiệt phân và quản lý nguồn rác thải nylon Vì vậy, nếu không có biện pháp ứng dụng công nghệ xử lý rác thải nylon khi diện tích chôn lấp càng ngày càng thu hẹp thì rác thải nylon không chỉ ảnh hưởng đến môi trường và động vật mà còn ảnh hưởng đến chính sức khỏe của con người.
KẾT LUẬN
Việt Nam năm 2022 có khoảng 3,27 triệu tấn/năm rác thải nylon thải ra môi trường, trong đó có khoảng hơn 30 tỷ túi nilon, 80% số túi nilon đó đều bị thải bỏ sau khi dùng một lần Không những vậy việc phân loại, thu hồi, tái chế và xử lý rác thải nylon ở Việt Nam còn rất hạn chế Lượng rác thải nylon và túi nylon ở Việt Nam, chiếm khoảng 8-12% chất thải rắn sinh hoạt Và trong số đó có chứa rác thải nylon được thải ra từ các hoạt động y tế, công nghiệp và điện tử trong đó lẫn với rác thải nguy hại (thuốc , hóa chất ) Vì vậy, nếu lượng rác thải này không được xử lý đúng cách thì không những ảnh hưởng đến môi trường sinh vật mà còn ảnh hưởng đến chính sức khỏe của con người
Trái ngược với sự tăng lên nhanh chóng của rác thải nylon thì công nghệ và hạ tầng để xử lý rác thải nylon của Việt Nam vẫn còn rất hạn chế so với thế giới Chỉ có khoảng 11-12 % số lượng rác thải nylon, túi nylon được xử lý, tái chế, số còn lại chủ yếu là chôn lấp, đốt và thải ra ngoài môi trường Trong đó chôn lấp cần dùng một lượng lớn tài nguyên đất quý giá, hơn nữa còn làm ô nhiễm môi trường
21 xung quanh và hệ thống nước ngầm Còn đốt rác thải nylon cũng sẽ thải ra khí có hại và cặn bụi, đồng thời do không thể thu hồi lượng lớn nhiệt do đốt sinh ra làm lãng phí lượng lớn năng lượng
Với đề tài nghiên cứu công nghệ, thiết kế hệ thống xử lý rác thải nylon công suất 1000 tấn/tháng, để giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường của phương pháp chôn lấp và lãng phí nhiệt lượng khi đốt rác thải nylon Thì việc sử dụng công nghệ nhiệt phân là hoàn toàn hợp lý Ngoài ra, rác thải nylon sau khi nhiệt phân sẽ tạo ra than, khí và dầu Khí sẽ được thu hồi lại để cấp nhiệt cho quá trình nhiệt phân, và dầu sau khi nhiệt phân là một sản phẩm có giá trị thương mại cao
CÔNG NGHỆ NHIỆT PHÂN XỬ LÝ RÁC THẢI NYLON
CÔNG NGHỆ NHIỆT PHÂN
2.1.1 Khái niệm và phân loại
Nhiệt phân là phản ứng phân hủy ở nhiệt độ cao trong điều kiện không có oxy, để tạo ra nhiên liệu lỏng và khí Trong quá trình nhiệt phân, nguyên liệu thô như nylon được nung nóng trong điều kiện không có oxy hoặc môi trường có lượng oxy thấp và thay vì đốt cháy, chúng sẽ phân hủy thành hỗn hợp các hydrocacbon đơn giản hơn [8] Nhiệt phân nhựa tạo ra ba sản phẩm khác nhau là khí, lỏng và rắn (bụi than) Các sản phẩm nhiệt phân có thể được sử dụng làm nhiên liệu hoặc nguyên liệu cho các vật liệu hoặc hóa chất mới
Nhiệt phân có một số ưu điểm so với các phương pháp quản lý nhựa thải thông thường khác như :
− Hầu hết nhựa phế thải trong quá trình tái chế đều bị giảm chu kỳ, nhựa được sử dụng để sản xuất các mặt hàng có chất lượng và ứng dụng thấp hơn Điều này là do nhựa có xu hướng mất đi các đặc tính như độ trong, độ bền và tính linh hoạt khi chúng được tái chế nhiều lần;
− Chi phí liên quan đến việc phân loại, rửa và trộn trước khi phế thải nhựa được tái chế về mặt cơ học hoàn toàn không tồn tại trong kỹ thuật nhiệt phân;
− Tái chế cơ học bao gồm nấu chảy và đúc lại nhựa đã qua sử dụng hoặc loại bỏ thành các sản phẩm mới Vì vậy chỉ chất thải từ các sản phẩm nhựa nhiệt dẻo mới phù hợp với kỹ thuật này, do đó phần nhựa nhiệt rắn sẽ tồn tại trong bãi rác vì chúng không thể đúc lại được Mặt khác, trong kỹ thuật nhiệt phân, cả nhựa nhiệt rắn và nhựa nhiệt dẻo đều có thể được sử dụng làm nguyên liệu Kỹ thuật nhiệt phân cũng có thể được sử dụng để xử lý chất thải của nhiều vật liệu mới, chẳng hạn như vật liệu tổng hợp, đặc biệt là trong công nghệ mới nổi là vật liệu tổng hợp polyme đang thay thế vật liệu truyền thống trong hầu hết các ứng dụng kỹ thuật;
− Tùy thuộc vào thành phần nguyên liệu, điều kiện quy trình (nhiệt độ, tốc độ gia nhiệt, khí phản ứng) và sự có mặt của chất xúc tác (nhiệt phân xúc
23 tác) hoặc không có chất xúc tác (nhiệt phân nhiệt), thành phần sản phẩm và hiệu suất có thể thay đổi
Phân loại nhiệt phân dựa trên tốc độ gia nhiệt được chia thành 3 loại chính:
− Nhiệt phân chậm: Nhiệt phân chậm là quá trình gia nhiệt chậm nguyên liệu trong điều kiện không có oxy Thay vì cháy, các chất dễ bay hơi từ vật liệu hữu cơ bay hơi một phần và sản phẩm (than) còn lại, bao gồm một phần lớn (thường là 80%) cacbon Than rắn là sản phẩm chính, thay vì nhiệt phân nhanh sản phẩm chính là lỏng Tốc độ gia nhiệt được giữ ở mức 10°C/s;
− Nhiệt phân nhanh: là quá trình phân hủy nhiệt nhanh chóng các vật liệu chứa cacbon trong điều kiện không có oxy ở tốc độ gia nhiệt từ trung bình đến cao và thời gian lưu trú ngắn (vài giây) Đây là phương pháp phổ biến nhất, cả trong nghiên cứu và sử dụng thực tế Sản phẩm chính là dầu Nhiệt phân là một quá trình thu nhiệt, tốc độ gia nhiệt được giữ ở mức 100°C/s;
− Nhiệt phân cực nhanh: hay nhiệt phân chớp nhoáng là phương pháp nhiệt phân phân hủy nhiệt cực nhanh, với tốc độ gia nhiệt cao Sản phẩm chính là khí đốt và dầu sinh học Tốc độ gia nhiệt có thể thay đổi từ 100-10.000° C/s và thời gian lưu trú ngắn
Dưới đây là bảng 2.1 phân loại các phương pháp nhiệt phân có sự khác biệt về nhiệt độ, thời gian lưu, tốc độ gia nhiệt và sản phẩm chính
Bảng 2 1 Phân loại nhiệt phân dựa trên tốc độ
Nhiệt phân chậm 400-500 5-30 phút 10 Khí, than, dầu
Nhiệt phân nhanh 400-650 0,5–2 giây 100 Dầu, khí , than Nhiệt phân cực nhanh 700-1000 < 0,5 giây >500 Khí, dầu Nhiệt phân xúc tác: trong quá trình nhiệt phân có xúc tác, chất xúc tác thích hợp được sử dụng để tạo thuận lợi cho phản ứng Cracking bằng cách hạ thấp nhiệt độ
