Nghiên cứu công nghệ sản xuất nhiên liệu rắn từ chất thải plastic và vỏ trấu

Xuất phát từ thực trạng chất thải plastic tại Thành phố Hồ Chí Minh ngày càng gây nên những khó khăn trong quản lý và xử lý; và khối lượng vỏ trấu khổng lồ thu được từ quá trình xay xát

ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

BÁO CÁO NGHIỆM THU

(Đã chỉnh sửa theo góp ý của Hội đồng nghiệm thu)

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU RẮN TỪ CHẤT THẢI PLASTIC VÀ VỎ TRẤU

II

TÓM TẮT

Đề tài nghiên cứu này đề cập đến công nghệ sản xuất nhiên liệu rắn từ chất thải plastic

và vỏ trấu Xuất phát từ thực trạng chất thải plastic tại Thành phố Hồ Chí Minh ngày càng gây nên những khó khăn trong quản lý và xử lý; và khối lượng vỏ trấu khổng lồ thu được từ quá trình xay xát gạo tại Khu vực Đồng bằng Sông Cửu long (khoảng 3.5 triệu tấn mỗi năm) chưa được sử dụng có hiệu quả và đang gây ra những vẫn đề ô nhiễm môi trường nước, đề tài này đưa ra một phương án công nghệ khả thi – thông qua quá trình đùn ép có gia nhiệt nguyên liệu chất thải plastic và vỏ trấu – để tạo thành một loại nhiên liệu rắn mới sử dụng được trong các lò đốt công nghiệp

Chất thải plastic được ưu tiên sử dụng trong khuôn khổ nghiên cứu đề tài là các loại sản phẩm sử dụng một lần : túi xốp, bao bì thực phẩm, hộp đựng thức ăn nhanh, … có thành phần chủ yếu là PE, PP, PS, EVA Về cơ bản, ưu điểm của chất thải plastic là nhiệt trị cao (khoảng 10.000 kcal/kg), tuy nhiên plastic cháy rất nhanh và không hoàn toàn Trong khi đó, vỏ trấu là một loại nguyên liệu tái tạo và sạch (hàm lượng lưu huỳnh rất thấp), sẵn có tại Việt Nan Nhược điểm của vỏ trấu là khối lượng riêng đổ đống nhỏ (80 ~ 100 kg/m3), nhiệt trị thấp và khó bắt cháy

Kết hợp chất thải plastic và vỏ trấu, bằng quy trình đùn ép có gia nhiệt, hầu như đã khắc phục được các nhược điểm nêu trên của hai loại nguyên liệu này Các kết quả nổi bật của đề tài có thể được tóm tắt như sau :

- Quá trình đùn ép có gia nhiệt có thể được sử dụng để sản xuất nhiên liệu rắn, trong

đó tỷ lệ vỏ trấu chiếm đến 90 %kl, chất thải plastic đóng vai trò chất kết dính

- Tỷ lệ vỏ trấu và nhiệt độ đùn ép là hai thông số chính ảnh hưởng đến quá trình đùn

ép và tính chất sản phẩm thu được

- Khối lượng riêng đổ đống của sản phẩm nhiên liệu rắn tăng đáng kể so với vỏ trấu (mẫu sản phẩm có tỷ lệ vỏ trấu 80% có khối lượng riêng đổ đống khoảng 600 kg/m3, gấp khoảng 6 lần vỏ trấu)

- Nhiệt trị của sản phẩm nhiên liệu rắn cao hơn vỏ trấu ít nhất là 1,5 lần (mẫu sản phẩm chứa 80%kl vỏ trấu) và cao nhất là 2,6 lần (mẫu sản phẩm chứa 30%kl vỏ trấu)

- Sản phẩm thu được dễ cháy, cháy hết (tro thu được không dính), hàm lượng CO,

NOx trong khí thải nằm trong giới hạn cho phép quy định tại TCVN 5939:2005

Ngoài ra chúng tôi cũng khảo sát ảnh hưởng đến môi trường của quá trình đùn ép, khảo sát khả năng sử dụng sản phẩm trong lò đốt quy mô công nghiệp và tính toán sơ

bộ hiệu quả kinh tế của sản phẩm nhiên liệu rắn Các kết quả thu được khá khả quan

và là cơ sở tương đối vững chắc cho một dự án sản xuất thử nghiệm trong tương lai