24 phản ứng và thời gian xử lý Nhiệt phân có xúc tác rẻ hơn do đó hấp dẫn về mặt kinh tế Lợi ích của quá trình nhiệt phân xúc tác bao gồm hiệu quả về mặt chi phí, ít ô nhiễm hơn từ chất thải nhựa và ít cặn rắn hơn Phạm vi nhiệt độ cho quá trình Cracking xúc tác là từ 350°C đến 550°C Quá trình này có thể được áp dụng để tái chế nhựa nguyên chất hoặc nhựa hỗn hợp Nó mang lại dầu nhiên liệu chất lượng cao hơn so với nhiệt phân nhiệt Chất xúc tác thúc đẩy các phản ứng phân hủy ở nhiệt độ thấp với mức tiêu thụ năng lượng thấp, giảm chi phí, phản ứng crackinh nhanh hơn, tăng tính chọn lọc của quá trình và tăng hiệu suất sản phẩm có giá trị gia tăng cao
Theo cách thức vận hành, nhiệt phân có thể được phân loại thành hai loại chính: nhiệt phân gián đoạn và nhiệt phân liên tục:
Bảng 2 2 Phân loại theo cách thức vận hành Đặc điểm Nhiệt phân gián đoạn Nhiệt phân liên tục
Cách thức vận hành Theo từng giai đoạn Liên tục Ưu điểm Dễ dàng điều khiển nhiệt độ và thời gian phân hủy, dễ dàng thu thập các sản phẩm phân hủy, có thể sử dụng cho các vật liệu có khối lượng lớn
Có thể xử lý một lượng lớn vật liệu trong một thời gian ngắn, chi phí vận hành thấp hơn
Nhược điểm Thời gian vận hành dài, hiệu suất thấp
Khó điều khiển nhiệt độ và thời gian phân hủy, khó thu thập các sản phẩm phân hủy, không thể sử dụng cho các vật liệu có khối lượng lớn
2.1.1.3 Ưu và nhược điểm của phương pháp nhiệt phân
+ Cho phép tái chế chất thải nhựa hỗn tạp, loại chất thải vốn không được tái chế có hiệu quả bằng các phương pháp khác;
+ Cho phép tái chế chất dẻo chưa được làm sạch và bị nhiễm bẩn (như nhựa từ các sản phẩm phục vụ nông nghiệp: màng phủ, mảng ủ xilo, màng phủ nhà kính, các ống tưới/phun nước…);
+ Sản phẩm sau nhiệt phân là than, khí và dầu có thể tái sử dụng và có giá trị kinh tế cao;
+ Quá trình nhiệt phân không gây ô nhiễm môi trường;
+ Đóng góp vào an ninh năng lượng quốc gia
+ Cốc và Cacbon bám trên bề mặt lò nhiệt phân và thiết bị trao đổi nhiệt; + Các hạt cát bám dính vào cả sản phẩm lẫn thiết bị trong các quá trình sản xuất sử dụng công nghệ tầng sôi;
+ Kinh phí đầu tư lớn;
+ Chất lượng nhiên liệu tạo thành không như mong muốn;
+ Nồng độ lưu huỳnh tương đối cao ở sản phẩm cuối ( 100 – 700 ppm)
2.1.2 Cơ sở hóa học của phản ứng nhiệt phân nylon Đối với quá trình cracking nhiệt, cracking nhựa phế thải sẽ phá vỡ các liên kết trùng hợp chỉ bằng tác động của nhiệt Các loại phế thải dùng làm nguyên liệu bao gồm: PP, PVC, PET, chất dẻo nhiệt, giấy, phế liệu, kim loại… Tất cả mọi vật chất đều mang trong cấu trúc phân tử của nó một năng lượng nhất định và các phân tử được liên kết lại với nhau nhờ một lực đặc biệt Nếu phá vỡ được lực liên kết này, phân tử đó sẽ bị phân rã thành các phần nhỏ hơn Do đó, trong quá trình nhiệt phân, khi nhiệt năng cung cấp vượt quá năng lượng phân tách các liên kết này, phản ứng phân rã sẽ diễn ra [9]
XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG
❖ Kiểm soát ô nhiễm nước thải:
Trong toàn bộ quá trình nhiệt phân, nguồn nước bị ô nhiễm gồm hai loại là nước làm mát và nước lọc bụi:
− Nước làm mát được sử dụng để ngưng tụ dầu khí Ở đây, bình ngưng là một thiết kế cấu tạo ống vỏ trong đó dầu khí chạy bên trong trong khi nước làm mát chạy bên ngoài đường ống Vì hai chất lỏng đó không tiếp xúc với nhau nên nước làm mát có thể được tái chế mà không bị ô nhiễm;
− Nước lọc bụi khí thải: dòng khí lẫn bụi đi qua khe hình vòng cung với tốc độ dòng chảy lớn sau khi đi vào bể lọc Luồng không khí trong khe quay mạnh và hòa trộn mạnh với nước, tạo thành áp lực nước lớn ở lối ra khe tạo điều kiện tiếp xúc hoàn toàn giữa bụi và nước và cho phép bụi hòa tan vào nước Bằng cách lắng đọng bụi & tuần hoàn dòng nước trong bể chứa Do đó, lượng nước tiêu thụ là tối thiểu, ngoại trừ hao hụt do bay hơi Nước bị suy hao được bổ sung bằng thiết bị cấp nước tự động để duy trì mực nước Bùn trên bộ khử bụi phải được làm sạch thường xuyên Bằng cách lắng đọng bụi & tuần hoàn dòng nước trong bể chứa Do đó, lượng nước tiêu thụ là tối thiểu, ngoại trừ hao hụt do
38 bay hơi Nước bị suy hao được bổ sung bằng thiết bị cấp nước tự động để duy trì mực nước Bùn trong bộ khử bụi sẽ được lấy ra thường xuyên và để lắng đọng cho khô lại rồi thải ra môi trường
Bụi ở đây chủ yếu là tro bay trong quá trình xả bụi than của lò nhiệt phân Vì vậy, để tránh hiện tượng tro bay làm ô nhiễm không khí, sau khi lò nhiệt phân nguội đi thì mở cửa xả than Sau đó sẽ dùng máy hút bụi than vào cyclone Sau khi vào cyclone bụi than sẽ được đưa về thùng chứa để đóng vào bao để dùng vào các mục đích như làm phân bón, xi măng…
❖ Kiểm soát ô nhiễm khí thải:
Trong quá trình nhiệt phân, nguồn ô nhiễm khí thải đó là khí sau khi nhiệt phân và khí thải sau quá trình đốt:
− Khí sau quá trình nhiệt phân thành phần chính của khí thải do nhà máy nhiệt phân thải thải ra là hydro, CH4, C2H4, C2H6, C3H8 và các loại khí hydrocarbon không ngưng tụ nhưng rất dễ cháy khác và một lượng nhỏ
CO, CO2, H2S Những khí dễ cháy có thể thu hồi tận dụng để gia nhiệt lại cho lò nhiệt phân Tuy nhiên, do khí thải có chứa một lượng nhỏ các khí gây ô nhiễm như H2S, CO và CO2 Trong số đó, khí H2S là khí axit không màu, dễ cháy, có mùi hôi khi nồng độ thấp Nếu bị đốt trực tiếp hoặc thải vào không khí mà không qua xử lý thì nhìn chung không thể đáp ứng yêu cầu bảo vệ môi trường Do đó, những khí thải này cần phải trải qua quá trình xử lý khử lưu huỳnh và khử mùi cụ thể trước khi tái chế, sau đó mới thải ra môi trường
− Khí thải sau khi gia nhiệt cho lò nhiệt phân sẽ đi qua tháp hấp thụ nhờ quạt Khí thải đi từ dưới lên, dung dịch hấp thụ được phun từ trên xuống Dung dịch qua các vòi phun xoáy, phun vào lớp đệm để tăng diện tích tiếp xúc giữa khí và dung dịch Khí thải gặp dung dịch kiềm như NaOH hoặc Ca(OH)2 hấp thụ tạo thành các phản ứng hóa học.
CỞ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN
2.3.1 Tính năng suất của hệ thống
Hệ thống nhiệt phân rác thải nylon bao gồm hai phần chính: lò nhiệt phân và hệ thống ngưng dầu sau khi nhiệt phân
Từ lượng rác thải nylon cần nhiệt phân trong một ngày đêm sẽ tính được năng suất nhiệt phân của lò theo CT:
+ Grt – Năng suất nhiệt phân của lò [kg/h];
+ G – Lượng rác thải cần nhiệt phân [kg];
+ τ – Thời gian nhiệt phân trong một ngày [h].