III

ABSTRACT

This research work deals with the manufacturing process of solid fuel from plastic wastes and rice husk Based on the facts that (i) accumulated plastic wastes in Hochiminh City poses many problems in management and treatment; and (ii) an enormous amount of rice husk, collectable in Mekong Delta area, is not yet effectively utilized but rising some concerns for the water environment, this research proposes a feasible method – relied on an extrusion process with heating – to produce a new kind

of solid fuel, which may find application in industrial scale fire-heater

The preferred plastic wastes are those of short-term used products, such as plastic bag, food packaging materials, plastic films, … , which are mainly consisted of PE, PP, PS, EVA Basically, the advantage of plastic lies on its high calorific value (c.a 10,000 kcal/kg) However, plastics burn rather fast and incompletely On the other hand, rice husk is a renewable resource, clean and readily available in huge amount in Vietnam Disadvantages of rice husk include low bulk density, low heating value It is also hard

to ignite

Combination of plastic wastes and rice husk in an extruder with heating almost fully eliminates aforementioned drawbacks of these two starting materials Highlịghts of this study can be summarized as follows:

- Extrusion process is successful in producing the solid fuel from plastic wastes and rice husk Plastic plays the role of binding agent Rice husk content in the mixture can be as high as 90 wt%

- Rice husk content and extrusion temperature are the two key factors in defining the outcome of extrusion process, and in determining the properties of final products

- Bulk density of the solid fuel increases significantly compared to that of rice husk (sample containing 80wt% rice husk has a bulk density of 580 kg/m3, which is 6 times of that of rice husk)

- Calorific value of the solid fuel is atleast 1.5 times of that of rice husk, in case of 80wt% rice husk containing sample Among the sample prepared, a maximum increase of 260% in calorific value is observed for sample of 30wt% rice husk

- The solid fuel is burned easily and completely with unsticky ash The content of

CO, NOx in the exhaust gas is within the allowable level, regulated in TCVN 5939:2005

Besides, investigation of extrusion environment, the usability of the solid fuel in an industrial scale fire-heater and a brief economic estimation for the manufacturing process are carried out with positive results With these results, the extrusion process and the solid fuel products are believed to be applicable in large scale and may become

a strong candidate for replacing coal in numerous industrial applications

IV

MỤC LỤC

TÓM TẮT II

ABSTRACT III

MỤC LỤC IV

DANH SÁCH HÌNH VẼ VI

DANH SÁCH BẢNG BIỂU VIII

PHẦN MỞ ĐẦU IX

Giới thiệu 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Vỏ trấu: 3

1.1.1 Giới thiệu: 3

1.1.2 Các ứng dụng của vỏ trấu 5

1.2 Plastic 11

1.2.1 Plastic trong rác thải rắn 11

1.2.2 Các hướng xử lý chất thải plastic 13

1.3 Nhiên liệu rắn 21

1.4 Kỹ thuật đùn ép 21

CHƯƠNG 2 : THỰC NGHIỆM 26

2.1 Lý do lựa chọn phương pháp đùn ép 26

2.2 Nguyên liệu 27

2.1.1 Vỏ trấu 27

2.1.2 Chất thải plastic 27

2.3 Thiết bị 28

2.4 Quy trình đùn ép 29

2.5 Phân tích tính chất sản phẩm 30

2.6 Đốt thử nghiệm và thành phần khí thải 31

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 33

3.1 Cảm quan sản phẩm: 33

3.2 Khối lượng riêng và khối lượng riêng đổ đống: 35

3.3 Độ bền nén: 37

V

3.4 Nhiệt trị 39

3.5 Hiệu suất thu sản phầm và hiệu suất năng lượng của quá trình đùn ép 43

3.5.1 Hiệu suất thu sản phẩm 43

3.5.2 Tính toán hiệu suất năng lượng của quá trình đùn ép 44

3.6 Quá trình cháy của sản phẩm và hàm lượng khí thải: 45

3.6.1 Đốt thử nghiệm sản phẩm tại lò đốt tự chế: 45

3.6.2 Đốt thử nghiệm sản phẩm tại lò đốt công nghiệp: 47

3.7 Mức độ gây ô nhiễm của quá trình đùn ép 51

3.8 Tính toán sơ bộ tính kinh tế của quy trình công nghệ 52

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56

4.1 Kết luận: 56

Những kết quả đạt được từ đề tài này được tóm tắt như sau: Error! Bookmark not defined 57