2.3.2 Cân bằng vật chất cùa lò nhiệt phân
Hình 2 12 Sơ đồ khối cân bằng vật chất
Khối lượng ẩm có trong vật liệu:
Trong đó: w – độ ẩm của vật liệu, Theo [18] để đảm bảo chất lượng của sản phẩm nhiệt phân w = 10%
Dựa vào định luật bảo toàn khối lượng: tổng vật chất nạp vào lò nhiệt phân bằng tổng vật chất ra khỏi lò
+ Gnc – Lượng ẩm có trong vật liệu [kg/h];
+ Gbt – Lượng bụi than tạo ra sau nhiệt phân [kg/h];
+ Gk – Lượng khí Gas tạo ra sau nhiệt phân [kg/h];
+ Gl – Lượng lỏng tạo ra sau nhiệt phân [kg/h]
2.3.3 Cân bằng năng lượng của lò nhiệt phân
Hình 2 13 Mô hình cân bằng năng lượng trong lò nhiệt phân
Lượng nhiệt mang vào lò nhiệt phân bao gồm:
+ QC – nhiệt cần cấp cho quá trình nhiệt phân;
+ QVLMV – nhiệt lượng của do nylon mang vào lò;
+ QVLV – nhiệt vật lý do vỏ lò mang vào;
+ QBS – nhiệt bổ sung (nhiệt do phản ứng sinh ra trong quá trình nhiệt phân)
Lượng nhiệt ra khỏi lò nhiệt phân bao gồm:
+ QSP – nhiệt lượng do sản phẩm mang ra khỏi lò;
+ QMT – nhiệt lượng do tổn thất ra môi trường;
+ QVLR – nhiệt vật lý do làm mát vỏ lò
Theo định luật bảo toàn năng lượng: ∑ 𝑄 𝑣à𝑜 = ∑ 𝑄 𝑟𝑎 ta có phương trình cân bằng:
Q 𝐶 + Q VLMV + Q VLV + Q BS = Q SP +Q MT + Q 𝑉𝐿𝑅
Q 𝐶 = (Q SP − Q VLMV − Q BS ) + (Q 𝑉𝐿𝑅 − Q VLV )+Q MT
+ Q TTSP – nhiệt lượng tổn thất do sản phẩm mang đi;
+ Q 𝑇𝑇𝑉𝐿 – nhiệt tổn thất do vỏ lò
2.3.3.1 Nhiệt tổn thất do sản phẩm mang đi
Nhiệt tổn thất do sản phẩm mang đi được tính bằng:
+ 𝑄 𝑛𝑐 – lượng nhiệt cần cấp để bay hơi nước trong sản phẩm;
+ 𝑄 𝑝ư – lượng nhiệt cần cấp để phản ứng nhiệt phân xay ra hoàn toàn a Lượng nhiệt cần cấp bay hơi ẩm có trong vật liệu
Theo [27], nhiệt lượng cần cấp để bay hơi hết ẩm có trong nguyên liệu được tính theo CT:
+ Mnc – khối lượng ẩm có trong vật liệu [kg];
+ h” – enthalpy của nước ở nhiệt độ 400 o c, tra bảng có h”= 3275 [kJ/kg]; + h’ – enthalpy của nước ở nhiệt độ 25 o C, tra bảng có h’ = 104,8 [kJ/kg] b Lượng nhiệt phản ứng nhiệt phân xay ra hoàn toàn
Trong quá trình nhiệt phân nhựa, năng lượng có thể được tiêu thụ hoặc giải phóng từ các giai đoạn khác nhau của quá trình và các phản ứng Phần công việc này nhằm mục đích định lượng sự thay đổi năng lượng trong suốt quá trình nhiệt phân, do đó có thể định lượng được năng lượng đầu vào hoặc đầu ra ròng Đối với chất phản ứng và chất thu được bao gồm ba phần: thay đổi năng lượng phản ứng (∆H), thay đổi nhiệt độ của vật liệu và nhiệt bay hơi của sản phẩm
Theo [5], đặc tinh của nhựa Pe và sản phẩm dầu lỏng được trình bày trong bảng 2.5
Bảng 2 5 Đặc tinh của nhựa Pe và sản phẩm dầu lỏng Đại lượng Ký hiệu PE Dầu lỏng
Hệ số dẫn nhiệt [W/mK] λ 0,33 0,15 Độ nhớt [m²/s] 𝜇 3,97.10 -4 3,97.10 -4
Nhiệt dung riêng [J/kgK] Cp 2000 1750
Sự thay đổi năng lượng trong một phản ứng hóa học được gọi là sự thay đổi năng lượng tự do (ΔG) ΔG bao gồm hai thành phần là entanpy (ΔH), và entropy phụ thuộc nhiệt độ, TΔS ΔG = ΔH - TΔS (2.4)
+ ΔH – nhiệt phản ứng và là độ biến thiên tổng năng lượng liên kết trong một phản ứng [kJ/mol];
+ ΔS – entropy của phản ứng [J/K] ΔG có giá trị dương khi năng lượng được hấp thụ từ môi trường, gọi là phản ứng thu nhiệt Ngược lại, nó được gọi là phản ứng tỏa nhiệt Mối quan hệ giữa nhiệt lượng của phản ứng (ΔH) và năng lượng kích hoạt (Ea) được minh họa trong hình 2.14 cho cả phản ứng thu nhiệt và tỏa nhiệt
Hình 2 14 Phản ứng tỏa nhiệt và thu nhiệt
Vì ΔH chiếm phần lớn năng lượng của ΔG, nên loại phản ứng có thể được phân biệt bằng giá trị của ΔH Trong một phản ứng, nếu biết đủ năng lượng phân ly liên kết (BDE) thì có thể tính được ΔH
Trong các quá trình nhiệt phân nhựa thực tế, năng lượng lý thuyết cần thiết bao gồm nhiệt để tăng nhiệt độ nhựa, nhiệt cho các phản ứng nhiệt phân và nhiệt bay hơi của các sản phẩm hydrocarbon Để định lượng sự phân bố năng lượng trong từng bộ phận, cần phải phân tích dòng khối Nhiệt phân PE không có chất xúc tác được trình bày ở hình 2.4 trong đó áp suất là áp suất môi trường 101325 Pa, nhiệt độ nguyên liệu ban đầu (t1) là nhiệt độ trung bình năm của Hà Nội bằng 25 o C Nhiệt độ sản phẩm khi kết thúc phản ứng nhiệt phân (t2) là 400 o C Trong đề tài này, các sản phẩm thuộc dòng LPG, xăng, dầu diesel và sáp lần lượt được thể hiện bằng hydrocarbon C1~C4, C5~C12, C13~C22 và C23+ trongbảng 2.4
Theo [18] đối với quá trình nhiệt phân nhựa, tổng năng lượng cần thiết cho tất cả các chất liên quan có thể được tính theo phương trình sau:
+ Qpư – năng lượng tổng cần thiết trong quá trình nhiệt phân nhựa [kJ]; + ni – số mol của thành phần i [mol] ;
+ Hi – entapy của thành phần i [kJ/mol] Để nhiệt phân PE, sản phẩm là một chuỗi hydrocarbon thẳng liên tục có thể được chia thành bốn nhóm là LPG, xăng, dầu diesel và sáp, lần lượt là C3H6, 1-
C8H16, 1-C16H32 và 1-C28H56 Khi một phân tử PE bị nhiệt phân thành n phân tử 1- alken, sẽ có n-1 liên kết C-C bị đứt trong chuỗi dài Mỗi liên kết C-C thứ cấp bị phá vỡ và biến thành một liên kết đôi C=C Theo [18], năng lượng phân ly của liên kết C-H trên nguyên tử cacbon có liên kết đôi và đầu kia cũng bị thay đổi Quá trình này được mô tả trong phương trình hóa học dưới đây Một số năng lượng phân ly liên kết được liệt kê trong bảng 2-6
Bảng 2 6 Năng lượng phân ly liên kết của các sản phẩm của PE
Sản phẩm nhiệt phân Năng lượng phân ly liên kết [kJ/mol]
Theo [18] năng lượng cần thiết để thay đổi nhiệt độ của nhựa PE cỏ thể được tính theo các phương trình sau: ΔH(T2) – ΔH(T1) = ∫ 𝐶 𝑇1 𝑇2 𝑝 (T)dT (2.6)
+ ΔH(T1) – entanpy của sự hình thành hydrocacbon ở nhiệt độ t2;
+ ΔH(T2) – entanpy của sự hình thành hydrocacbon ở nhiệt độ t1;
+ Cp – nhiệt dung riêng của hydrocacbon ở nhiệt độ cho trước
Khi có sự thay đổi pha của hydrocacbon giữa T1 và T2 cụ thể ở đây là sự biến đổi từ pha lỏng sang pha khí, sự thay đổi pha của sản phẩm được minh họa trên hình 2.14 Trong trường hợp này, cần phải thêm một thuật ngữ năng lượng bay hơi và CT (2.6) sau đó được viết lại thành CT (2.7) Trong hình 2.14 và CT (2.7), l và g lần lượt biểu thị pha lỏng và pha khí của hydrocacbon
Hình 2 15 Sản phẩm và các giai đoạn sản phẩm thay đổi từ nhiệt phân PE ΔH(T2) - ΔH(T1) = ∫ 𝑇𝑏 𝐶 𝑝
𝑇𝑏 (g,T)dT (2.7) Trong đó: Tb – nhiệt độ sôi của hidrocacbo
Theo [18], tính chất của các hydrocacbon nghiên cứu ở đây được liệt kê trong bảng 2.8, trong đó ΔHv là nhiệt bay hơi của hydrocacbon
Bảng 2 7 Tính chất của ba 1-alkenes trong nhiệt phân PE
Dựa trên các CT (2.6) và (2.7) và sử dụng dữ liệu trong bảng 2.8, năng lượng cần thiết để làm nóng và làm bay hơi sản phẩm (ΔH), có thể được xác định bằng các CT (2.8) đến (2.11) Trong các phương trình này, T1 là nhiệt độ nguyên liệu ban đầu ở 25 o C và T2 là nhiệt độ khi kết thúc phản ứng nhiệt phân, 400 o C ΔH 𝐶3𝐻6 = ΔH(T2) - ΔH(T1) = ∫ 𝑇𝑏 𝑇2 𝐶 𝑝 (g,T)dT (2.8) ΔH 𝐶8𝐻16 = ΔH(T2)-ΔH(T1)+ΔHv = ∫ 𝑇1 𝑇𝑏 𝐶 𝑝 (l,T)dT + ∫ 𝑇𝑏 𝑇2 𝐶 𝑝 (g,T)dT +ΔHv (2.9)
45 ΔH 𝐶16𝐻32 = ΔH(T2)-ΔH(T1)+ΔHv = ∫ 𝑇1 𝑇𝑏 𝐶 𝑝 (l,T)dT+∫ 𝑇𝑏 𝑇2 𝐶 𝑝 (g,T)dT +ΔHv (2.10) ΔH 𝐶28𝐻56 = ΔH(T2) - ΔH(T1) = ∫ 𝑇𝑏 𝑇2 𝐶 𝑝 (l,T)dT (2.11)
2.3.3.2 Nhiệt tổn thất do vỏ lò
Theo [27], nhiệt tổn thất do vỏ lò nhiệt phân được tính:
+ Gvl – khối lượng của lò nhiệt phân, Gvl = Mthùng [kg];
+ Cp – nhiệt dung riêng của thép, theo [25] thép A515 Cp = 0,505 [kJ/kgK]; + ∆𝑡 – độ chênh nhiệt độ trước và sau khi nhiệt phân [K]
2.3.3.3 Nhiệt tổn thất ra ngoài môi trường
Theo [27], nhiệt tổn thất ra ngoài môi trường là nhiệt bị tổn thất qua vỏ cách nhiệt được xác đinh:
+ k – hệ số truyền nhiệt qua vỏ cách nhiệt [W/m 2 K];
+ F – diện tích kết cấu bao che [m 2 ];
+ ∆𝑡 – độ chênh nhiệt độ trong và ngoài vỏ cách nhiệt [K].
KÍCH THƯỚC LÒ NHIỆT PHÂN
2.4.1 Đường kính và chiều dài lò nhiệt phân
Theo [27], thể tích của lò nhiệt phân được xác định:
+ V – thể tích lò nhiệt phân [m 3 ];
+ G – khối lượng nguyên liệu vào lò, G=Grt [kg/h];
+ gv – khối lượng riêng của nylon chất đống, gv = 460 [kg/m 3 ];
+ b – hệ số điền đầy, theo [18] đối với lò nhiệt phân chọn b = 0,8
46 Đường kính lò quay được xác định:
2.4.2 Đường kính cửa dẫn khí Đường kính trong của cửa dẫn hơi được tính: d 3600 .w 4
+ w là vận tốc thích hợp của dòng hơi đi trong ống, theo [18] chọn w = 12 [m/s];
+ V là lưu lượng dòng hơi trong ống , V = G
+ G là lưu lượng hỗn hợp khí , [kg/h];
+ ρ là khối lượng riêng của hỗn hợp Theo [18] khối lượng riêng của khí dầu bốc lên trong thiết bị ở nhiệt độ làm việc khoảng 0,04–0,1 [kg/m 3 ].
CƠ SỞ TÍNH HỆ THỐNG CẤP NHIỆT
Lò nhiệt phân cần tập trung nhiệt để thực hiện quá trình gia nhiệt và khí đốt của lò nhiệt phân là hỗn hợp khí có nhiệt trị cao, hơn nữa mỏ đốt lồng ống có thể làm việc với khí đốt và không khí ở nhiệt độ cao Vì vậy, mỏ đốt lồng ống là lựa chọn phù hợp cho hệ thống nhiệt phân lò quay
Theo [24] khối lượng riêng của khí đốt được xác định:
𝑅.𝑇 𝑘 [kg/m 3 ] (2.17) Trong đó: 𝑝 𝑡ℎ - áp suất giới hạn của khí [N/m 2 ]
Theo [24] khi tỷ số giữa đường kính ống dẫn khí và đường kính miêng ra của ống phun khí: d1/d0 > 2 thì tốc độ dòng khí ở miệng ra mỏ khí đốt được xác định bằng CT:
+ 𝑝 𝑢 – áp suất tĩnh của khí trước mỏ đốt [N/m 2 ];
+ 𝜌 𝑘𝑘 – khối lượng riêng của không khí ở điều kiện chuẩn [kg/m 3 ] Đường kính miệng ra của đầu ống phun khí được xác định theo công thức:
𝜌 𝑘 𝜔 𝑘 𝜋 [m] (2.19) Trong đó: 𝜌 𝑘 – khối lượng riêng của khí ở miệng ra của ống phun, [kg/m 3 ] Tiết diện miệng ống phun hỗn hợp khí đốt và không khí được xác định theo công thức:
+ Fch – tiết diện của ống phun hỗn hợp;
+ Fk – tiết diện miệng ống phun khí;
+ Fkk – tiết diện miệng ống phun không khí
Theo [24], tiết diện miệng ống phun không khí phụ thuộc vào loại nhiên liệu với hỗn hợp khí có chứa khí C3H6 chọn tỷ lệ: 𝐹 𝑘𝑘
KẾ HỆ THỐNG NHIỆT PHÂN CÔNG SUẤT 1000 TẤN/THÁNG
NGUYÊN LÝ VÀ CẤU TẠO LÒ QUAY NHIỆT PHÂN
Nguyên lý: khi lò hoạt động rác thải nylon sẽ được roto chuyển động khuấy đảo đều trong thùng lò Thùng lò sẽ được gia nhiệt trực tiếp từ hệ thống cấp nhiệt và nhiệt đối lưu của khói chuyển động quanh thùng lò Sau khi rác thải nylon nhận được nhiệt từ bề mặt thùng lò một thời gian thì nhiệt phân thành khí và than Khí sẽ được dẫn qua đường ống dẫn hơi để ngưng tụ còn than sau nhiệt phân sẽ được thu gom lại
Hình 3 1 Cấu tạo của lò nhiệt phân
1.thùng lò; 2.roto chuyển động; 3.lớp vỏ cách nhiệt; 4.hệ thống cấp nhiệt;
5.đường dẫn hơi; 6.ống thoát khói.
TÍNH NĂNG SUẤT HỆ THỐNG
Hệ thống vận hành liên tục 24/24 giờ trong một ngày Thời gian cho các công việc như: bảo dưỡng, sửa chữa, vệ sinh… trong một tháng dự kiến 4 ngày Do đó thời gian làm việc của hệ thống trong một thàng là:
Năng suất hệ thống nhiệt phân 1000 tấn/ tháng:
Thay vào CT (2.1) có năng suất hệ thống là:
Vì khí sau khi nhiệt phân sẽ được thu hồi quay lại để gia nhiệt cho lò nhiệt phân khác Nên với hệ thống công suất 1602,56 [kg/h] và chu kỳ 16 h/mẻ, việc chia thành 2 lò thì kích thước lò sẽ quá lớn Vì vậy, với đề tài này sẽ được tiến hành tính toán hệ thống với 3 lò nhiệt phân Vậy năng suất của từng lò sẽ là:
Vậy một mẻ có năng suất là: Gm = 534,19.16 = 8547 [kg/mẻ]
TÍNH KÍCH THƯỚC THÙNG LÒ
Thay các thông số vào CT (2.14) có: V = 534,19 16
Các kích thước cơ bản của thiết bị nhiệt phân lò quay là đường kính D, và chiều dài L Theo [15] trong tính toán thiết kế thường chọn: 𝐿
𝐷 = 3,5-7 The [25], căn cứ vào kích thước khổ thép tấm tiêu chuẩn trên thị trường nên ta chọn tỷ lệ: 𝐿
Thay các thông số vào CT (2.15) có: 𝐷 = √ 4.23,23
Thiết kế thùng lò nhiệt phân có thân hình trụ, nằm ngang có đường kính D, chiều dài L
Thay các thông sô vào CT (2.16) có đường kính dẫn khí: d = √
TÍNH CHIỀU DÀY THÙNG LÒ
Theo [18], chiều dày thân lò được được xác định:
+ 𝛿 – là chiều dày thân lò [m];
+ P – là áp suất thiết kế [Pa];
+ S - ứng suất cho phép của vật liệu, chọn mác thép A515 tra ở nhiệt độ làm việc 400 o C được S = 103 MPa [Pa];
+ E – hệ số hữu dụng của liên kết hàn, thường lấy E = 1;
+ D – Đường kính trong của thiết bị [m];
Trong thiết kế phải bổ sung thêm C do ăn mòn và dung sai về chiều dày nên chọn C = 4 [mm]: W = 1,9 + 4 = 5,9 [mm]
Do đường kính của thiết bị khá lớn D =1,95 m và tải là một khối lượng lớn rác thải nylon và làm việc ở nhiệt độ cao nên trong thực tế người ta thường chọn chiều dày của thiết bị lớn hơn 10 mm Mà thép A515 sản xuất thực tế có thép 14mm và 16mm Vậy ta chọn chiều dày 𝛿 = 14 mm Đường kính ngoài của lò nhiệt phân: D1 = D + 2.𝛿 = 1,978 [m]
Nhiệt độ của khói trong lò nhiệt phân là: tf1 = 500 o C
Nhiệt độ môi trường là : tf3 = 25 o C
3.4.1 Kích thước và cách xếp cánh đảo
Sử dụng cánh đảo làm bằng thép A515 với các thông số:
Theo [20] thông số đặc trưng của cánh: 𝐹 𝑐