Các tài liệu tham khảo chính 59

PHỤ LỤC A : MÔ TẢ CHI TIẾT THIẾT BỊ ĐÙN ÉP MỘT TRỤC VÍT 60

PHỤ LỤC B : CÁC KẾT QUẢ PHÂN TÍCH 64

VI

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1 1 Vỏ trấu 3

Hình 1 2: Sản lượng lúa từ 1976 – 2006 [3] 5

Hình 1 3: Một số lò đốt trấu ở vùng nông thôn 7

Hình 1 4: Trấu sử dụng để nấu thức ăn trong chăn nuôi 7

Hình 1 5: Trấu được sử dụng để đốt lò trong sản xuất gạch 7

Hình 1 6 Thiết bị ép đùn củi trấu và sản phẩm củi trấu 8

Hình 1 7 Mô hình hệ thống khí hóa phát điện sử dụng vỏ trấu [7] 9

Hình 1 8: Hình chụp rác thải ở bãi rác tại Quận Tân Bình 13

Hình 1 9: Quy trình tại chế nhựa theo phương pháp cơ học 15

Hình 1 10: Các quá trình tái chế hoá học [11] 16

Hình 1 11: Quy trình Veba Oel - nhiệt phân và hydro hoá chất thải plastic [12] 17

Hình 1 12: Quy trình Texaco – khí hoá plastic [12] 18

Hình 1 13: Quy trình tái chế nhựa PET [13] 18

Hình 1 14: Nhiệt trị của một số nhiên liệu và chẩt thải [13] 20

Hình 1 15 Cấu tạo đơn giản của máy đùn ép 22

Hình 1 16 Một số loại vít đùn thông dụng 23

Hình 1 17 Cấu trúc vít đùn và các thông số thiết kế 24

Hình 1 18 Máy đùn (a) một trục vít; (b) hai trục vít quay cùng chiều; và (c) hai trục vít quay ngược chiều 24

Hình 2 1 Nguyên liệu vỏ trấu 27

Hình 2 2: Nguyên liệu plastic phế thải 28

Hình 2 3: Máy đùn tiến hành quá trình thí nghiệm 28

Hình 2 4 Lò đốt tự chế 32

Hình 3 1 Sản phẩm nhiên liệu rắn 34

Hình 3 2 Độ xốp của sản phẩm với hàm lượng ẩm khác nhau 34

Hình 3 3: Sự biến đổi khối lượng riêng theo tỷ lệ trấu và nhiệt độ 36

VII

Hình 3 4 Thời gian lưu của nguyên liệu theo tỷ lệ vỏ trấu và nhiệt độ đùn ép 36

Hình 3 5 Độ bền nén theo tỷ lệ trấu và nhiệt độ đùn 38

Hình 3 6 Ảnh hưởng độ ẩm đối với độ bển nén 39

Hình 3 7 Ảnh hưởng của tỷ lệ trấu và nhiệt độ đùn đối với nhiệt trị 40

Hình 3 8 Độ chênh lệch giữa nhiệt trị đo và nhiệt trị tính toán 41

Hình 3 9 Nhiệt trị đo được của các mẫu T70-240 theo hàm lượng ẩm 42

Hình 3 10 Hiệu suất quá trình đùn ép 43

Hình 3 11 Hình ảnh minh hoạc quá trình cháy của sản phẩm trong lò đốt tự chế : (a) T60; (b) T70 và (c) T80 46

Hình 3 12 Quá trình đốt nhiên liệu tại lò đốt - Công ty Phước Đạt 48

Hình 3 13 Quá trình cháy của nhiên liệu và khí thải sinh ra trong quá trình đốt 49

Hình 3 14 Đo thành phần khí thải tại Công ty Phước Đạt 50

Hình 3 15 Một vài hình ảnh quá trình đùn ép 52

Hình 3 16 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất nhiên liệu rắn 54

VIII

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Thành phần hoá học trong vỏ trấu 4

Bảng 1 2 So sánh nhiệt trị và chi phí của một số dạng năng lượng [1] 6

Bảng 1 3 Năng lượng chứa trong chất thải rắn 12

Bảng 1 4 Mã số ký hiệu và mục đích sử dụng của một số loại nhựa thông dụng 15

Bảng 2 1 Tính chất tổng quát của vỏ trấu 27

Bảng 2 2 Các chế độ nhiệt độ cài đặt cho thiết bị đùn ép 29

Bảng 2 3 Tỷ lệ vỏ trấu / chất thải plastic trong hỗn hợp nguyên liệu 29

Bảng 2 4 Ký hiệu mẫu và điều kiện đùn ép 31

Bảng 3 1 Khối lượng riêng và khối lượng riêng đổ đống của mẫu sản phẩm 35

Bảng 3 2 Độ bền nén của sản phẩm 38

Bảng 3 3 Kết quả đo nhiệt trị của nguyên liệu và sản phẩm 40

Bảng 3 4 Nhiệt trị của một số nhiên liệu thông dụng 42

Bảng 3 5 Số liệu và kết quả tính toán HSNL của quy trình đùn ép 45

Bảng 3 6 Thành phần khí thải khi đốt sản phẩm trong lò đốt tự chế 46

Bảng 3 7 So sánh tiêu hao nhiên liệu giữa củi trấu và sản phẩm của đề tài 49

Bảng 3 8 Thành phần khí thải lò đốt Công ty Phước Đạt 50

Bảng 3 9 Kết quả đo đạc chất lượng không khi trong và ngoài xưởng, trước và trong khi vận hành thiết bị đùn ép 51

Bảng 3 10 Ước tính chi phí sản xuất quy trình công nghệ đùn ép 500 kg nguyên liệu/h (tính trung bình cho 1 giờ sản xuất) 53

IX

PHẦN MỞ ĐẦU

Tên đề tài: Tên đề tài: Nghiên cứu công nghệ sản xuất nhiên liệu

rắn từ chất thải plastic và vỏ trấu Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Vĩnh Khanh

Cơ quan chủ trì: Trường Đai học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM

Thời gian thực hiện đề tài: 12/2007 – 12/2008

Kinh phí đƣợc duyệt: 220.500.000 đ

Kinh phí đã cấp: 202.000.000 đ theo TB số : 320/TB-SKHCN ngày 21/12/07

theo TB số : /TB-SKHCN ngày / /09

Mục tiêu: Xây dựng quy trình công nghệ và thiết bị quy mô phòng

thí nghiệm 10 kg nguyên liệu/h, sản xuất nhiên liệu rắn từ chất thải plastic và vỏ trấu

Nội dung :

- Nghiên cứu công nghệ sản xuất nhiên liệu rắn từ chất thải plastic và trấu:

+ Nghiên cứu quá trình đùn ép: ảnh hưởng của các thông số của quá trình: nhiệt

độ đùn, tốc độ đùn, … lên các tính chất vật lý của sản phẩm (khối lượng riêng, khối lượng riêng đống, độ cứng cơ học, …)

+ Nghiên cứu tỷ lệ (khối lượng) trấu tối ưu, và ảnh hưởng của tỷ lệ trấu đến tính chất vật lý của sản phẩm

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm của nguyên liệu lên các tính chất vật lý của sản phẩm

+ Đánh giá mức độ ô nhiễm của quá trình đùn ép chất thải plastic và trấu tạo ra sản phẩm

- Đánh giá chất lượng sản phẩm tạo ra:

+ Đánh giá khả năng cháy, nhiệt trị của sản phẩm nhiên liệu rắn tạo ra

+ Phân tích và đánh giá hàm lượng khí thải sinh ra khi đốt nhiên liệu sản phẩm + So sánh chất lượng của sản phẩm tạo ra với than là một dạng nhiên liệu phổ biến hiện nay

Sản phẩm :

- Báo cáo nghiệm thu đề tài

- 01 báo cáo (oral presentation) tại Hội thảo Khoa học Quốc tế “International Conference on Environment and Natural Resources - ICENR 2008” do Viện Môi trường và Tài nguyên – Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh tổ chức ngày 17-18/03/2008 , bài được chọn đăng toàn văn trong kỷ yếu