𝐷 𝑡 2 = 0,122 + Fc: diện tích bề mặt chứa vật liệu của cánh;
+ Dt: đường kính trong của thùng
Hình 3 2 Cấu trúc cánh đảo Chọn thông số cho cánh: a = 200 [mm] = 0,2 [m] b = 350 [mm] = 0,25 [m]
Số cánh trên 1 mặt cắt là 8 cánh vậy số cánh là: z = 8 𝐿
0.84 = 61 cánh Thể tích một cánh là:
Vc = c.d.a + c.d.b = (a + b).c.d = (0.2 + 0,25).1,031.0,014 = 6,5.10 -3 [m 3 ] Khối lượng một cánh: m1c = ρ.V = 7900.6,5.10 -3 = 51,35 [kg]
Tổng khối lượng các cánh: mc = m1c.z = 51,35.75 = 3851,25 [kg]
3.4.2 Kiểm tra chiều dày thùng lò
Vật liệu chế tạo thùng là thép A515, có các tính chất như sau
Bảng 3 1 Tính chất của vật liệu chế tạo thùng
STT Thông số Kí hiệu Đơn vị Giá trị
1 Ứng suất tiêu chuẩn [*] N/mm 2 220
2 Giới hạn an toàn đơn vị 1
3 Hệ số bền mối hàn h đơn vị 0,95
4 Ứng suất cho phép [𝜎] = 𝜂 [𝜎 ∗ ] N/mm 2 209
Lò nhiệt phân có dạng nằm ngang, chế tạo bằng phương pháp hàn, lò làm việc ở áp suất khí quyển
Hệ số hiệu chỉnh η: chọn η = 0,95 Ứng suất cho phép
9,81.10 4 10 −6 0,95 = 2130 > 25 do đó chiều dày tối thiểu thùng được xác định theo công thức:
Hệ số bổ sung kích thước
Bảng 3 2 Các hệ số bổ sung kích thước cho chiều dày lò
STT Hệ số bổ sung kích thước Kí hiệu Giá trị
1 Hệ số bồ sung do ăn mòn hóa học
Ca 4 Đối với vật liệu bến trong môi trường nhiệt độ cao nên có độ ăn mòn khá lớn
2 Hệ số bổ sung do bào mòn cơ học
Cb 1 Do nguyên liệu là các hạt rắn chuyển động, va đập trong thiết bị Giá trị Cb chọn theo thực nghiệm
3 Hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo
Cc 0,8 Phụ thuộc vào chiều dày của tấm thép Với thùng bằng thép A515, dày 10 mm thì C3 = 0,8 mm
4 Hệ số quy tròn kích thước Co 5,75
Chiều dày thực của vỏ lò nhiệt phân:
Vậy giả thiết thùng dày 14 mm là chấp nhận được Áp suất lớn nhất cho phép trong thành thiết bị:
TÍNH CHIỀU DÀY LỚP ÁO CÁCH NHIỆT
3.5.1 Tính hệ số tỏa nhiệt đối lưu của khói
Theo [19] hệ số tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên giữa khói với bề mặt trong của lớp cách nhiệt (α1): α 1 = 𝑁𝑢 𝜆
+ 𝜆 – hệ số dẫn nhiệt [W/mK];
+ 𝛿 – chiều dày của kênh dẫn khói, 𝛿 = 0,2 [m]
Hình 3 3 Sự trao đổi nhiệt trong kênh dẫn khói
Nhiệt độ xác định: tf = tf1 = 500 o C.
+ 𝑡 𝑤1 – nhiệt độ bề mặt phía lớp vỏ lò [ o C];
+ 𝑡 𝑤2 – nhiệt độ bề mặt phía trong lớp cách nhiệt [ o C];
Tra tính chất nhiệt vật lý của khói ở 500 o C có:
500+273.(500-50) = 7,84.10 6 f(Gr.Pr) = 4,94.10 6 → Nu = 0,4.(Gr.Pr) 0,2 = 8,73
3.5.2 Tính chiều dày cách nhiệt
Hệ số tỏa nhiệt giữa bề mặt ngoài của lớp cách nhiệt với môi trường (α2) được tính bằng; α 2 = 𝑁𝑢 𝜆
+ α2 – hệ số tỏa nhiệt giữa bề mặt ngoài của lớp cách nhiệt với môi trường [W/m 2 K];
+ 𝛿 – đường kính ngoài của lớp cách nhiệt, 𝛿 = 3 [m]
Nhiệt độ xác định: tf = 𝑡 𝑤3 +𝑡 𝑓3
Tra tính chất nhiệt vật lý của không khí ở 35 o C có:
35+273.(45-25) = 2,11.10 10 f(Gr.Pr) = 1,48.10 10 → Tra bảng có: C = 0,135; n = 1
Thay các thông số trên vào CT (3.3) có: α 2 = 331,45.2,73.10 −2
Hình 3 4 Biểu đồ thể hiện sự truyền nhiệt ra bên ngoài môi trường Mật độ dòng nhiệt truyền sẽ thỏa mãn các đẳng thức: q1 = q2 = q3
Trong đó: 𝑡 𝑤3 – nhiệt độ bề mặt phía ngoài lớp cách nhiệt [ o C]
Khi mật độ dòng nhiệt thỏa mãn các đẳng thức trên đây thì nó cũng thỏa mãn phương trình truyền nhiệt: q = k.(tf2 – tf3) (3.5)
Trong đó: k – hệ số truyền nhiệt [W/m 2 K]
Ta chọn nhiệt độ bề mặt ngoài của thùng là tw2 = 45 o C, đây là nhiệt độ thích hợp để nhiệt từ khói sau khi truyền nhiệt qua lớp cách nhiệt đến phía ngoài thành ngoài của thùng thì không còn nóng Lớp cách nhiệt ta sẽ chọn là bông thủy tinh Theo [19] ta có bảng 3.1 thông số vật liệu của lớp cách nhiệt
Bảng 3 3 Thông số vật liệu 3 lớp của vỏ cách nhiệt
Lớp Độ dày δ[m] Hệ số dẫn nhiệt λ[W/m.K]
1 Vỏ cách nhiệt (bê tông chịu lửa) 0,056 2
2 Cách nhiệt (bông thủy tinh) δcn 0,055
− Mật độ dòng nhiệt là: q3 = α 2 (t w3 − t f3 ) = 3,02.(45– 25) = 60,4 [W/m 2 ]
− Nhiệt độ bên trong lớp cách nhiệt là: tw2 = tf2 - 𝑞
− Hệ số truyền nhiệt là: k = 𝑞 t f2 −t f3 = 60,4
→ δ cn = 0,242 [m] Đường kính của vỏ cách nhiệt:
D2 = D1 + 2(δk+δcn+δ1+δ2) = 1,95+2(0,2+0,242+0,002 +0,056) = 2,978 [m] Với δk là độ rộng kênh dẫn khói
TÍNH CHỌN CƠ CẤU CHUYỂN ĐỘNG
3.6.1 Kích thước lò nhiệt phân
Từ tính toán trên có:
+ Kích thước đường kính của lò nhiệt phân: D1 = 1,95 [m];
+ Kích thước đường kính của lớp cách nhiệt: D2 = 2,978 [m];
+ Chiều dài lò nhiệt phân: L = 7,8 [m]
Theo [25], thép chế tạo lò là thép chịu nhiệt A515 co khối lượng riêng ρthép 7900 kg/cm 3
Thể tích lớp vỏ lò nhiệt phân:
4 ).7,8 = 0,674 [m 3 ] Khối lượng của lớp vỏ lò:
Mvỏ thùng = Vvỏ thùng.ρthép = 0,674.7900 = 5324,6 [kg]
Theo [21] công suất cần để quay thùng:
+ n: Số vòng quay của thùng, theo [21] chọn n = 3,75 [vòng/phút];
+ a: Hệ số phụ thuộc vào dạng cánh, a = 0,071
+ ρ: Khối lượng riêng của vật liệu, theo [21] chọn ρ = 750 [kg/m 3 ];
+ Dt, Lt: Đường kính và chiều dài thùng, [m]
Ta sẽ chọn động cơ Diesel Huyndai với mã D4BB-G4 (AG41) với công suất tối đa 20 kW, tốc độ quay 1500 vòng/phút