- 01 báo cáo (oral presentation) tại Hội thảo Khoa học Quốc tế “International Workshop on Automotive Technology, Engine and Alternative Fuel”, do Sở Khoa

X

học Công nghệ Tp HCM, Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Lọc hoá dầu và Khoa

Kỹ thuật Giao thông Trường ĐHBK, Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Dầu khí thuộc Viện Dầu khí Việt Nam đồng tổ chức , ngày 22/12/2008, bài được chọn đăng toàn văn trong kỷ yếu

- 01 báo cáo (oral presentation) tại Hội thảo Khoa học “An toàn – Sức khoẻ - Môi trường” do Trường Đại học Tôn Đức Thắng tổ chức ngày 20/05/2009, bài được chọn đăng toàn văn trong kỷ yếu

- 04 luận văn đại học đã bảo vệ

- Tham gia Ngày hội tái chế do Quỹ Tái chế - Sở Tài nguyên và Môi trường TP HCM tổ chức, Tháng 4/2008

- Tham gia Hội chợ Techmart & Industrial Zones 2008, do Sở Khoa học và Công nghệ TP HCM tổ chức, Tháng 10/2008

1

Giới thiệu

Hiện tại, mỗi ngày tại Thành phố Hồ Chí Minh, khoảng hơn 6000 tấn rác được thải ra

và đưa về các bãi xử lý và chôn lấp Đa Phước và Phước Hiệp, trong đó khoảng 3%,

tương đương với 180 tấn là chất thải plastic, chủ yếu là các loại sản phẩm plastic có

mục đích sử dụng một lần hoặc trong thời gian ngắn : túi xốp, vỏ hộp đựng cơm, bao

bì thực phẩm hoặc các đồ dùng gia dụng khác, Các sản phẩm plastic kể trên được

sản xuất chủ yếu từ các loại nhựa PE, PP, PS, có tuổi thọ rất lớn và rất khó tự phân

huỷ khi được thải ra Biện pháp xử lý các chất thải plastic này tại các bãi xử lý rác chủ

yếu là đốt bỏ hoặc chôn lấp, gây ra các vấn đề như : phí phạm năng lượng, ô nhiễm

môi trường, quá tải quỹ đất chôn lấp, Việc nghiên cứu tận dụng các loại chất thải

plastic này trong các ứng dụng hợp lý hơn là một việc làm rất đáng quan tâm

Trong việc lựa chọn phương án xử lý chất thải plastic sinh hoạt, hai yếu tố cần được

quan tâm xem xét là ảnh hưởng môi trường và hiệu quả kinh tế Trong hình vẽ dưới

đây, hai yếu tố này được đánh giá sơ bộ cho một vài phương pháp xử lý / tái sử dụng

chất thải plastic tiêu biểu nhất [1]

2

Có thể thấy rằng một phương pháp xử lý chất thải plastic khá an toàn và kinh tế là sản xuất nhiên liệu rắn (refused plastic fuel – RPF) với mục đích thu hồi năng lượng Về bản chất, với phương pháp này, chất thải plastic được nén tại áp suất cao hoặc đùn ép tạo thành viên Cả hai quy trình trên đều khá đơn giản và dễ ứng dụng ở quy mô lớn

Vỏ trấu chiếm khoảng 20 %kl của thóc Tại đồng bằng sông Mêkông, hàng triệu tấn trấu được tạo thành / thải ra mỗi năm từ các nhà máy xay xát, trong đó chỉ một lượng nhỏ được tận dụng đốt trong các mục đính dân dụng Với khối lượng riêng đổ đống thấp – gây ra khó khăn trong vận chuyển - và nhiệt trị thấp, việc đốt vỏ trấu trong nhà máy nhiệt điện chưa thể được triển khai rộng rãi

Nghiên cứu của chúng tôi mong muốn đưa ra một quy trình công nghệ đùn ép đơn giản để sản xuất nhiên liệu rắn từ chất thải plastic sinh hoạt và vỏ trấu, là hai nguồn chất thải rẻ tiền và sẵn có tại Việt Nam Sản phẩm nhiên liệu rắn thu được có những ưu điểm so với vỏ trấu như khối lượng riêng đổ đống lớn hơn, nhiệt trị cao hơn, dễ vận chuyển hơn; và so với chất thải plastic : dễ cháy hoàn toàn hơn, khí thải sinh ra ít ô nhiễm hơn ; và có tiềm năng trong việc thay thế than đá