3.6.3 Chọn tỉ số chuyển động
Tỉ số truyền động chung của hệ thống: ic = 𝑛 𝑐đ
Do tỉ số truyền động quá lớn nên phải sử dụng hệ thống truyền giảm tốc cho thùng Sử dụng bộ phận giảm tốc trục vít – bánh răng Hệ thống truyền động như sau: trục động cơ nối thẳng với trục vít, trục vít này truyền động qua bánh vít, từ bánh vít qua bánh răng nhỏ của hộp giảm tốc, rồi qua bánh răng lớn, sau đó ra khỏi hộp giảm tốc, truyền qua tang dẫn động và đến thùng qua bánh răng lớn gắn vào lò
Chọn hệ số chuyển động: i12 = 4, i23 = 6 i01 = 𝑖 𝑐
4.6 = 16,67 Công suất cần để quay lò:
Hình 3 5 Sơ đồ hệ thống tryền động cho lò
Trong đó, theo [22] chọn hiệu suất các chuyển động:
+ Bộ truyền bánh răng trụ hở: ηbr = 0,93
+ Hiệu suất của bộ truyền bánh răng trụ kín: ηbr’ = 0,96
Hiệu suất bộ truyền trục vít: ηtv = 𝜂 đ𝑐
0,93.0,96 = 0,896 Chi tiết chuyển động trong bảng 3.4
Bảng 3 4 Sơ đồ truyền động
Thông số Động cơ Trục I Trục II Trục III
Vận tốc quay n [vòng/ph] 1500 90 22,5 3,75
3.6.4 Tính bộ truyền bánh răng
Bộ truyền bánh răng chuyển động từ động cơ dẫn đến bánh răng lớn gắn vào lò Đây là cơ chế chuyển động giữa hai trục song song nên ta sử dụng bộ truyền động bánh răng trụ thẳng, truyền động hở, bánh răng ăn khớp ngoài Chọn nhóm bánh răng có độ rắn HB < 350, được cắt gọt chính xác sau nhiệt luyện Bánh răng có khả năng chịu mòn tốt Để tránh dính bề mặt làm việc của bánh răng, lấy độ rắn của bang răng nhỏ nhỏ hơn bánh răng lớn 30 – 50 HB
+ Vật liệu: thép C35 thường hóa;
+ Giới hạn bền kéo: σbk = 480 [N/mm 2 ];
+ Giới hạn chảy: σch = 240 [N/mm 2 ]
+ Vật liệu: thép C45 thường hóa;
+ Giới hạn bền kéo: σbk = 580 [N/mm 2 ];
+ Giới hạn chảy: σch = 290 [N/mm 2 ]
Xác định ứng suất uốn cho phép đối với răng làm việc một mặt:
Thép C45: 𝜎 −1 = 0,45.580 = 261 [N/mm 2 ] Thép C35: 𝜎 −1 = 0,45.480 = 216 [N/mm 2 ] + n: hệ số an toàn, đối với bánh răng thường thép rèn hóa, chọn n = 1,5; + 𝑘 𝜎 : hệ số tập trung ứng suất ở chân bánh răng, chọn 𝑘 𝜎 = 1,8 Ứng suất uốn cho phép:
1,5.1,8 = 120 [N/mm 2 ] Chọn hệ số tải trọng: K = 1,3 do sử dụng vật liệu có khả năng chạy mòn, vận tốc thấp Đối với bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng,trục và ổ tương đối cứng (HB
+ b: chiều rộng bánh răng [mm]
Chọn số bánh răng của bánh răng nhỏ (bánh răng dẫn động) Z1 = 25 [răng]
− chọn hệ số dạng rang: y1 = 0,353; y2 = 0,517
− Modun của bánh răng tính theo CT: m = √ 19.10 6 𝐾.𝑁
− Chọn modun tiêu chuẩn theo bảng 3.18 trong [22]: m = 12 [mm]
Trong đó: Khoảng cách trục A = 𝑚
− Số răng bánh dẫn nhỏ:
− Số bánh răng bị dẫn (lớn): Z2 = i.Z1 = 6.28 = 168 [răng]
− Chiều rộng bánh răng dẫn nhỏ: b = 𝜓m.m = 20.12 = 240 [mm]
− Chiều rộng bánh bị răng dẫn lớn: b’ = 240 – 12 = 228 [mm]
− Kiểm tra sức bền uốn bánh răng:
− Ứng suất uốn tại chân bánh răng nhỏ:
− Ứng suất uốn tại chân bánh răng lớn
6 1,3.16 0,517.12 2 168.3,75.228 = 36,96 < 120 [N/mm 2 ] Vậy bánh răng thỏa mãn điều kiện bền uốn của răng
Bảng 3 5 Kết quả thông số của bánh răng
STT Thông số Kí hiệu
CTtính Bánh răng dẫn nhỏ
3 Đường kính vòng lăn dl [mm] 𝑑 𝑙 = 𝑚 × 𝑍 336 2016
5 Chiều rộng bánh răng b [mm] 240 228
6 Đường kính vòng đỉnh răng
7 Đường kính vòng chân răng
8 Chiều cao đầu răng hd [mm] ℎ 𝑑 = 𝑚 12
Khối lượng bánh răng lớn: bánh răng làm bằng thép A515, ρ = 7900 kg/m 3 mbáng răng = 𝜌 𝑉 = 𝜌 𝜋
3.6.5 Tính toán đai chịu lực
Tổng khối lượng của lò khi không có nylon: mt = mthùng + mcánh + mbáng răng
Vành đai là chi tiết dùng để truyền lực tải trong thùng lăn sang các con lăn đỡ thùng Do sự giãn nở nhiệt rất ít tại bề mặt thùng nên ta sẽ sử dụng vành đai lắp chặt vào thùng lăn quanh đường tròn nhờ đinh tán và bu lông Ta sẽ chọn 2 vành đai cho chiều dài thùng quay là 7,8 [m]
Khoảng cách giữa 2 vành đai: 𝜕 = 5 [m]
Bề rộng vành đai: B = 150 [mm]
2,16 = 69,4 [mm] Ta lấy tròn h = 70 [mm] Gân để lắp vành đai được cấu tạo bằng các giá đỡ cho chiều dày 20 [mm] Đường kính trong của vành đai: dvđt = 1978 + 20.2 = 2018 [mm] Đường kính ngoài của vành đai là:
4 ) 0,15 = 0,034 m 3 Vành đai được làm từ thép A515 với khối lượng riêng ρ = 7900 kg/m 3 , bỏ qua khối lượng các gân
Khối lượng của 2 vành đai là: mvđ = 2.ρ vđ V vđ = 2.7900.0,034 = 537,2 kg
3.6.6 Tính toán bộ chuyển động
Khi được đưa vào vận hành thì trong thùng sẽ có cả nguyên liệu nên khi tính khối lượng lò quay để thiết kế con lăn ta sẽ phải tính trong trường hợp có tải là rác thải nylon
Tổng khối lượng thùng sấy tác dụng lên con lăn: m = m 𝑡 + m vđ + m nylon = 18630,35 [kg]
Tải trọng của thùng sấy tác dụng lên con lăn:
Chọn góc giữa 2 con lăn đỡ là φ = 60 o
Hình 3 6 Lực tác dụng lên con lăn
Phản lực của mỗi con lăn đỡ trên vành đai:
Phản lực T gồm 2 thành phần: lực đẩy con trượt và lực ép gối đỡ
Lực đẩy con lăn trượt theo phương ngang:
S = T.sin𝜑 = 105518,7.sin30 o = 52759,35 N Lực ép gối đỡ con lăn lên bệ:
Bề rộng con lăn đỡ:
Bc = B + (3÷5) = 10 + (3÷5) = 13÷15 cm, chọn Bc = 15cm Đường kính con lăn bằng thép: dc ≥ 𝑇
Ta chọn đường kính con lăn đỡ dc = 150 mm.