Hình 1 1 Vỏ trấu

Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xay xát, chiếm khoảng 18 – 25% kl thóc Bảng 1.1 trình bày thành phần hoá học và một số tính chất cơ bản của vỏ trấu Trong vỏ trấu chứa khoảng 75 - 80% chất hữu cơ dễ bay hơi

sẽ cháy trong quá trình đốt và khoảng 20 - 25% còn lại chuyển thành tro Chất hữu cơ chứa chủ yếu cellulose, lignin và hemi - cellulose (90%), ngoài ra có thêm thành phần khác như hợp chất nitơ và vô cơ Lignin chiếm khoảng 25-30% và cellulose chiếm khoảng 35-40% Các chất hữu cơ của trấu là các mạch polycarbohydrat rất dài nên hầu hết các loài sinh vật không thể sử dụng trực tiếp được, nhưng các thành phần này lại rất dễ cháy nên có thể dùng làm chất đốt Trong khi đó, tro còn lại sau khi đốt vỏ trấu

có chứa đến hơn 80%kl là silic oxyt, đây là một chất có giá trị vì có nhiều ứng dụng trong công nghiệp xi măng và xử lý nước thải

Vỏ trấu là nguồn nguyên liệu rất dồi dào và rẻ tiền Mỗi năm nước ta sản xuất 35 – 36 triệu tấn lúa, như vậy lượng vỏ trấu thu được sau xay xát khoảng 7,4 triệu tấn tương đương 2,16 tấn quy dầu chiếm 17,9% năng lượng sinh khối của cả nước Sản lượng lúa

từ mức 11,8 triệu tấn năm 1976, tăng lên tới 17 triệu tấn năm 1986 và vượt ngưỡng 20 triệu tấn vào năm 1992, nhanh chóng đạt trên mức 30 triệu tấn năm 1998, và duy trì trên mức 35 triệu tấn cho đến nay Sản lượng lúa năm 2007 của cả nước đạt khoảng 37 triệu tấn, trong đó, lúa đông xuân 17,7 triệu tấn, lúa hè thu 10,6 triệu tấn, lúa mùa 8,7 triệu tấn Hình 1.2 biểu thị sản lượng lúa trong giai đoạn từ 1976 – 2006 Với sản lượng lúa ổn định, nguồn vỏ trấu cũng sẽ chắc chắn được đảm bảo cho những ứng dụng tiềm năng sử dụng vỏ trấu làm nguyên liệu

Một ưu điểm khác của vỏ trấu là “sạch” Có thể nhận thấy trong thành phần hoá học của vỏ trấu, hàm lượng lưu huỳnh là rất nhỏ, vì vậy khi sử dụng trấu làm chất đốt, hàm lượng SOx trong khí thải khi đốt trấu sẽ là rất nhỏ Ngoài ra các loại nhiên liệu khí, lỏng khác thu được từ quá trình nhiệt phân vỏ trấu cũng có hàm lượng lưu huỳnh thấp,

và có thể được coi là nhiên liệu sạch

Bên cạnh những ưu điểm trên, vỏ trấu có một số nhược điểm như sau Thứ nhất, khối lượng riêng đổ đống của vỏ trấu là khá thấp (80 ~ 120 kg/m3) Điều này gây ra những khó khăn trong vận chuyển, đồng thời tăng chi phí vận chuyển vỏ trấu Nhược điểm thứ hai của vỏ trấu là nhiệt trị thấp và khó cháy do có thành phần vô cơ khá cao (20 ~ 25%kl) Liên quan trực tiếp đến nhược điểm này là lượng tro sinh ra khi đốt trấu là khá lớn, gây ra những vấn đề trong lò đốt và những thách thức trong xử lý, tận dụng tro

5

Hình 1 2: Sản lượng lúa từ 1976 – 2006 [3]

Chính vì những nhược điểm này mà việc tận dụng vỏ trấu còn gặp nhiều khó khăn và chưa triển khai được rộng rãi, dẫn đến những hiện tượng như lượng trấu quá nhiều không sử dụng hết phải đổ xuống kênh, rạch gây ra những vấn đề ô nhiễm môi trường nước, cản trở giao thông đường thuỷ, …

1.1.2 Các ứng dụng của vỏ trấu

Sử dụng làm chất đốt

Vỏ trấu có thể được sử dụng trực tiếp làm chất đốt trong các lò đốt công nghiệp và nhà máy phát điện Hoặc một cách gián tiếp, qua các công đoạn chế biến, xử lý thành các dạng nhiên liệu rắn, lỏng hoặc khí có thể sử dụng được trong công nghiệp Bảng 1.2 so sánh nhiệt trị và chi phí của một số nhiên liệu thông dụng Có thể thấy rằng, 1kg trấu khi đốt sinh ra 3300 Kcal bằng 1/3 năng lượng được tạo ra từ dầu nhưng giá lại thấp hơn đến 25 lần

Đốt trực tiếp vỏ trấu

Từ lâu, vỏ trấu đã là một loại chất đốt rất quen thuộc với bà con nông dân, đặc biệt là

bà con nông dân ở vùng đồng bằng sông Cửu Long Chất đốt từ vỏ trấu được sử dụng rất nhiều trong cả sinh hoạt (nấu ăn, nấu thức ăn gia súc) và sản xuất (làm gạch, sấy lúa) Người dân ở nông thôn đã thiết kế một dạng lò chuyên nấu nướng với chất đốt là trấu Lò này có ưu điểm là: lửa cháy rất nóng và đều, giữ nhiệt tốt và lâu Lò trấu hiện nay vẫn còn được sử dụng rộng rãi ở nông thôn Hình 1.3 – 1.5 thể hiện một số lò đốt dùng trấu ở nông thôn

6

Gần đây Công ty Xi măng Holcim đã triển khai công nghệ phun và đốt trấu trực tiếp cho các lò nung xi măng của Công ty, và phần tro thu được cũng được trộn vào xi măng đề nâng cao chất lượng của xi măng

Bảng 1 2 So sánh nhiệt trị và chi phí của một số nhiên liệu [4]

Giá Nhiệt trị Hiệu suất

lò

Tiêu thụ nhiên liệu

Chi phí hơi nước

và khả năng phát nhiệt cũng có thể đạt 11-12 triệu MWt Tuy giá thành sản xuất điện

từ công nghệ này cao hơn thuỷ điện, song theo đánh giá của các nhà khoa học thì giá thành trên vẫn còn rẻ hơn rất nhiều so với các nguồn nguyên liệu hoá thạch (khoảng 10-30%) và giúp giảm bớt ô nhiễm môi trường Kết quả nghiên cứu đã được triển khai

ở quy mô công nghiệp ở Long An, Kiên Giang, Thành phố Hồ Chí Minh và Gia Lai với công suất 50kW

Tuy nhiên, việc đốt trực tiếp trấu để sinh năng lượng vẫn chưa được triển khai ở quy

mô lớn vì hai nhược điểm nêu trên của vỏ trấu

Các công nghệ chế biến xử lý trấu thành các dạng nhiên liệu khác

(a) Ép trấu thành củi trấu

Công nghệ ép đùn được sử dụng để ép vỏ trấu thành “củi trấu” – là một loại nhiên liệu

đã được sản xuất và được thị trường chấp nhận tại Việt Nam Công nghệ này được phát triển đầu tiên bởi Viện AIT, Thái Lan [6] và đã được triển khai bởi nhiều đơn vị tại Việt Nam như Viện Năng Lượng, Đại học Cần Thơ, Công ty Nhiên liệu Sinh học,

… Theo công nghệ này, vỏ trấu được gia nhiệt đến khoảng 320oC bởi 3 thiết bị gia nhiệt công suất 3KWh và được ép bởi vít (screw-press) qua một đầu đùn (die) tạo thành các thanh (củi trấu) có tiết diện hình vành khuyên với kích thước đường kính 73 mm, chiều dài 0,5 - 1m Khối lượng riêng của sản phẩm tăng đáng kể (>1000 kg/m3)