TÍNH CĂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
Khối lượng ẩm có trong vật liệu là: Gnc = Grt.w = 534,19.0,1 = 53,42 [kg/h]
Từ bảng 2.3, hiệu suất tối đa của sản phẩm lỏng được tạo ra ở 400 o C là nhiệt độ tối ưu, nên có tỷ lệ thành phần sản phẩm sau nhiệt phân là: Đầu vào:
+ Khối lượng rác thải nylon: Grt = 534,19 [kg/h] Đầu ra:
+ Khối lượng bụi than sau nhiệt phân:
+ Khối lượng lỏng sau nhiệt phân:
+ Khối lượng khí sau nhiệt phân:
+ Khối lượng ẩm có trong vật liệu: Gnc = 53,42 [kg/h]
3.7.2 Cân bằng năng lượng a Nhiệt tổn thất do sản phẩm mang đi
Thay các thông số vào CT (2.3) có nhiệt lượng cần cấp để bay hơi hết ẩm có trong nguyên liệu là:
Sử dụng năng lượng phân ly liên kết cho trong bảng 2.6, entanpy phản ứng (ΔHr) sau đó có thể được tính bằng CT 2.4 Việc tính toán năng lượng phân ly liên kết (BDE) cần thiết để hình thành 1-C3H6 trong quá trình nhiệt phân PE được trình bày dưới đây và kết quả được đưa ra trong bảng 3.6 Cách tính BDE cho sự hình thành 1-alken cũng tương tự như trên vì mạch giữa không thay đổi trong quá trình phản ứng và kết quả cũng được trình bày ở bảng 3.6
Bảng 3 6 Tính toán sự thay đổi năng lượng của phản ứng
Liên kết sản phẩm hình thành
Liên kết phản ứng bị phá vỡ
Từ kết quả bảng 3.6 ta có sự thay đổi entapy trong các phản ứng ở điều kiện nhiệt độ đã chọn là sự chênh lệch năng lượng hình thành và phá vỡ liên kết hóa học:
Vì QBS < 0 vậy phản ứng nhiệt phân PE không xúc tác trong lò quay ở nhiệt độ
400 o C là phản ứng thu nhiệt
Dựa trên sản phẩm nhiệt phân được mô tả trong hình 2.4 và CT (2.8) đến (2.11), năng lượng cần thiết cho từng quá trình riêng lẻ và tổng năng lượng cần thiết cho nhiệt phân 1kg PE đã được xác định và kết quả được tính toán trong Bảng 3.7 Bảng 3 7 Năng lượng cần thiết cho nhiệt phân 1kg PE
QBS [kJ/mol] 23 23 23 23 169,18 ΔH [kJ/mol] 24,12 72,32 163,34 304,12 697,98 ΔHv [kJ/mol] - 33,76 50,42 - 180,46
Vậy tổng năng lượng để nhiệt phân 1kg PE với sản phẩm tỷ lệ như trên cần: q = 1047,62 kJ/kg Nhiệt cần cấp cho lò nhiệt phân để nhiệt phân ra sản phẩm yêu cầu cần:
Qpư = Gsp.q = 480,77,16.1047,62 = 8058628,28 [kJ] = 2238,5 [kW] Vậy: Q TTSP = 𝑄 𝑛𝑐 + 𝑄 𝑝ư = 2238,5 + 752,68 = 2991,18 [kW] b Nhiệt tổn thất do vỏ lò
Tổng khối lượng của lò nhiệt phân là:
Thay các các thông số vào CT (2.12) có nhiệt lượng tổn thất do vỏ lò nhiệt phân bằng:
𝑄 𝑇𝑇𝑇𝐵 = 10083,35.0,505 (400 − 25) = 1909534 [𝑘𝐽] = 530,43 [𝑘𝑊] c Nhiệt tổn thất ra ngoài môi trường
Diện tích xung quanh của kết cấu bao che bằng:
+ r – bán kính trong của vỏ cách nhiệt, r = 𝐷 2
Thay các thông số vào CT (2.13) nhiệt tổn thất ra ngoài môi trường bằng:
Vậy nhiệt lượng cần cấp cho lò nhiệt phân bằng:
TÍNH THIẾT KẾ, TÍNH CHỌN HỆ THỐNG PHỤ TRỢ
THIẾT KẾ HỆ THỐNG NGƯNG TỤ DẦU
Bình ngưng có nhiệm vụ ngưng tụ hỗn hợp khí từ quá trình nhiệt phân thành dầu Nguyên lý làm việc được thể hiện trên hình 4.1
Hình 4 1 Bình ngưng ống vỏ Với quá trình nhiệt, hỗn hợp khí vào bình ngưng ở trạng thái hơi quá nhiệt Vì mục đích là thu hồi dầu còn khí không ngưng sẽ được thu hồi để đốt gia nhiệt cho lò Nên sẽ không cần làm lạnh khí không ngưng về nhiệt độ bão hòa Vậy tổng nhiệt lượng hỗn hợp khí tỏa ra để ngưng tụ từ nhiệt độ t’h = 400 o C đến t”h = 250 o C là:
Qk= Qh = ∑G i Δ𝐻 𝑣 + ∑G i C p i ∆t[kW] (4.1) Phần nhiệt lượng của hỗn hợp hơi Qh được tính:
+ Theo [18], nhiệt dung riêng của khí Cp khí = 2,02 [kJ/kgK] Nhiệt dung riêng của dầu lỏng Cp dầu lỏng = 2,9 [kJ/kgK];
+ Gi – lưu lượng thành phần [kg/s];
+ ΔHv – nhiệt ẩn hóa hơi của dầu: ΔHv = 180,46 [kJ/kg]
Vậy công suất thiết bị tính theo CT (4.1) là:
3600 2,02).(400 - 250) = 71,95 [kW] Theo [25], chọn ống trao đổi nhiệt là loại ống thép DN32 với đường kính trong và ngoài lần lượt là d1 = 32 [mm], d2 = 38,4 [mm]
Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của bình ngưng được tính theo CT truyền nhiệt:
+ ∆𝑡 – hiệu nhiệt độ trung bình logarit [K];
+ 𝐹 – diện tích trao đổi nhiệt của bình ngưng [m 2 ]
Hệ số truyền nhiệt được tính theo CT: k = 1 1
+ 𝛼 1 – hệ số tỏa nhiệt phía nước, đối với nước đi cùng chiều với hơi dầu chọn 𝛼 1 = 500 [W/m 2 K];
+ 𝛼 2 – hệ số tỏa nhiệt phía hơi dầu, theo [28] đối với hơi dầu ngưng tụ chọn 𝛼 2 = 46 [W/m 2 K];
+ 𝜆 𝑐𝑛 – hệ số dẫn nhiệt, theo [25] với thép 304 có 𝜆 𝑐𝑛 = 16 [W/mK]
Hiệu nhiệt độ trung bình logarit được tính:
+ 𝑡 𝐻2𝑂 ′ - nhiệt độ nước vào bình ngưng tụ [ o C];
+ 𝑡 𝐻2𝑂 ′′ - nhiệt độ nước ra khỏi bình ngưng tụ [ o C];
+ t’h – nhiệt độ khí không ngưng vào bình ngưng tụ, t’h = 400 [ o C];
+ t’’h – nhiệt độ khí không ngưng ra bình ngưng tụ, t’’h = 250 [ o C]
Do hệ thống nhiệt phân được đặt tại Hà Nội như đã nêu, ta có thông số về độ ẩm tương đối và nhiệt độ khô của khu vực Hà Nội vào mùa hè là: φ = 81 % và t = 33,1 o C → tư = 30,18 o C
Chọn thiết bị giải nhiệt cho nước bình ngưng là hệ thống tháp giải nhiệt
Theo [23], nhiệt độ vào bình ngưng đối với tháp giải nhiệt (ra khỏi tháp):
𝑡 𝐻2𝑂 ′ = tư + 5 = 30,18 + 5 = 35,18 o C Theo [23], Nhiệt độ nước ra khỏi bình ngưng đối với tháp giải nhiệt (vào tháp):
− Đối với thiết bị ngưng tụ ống vỏ và môi chất đi trong ống có nhiệt độ cao nên chọn ∆tw = 15 o C
→ 𝑡 𝐻2𝑂 ′′ = 35,18 + 15 = 50,18 o C Thay các thông số vừa tính được vào (4.3) có: ∆𝑡 = 274 [K]
Bình ngưng tụ giải nhiệt bằng nước, lưu lượng nước làm mát bình được xác định như sau:
+ CpH2O – nhiệt dung riêng của nước, CpH2O = 4,18 [kJ/kgK];
+ 𝜌 – khối lượng riêng của nước, 𝜌 = 997 [kg/m 3 ]
Hình 4 2 Sơ đồ bố trí ống trong bình ngưng
Khí dầu chứa nhiều tạp chất nên thiết bị ngưng tụ cần làm sạch định kỳ thường xuyên, nên cách bố trí ống theo sơ đồ hình vuông là phương pháp dễ dàng trong việc vệ sinh, được thể hiện trong hình 4.2
− Số ống trong một hành trình được tính theo phương trình:
+ 𝐺 𝑖 – lưu lượng môi chất đi trong ống, 𝐺 𝑖 = 0,146 [kg/s];
+ 𝜌 𝑖 – khối lượng riêng của môi chất, 𝜌 𝑖 = 3,94 [kg/m 3 ];
+ 𝜔 𝑖 – tốc độ của môi chất trong ống, 𝜔 𝑖 = 2 [m/s]
Chọn chiều dài thiết kế ống l = 1,5 [m], khi đó tổng số ống được tính theo CT:
Vậy tổng số ống bằng: 𝑛 = 6,29
𝜋.0,0352.1,5 = 38 [ống] Đường kính trong của bình: D = 1,3.s.√ 𝑛
+ 𝛽 – hệ số điền đầy ống trên mặt sàn, 𝛽 = 0,7
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẤP NHIỆT
Tổng nhiệt lượng cần cấp cho quá trình nhiệt phân là:
+ mgas – khối lượng khí C3H6 [kg];
+ qgas – theo [13] nhiệt lượng sinh ra khi đốt 1kg C3H6 là 46000 [kJ/kg], nhưng khí sử dụng trong hệ thống lẫn khoảng 24% các tạp chất khác nên qgas = 35000 [kJ/kg]
+ 𝜂 – hiệu suất buồng đốt, theo [24] chọn 𝜂 = 0,7
Vậy lưu lượng khí cần cấp để đốt là:
Vậy lưu lượng khí cần cấp so với lượng khí sản phẩm sau nhiệt phân là:
Tổng hợp các thông số cơ bản của khí C3H6 :
+ Lưu lượng khí đốt; Ggas = 57,52 [kg/h] = 0,016 [kg/s];
+ Khối lượng riêng của khí: 𝜌 𝑘 = 1,74 kg/m 3 ;
+ Nhiệt độ của khí: tk = 301 [ o C];
+ Số mũ đoạn nhiệt của khí: k = 𝑐 𝑝
+ Áp suất tĩnh của khí trước mỏ đốt: CT= 4071 [N/m 2 ];
+ Áp suất của môi trường lò: pmt = 98 [kN/m 2 ]
Thay các thông số vào CT (2.18) có:
Thay vào CT (2.20) có: Fch = 8Fk
Vậy tiết diện miệng ống phun hỗn hợp là: 𝜋.𝑑 𝑐ℎ
4 → dch = 43 [mm] Với đường kính miệng phun dch = 43 [mm] ta chọn đầu đốt RGT60 của Guangdong với công suất Qdp = 600 kW
Hình 4 3 Mỏ đốt RGT60 của Guandong
Số đầu phun để cấp nhiệt cho lò là: n = 𝑄
600 = 5,87 [mỏ đốt] → Lò nhiệt phân được bố trí 6 mỏ đốt phân bố đều theo chiều dài lò.
TÍNH CHỌN THÁP GIẢI NHIỆT
Hình 4 4 Cấu tạo tháp giải nhiệt
Nhiệm vụ tháp giải nhiệt: Thải toàn bộ lượng nhiệt do hơi dầu ngưng tụ tỏa ra Lượng nhiệt này được thải ra môi trường nhờ chất tải nhiệt trung gian là nước Nước vào bình ngưng tụ có nhiệt độ tw1, nhận nhiệt ngưng tụ tăng lên khoảng 10÷15℃, ra khỏi bình ngưng có nhiệt độ tw2 Nước nóng tw2 được đưa sang tháp giải nhiệt và phun thành các giọt nhỏ Nước nóng chảy theo khối đệm xuống, trao
71 đổi nhiệt và chất với không khí đi ngược dòng từ dưới lên trên nhờ quạt gió cưỡng bức Quá trình trao đổi nhiệt và chất chủ yếu là quá trình bay hơi một phần nước vào không khí Nhiệt độ nước giảm đi 10÷15℃ xuống nhiệt độ ban đầu tw1 Nhiệt thải của bình ngưng tụ là: Qk = Qh = 74,95 kW
Theo [23] tính chuyển đổi sang tấn lạnh:
Theo [23] chọn được tháp giải nhiệt FRK 20 với các thông số kỹ thuật chính như sau:
Bảng 4 1 Thông số tháp giải nhiệt FRK20
Chiều cao tháp [mm] 1845 Đường kính tháp [mm] 1170
Kích thước đường ống nước vào [mm] 50
Kích thước đường ống nước ra [mm] 50
Lưu lượng quạt gió [m 3 /ph] 170 Đường kính quạt [mm] 760
Khối lượng ướt [kg] 185 Độ ồn [dBA] 54
TÍNH CHỌN HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÓI THẢI
Quá trình cháy của khí C3H6 trong buồng đốt sẽ sinh ra các khí thải gây ô nhiễm môi trường mà phần thành chính là bụi, axit Để khí thải tại ống khói đáp ứng Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải lò đốt thải sinh hoạt QCVN 61- MT:2016/BTNMT, hệ thống xử lý khói thải được áp dụng theo sơ đồ như sau:
Hệ thống xử lý khí thải bao gồm:
+ Hệ thống khử NOx bằng phương pháp SNCR (SeleCTive Non Catalytic ReduCTion) – Phương pháp khử chọn lọc không xúc tác; + Hệ thống khử axit bằng phản ứng bán khô (sữa vôi dạng huyền phù và phản ứng khô bởi vôi bột);
+ Hệ thống khử bụi bằng lọc túi vải
Hình 4 5 Sơ đò tổng quan hệ thống xử lý khói thải Theo [18] có thành phần 1kg khí sau nhiệt phân: CO = 4,6% ; CO2 = 2,2 % ; N2
Tuy nhiên khí sau khi nhiệt phân vẫn còn hơi chưa ngưng tụ, vì vậy thành phần thực tế sau khi nhiệt phân của khí bao gồm:
Bảng 4 2 Thành phần khí thực tế sau khi nhiệt phân
Với mỏ đốt lồng ống thường chọn hệ số không khí thừa 𝛼 = 1,1
Phương trình phản ứng diễn ra khi cháy khí là:
2 O2 → 3CO2 + 3 H2O Lượng khí O2 cần cấp cho phản ứng cháy:
Lượng khống khí cần cấp:
Lượng khí CO2 có trong sản phẩm cháy là:
VCO2 = VCO2(spc) + VCO2(bđ) = 3,32% + 3.44,78% + 1,58% = 1,39 [m 3 /kgmol] Lượng H2O có trong sản phảm cháy là:
VH2O = VH2O(spc) + VH2O(bđ) = 15,62% +28% = 0,44 [m 3 /kgmol]
Lượng sản phẩm cháy ở điều kiện chuẩn:
Vspc = VCO2 + VH2O + VN2 = 1,9 [m 3 /kgmol]
Lượng NOx trong sản phẩm cháy được tính theo CT:
+ B – lượng nhiên liệu tiêu thụ, B = 320,4 [kg/h];
+ 𝑄 𝑙𝑣 – nhiệt năng của nhiên liệu tính theo CTMendeleev, 𝑄 𝑙𝑣 = 8900 [kCal/kg]
Lưu lượng khói sản phẩm cháy ở điều kiênh thức tế:
Tải lượng CO2 với 𝜌 𝐶𝑂2 =1,25 kg/m 3 :
Tải lượng NOx với 𝜌 𝑁𝑂𝑥 =2,054 kg/m 3 :
Nồng độ phát sinh khí CO2:
𝐿 𝑇 = 2416,09 [g/m 3 ] Nồng độ phát sinh khí NOx:
𝐿 𝑇 = 7,2 [g/m 3 ] Ngoài ra vì hệ thống nhiệt phân rác thải nylon lên sản phẩm khí sau khi đốt sẽ sinh ra mùi khó chịu Vì vậy, sử dụng tháp hấp thụ để xử lí khói là hoàn toàn hợp lý
TÍNH CHỌN BÌNH PHÂN LY VÀ BÌNH CHỨA DẦU
Dùng để gom dầu từ bình ngưng để giảm tổn thất và giảm nguy cơ khi xả dầu từ áp suất cao Bình chứa dầu có dạng hình trụ đặt ngang, có đường nối với đường dầu của các thiết bị được trang bị áp kế
Hình 4 7 Cấu tạo bình chứa dầu
Với năng suất tạo ra dầu là 370,53 [kg/h] chọn bình chứa dầu CLW9620CS với thông số được thể hiện trong bảng 4.2
Bảng 4 3 Thông số kỹ thuật bình chứa dầu
Kích thước, mm Thể tích Khối lượng
Bình tách dầu lắp vào sau bình ngưng để tách dầu đã ngưng ra khỏi khí trước khi được chuyển về bể dầu
Xác định bình tách dầu dựa vào đường kính của hút cửa đẩy của máy nén ta có CTxác định:
+ 𝑚 – lưu lượng khối lượng hơi vào bình, m = 0,146 [kg/s];
+ 𝜗 – thể tích riêng của hơi vào bình, 𝜗 = 0,254 [m 3 /kg];
+ 𝜔 – tốc độ hơi môi chất vào bình, 𝜔 = 5 [m/s]
Theo [23] chọn được bình phân ly đầu model 8-OMM
Hình 4 8 Cấu tạo bình điều áp
TÍNH CHỌN HỆ THỐNG XYCLON THU HỒI BỤI THAN
Để xử lý bụi người ta sử dụng nhiều thiết bị xử lý khác nhau và tùy thuộc vào nguyên lý hoạt động thu giữ bụi, hệ thống xử lý bụi được chia theo cách thức như sau: sử dụng lực quán tính, lực hấp dẫn làm cho bụi tách khỏi dòng không khí lắng đọng lại, nhóm sử dụng thiết bị lọc giữ lại bụi khi dòng không khí đi qua lớp vật
76 liệu lọc, nhóm sử dụng thiết bị thu giữ lại bụi được tích điện khi dòng không khí qua điện trường cao thế, nhóm thiết bị thu giữ bụi dưới dạng ướt
Hình 4 9 Cấu tạo của xyclon
Xyclon là thiết bị được đặt phía sau quá trình nylon đã được nhiệt phân qua lò nhiệt phân sẽ được chuyển tiếp tại đây Tại đây, bụi than được hút vào cyclon và được đưa vào bể chứa để đóng gói
Xyclon hoạt động theo nguyên lý li tâm Cấu tạo của Xyclon được cho trên hình 4.9
+ D1 – đường kính ống trung tâm, [m];
+ d – đường kính phần bé nhất của phễu, [m];
+ h1 – chiều dài phần ống trung tâm cắm vào cyclon, [m];
+ h 2 – chiều cao phần hình trụ của cyclon, [m];
+ b – chiều dài tiết diện kênh dẫn vào cyclon, [m]
Theo [27] dựa vào lưu lượng bụi than ra khỏi lò là Gbt = 24,1 [kg/h] ta chọn được Xyclon với các kích thước được cho trên bảng 4.3
THIẾT KẾ BỐ TRÍ HỆ THỐNG NHIỆT PHÂN
4.7.1 Bố trí mặt bằng hệ thống nhiệt phân
Hình 4 10 Bố trí mặt bằng nhà máy nhiệt phân Nhà máy nhiệt phân rác thải nylon bao gồm 6 khu chính bao gồm:
1 Nhà kho chứa rác thải nylon;
2 Khu chứa hệ thống lò nhiệt phân;
3 Nhà kho chứa các bao bụi than;
4 Khu bể chứa dầu và khí sau khi nhiệt phân;
4.7.1 Bố trí thiết bị của hệ thống nhiệt phân
Các thiết bị của hệ thống nhiệt phân rác thải nylon bằng lò quay được bố trí như sau:
78 Hình 4 11 Bố trí các thiết bị của hệ thống nhiệt phân