7

Hình 1 3: Một số lò đốt trấu ở vùng nông thôn

Hình 1 4: Trấu sử dụng để nấu thức ăn trong chăn nuôi

Hình 1 5: Trấu được sử dụng để đốt lò trong sản xuất gạch

8

Công suất mô tơ điện để chạy máy là 20HP Điện năng tiêu thụ trung bình cho 1 kg sản phẩm củi trấu là 0,18KWh (tương đương 0,648 MJ hoặc 155 kcal) cho quy mô sản xuất khoảng 90 kg sản phẩm/h Hình 1.6 thể hiện thiết bị đùn ép củi trấu và sản phẩm củi trấu

Hình 1 6 Thiết bị ép đùn củi trấu và sản phẩm củi trấu

Bên cạnh ưu điểm là công nghệ đơn giản và sản phẩm củi trấu có khối lượng riêng tăng đáng kể so với vỏ trấu, thì công nghệ này có những mặt hạn chế như năng suất thấp (tối đa 160 - 200 kg sản phẩm/h); vít ép dễ bị mài mòn và phải bảo dưỡng hoặc thay thế trong thời gian ngắn (trung bình sau 12 – 20h vận hành phải bảo dưỡng / thay thế vít ép mới) và tiêu tốn khá nhiều năng lượng do chế độ cài đặt nhiệt độ cao Ngoài

ra sản phẩm củi trấu khó cháy, khó sử dụng trong các lò đốt nạp liệu tự động và khó bảo quản (khi gặp nước củi trấu sẽ bị mục ngay lập tức)

(b) Nhiệt phân trấu thành nhiên liệu lỏng và khí

Trên thế giới, việc nhiệt phân/khí hoá (pyrolysis/gasification) các nhiên liệu sinh khối

đã được sử dụng hơn 100 năm nay và ngày nay công nghệ này hầu như vẫn còn nguyên giá trị Khí từ hệ thống khí hóa sinh khối có thể dùng làm nhiên liệu cho các động cơ đốt trong, các lò hơi, các máy phát điện …

9

Các kỹ thuật chủ yếu của công nghệ nhiệt phân như sau: sinh khối được nung nóng, các thành phần của nó thay đổi khi các chất bốc được tách ra và chuyển thành thể khí, quá trình này gọi là khí hóa nếu nó xảy ra trong điều kiện môi trường ôxy hóa lý tưởng, và là quá trình nhiệt phân nếu như xảy ra trong môi trường không có hoặc có rất ít tác nhân ôxy hóa Tác nhân ôxy hóa có thể là ôxy, khí trời, hoặc nước và ôxy (không khí ẩm) Quá trình khí hóa xảy ra theo phương trình nhiệt hóa học sau đây:

C + CO2 = 2CO

C + H2O = CO + H2 ở 800 - 850 C0

Khí sản sinh ra bao gồm các thành phần CO, H2,… là hỗn hợp khí cháy, dễ dàng sử dụng làm nhiên liệu cho các thiết bị khác như lò hơi, lò đốt, động cơ,… Do ở thể khí, việc đốt cháy sản phẩm khí hoá cho hiệu suất rất cao, cao hơn 3 - 4 lần so với việc đốt trực tiếp sinh khối

Ngày nay, trấu được xem là nguồn nhiên liệu tái tạo, việc sử dụng các sinh khối loại này đang được nhiều quốc gia trên thế giới khuyến khích Các kỹ thuật đã được cải tiến và phát triển, đáp ứng được các yêu cầu khắt khe về môi trường với hiệu quả kinh

tế cao Các nhà máy sản xuất điện sử dụng công nghệ này đã được xây dựng và vận hành thành công ở nhiều nước lân cận như Thái Lan, Malaysia Hình 1.7 mô tả mô hình công nghệ khí hóa trấu trong một nhà máy để sản xuất điện và nhiệt (cogeneration)

Hình 1 7 Mô hình hệ thống khí hóa phát điện sử dụng vỏ trấu [7]

Một nhà máy phát điện dùng trấu làm nhiên liệu với quy mô lớn đầu tiên sẽ được xây dựng tại tỉnh Cần Thơ thuộc khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long, nơi có sản lượng trấu rất dồi dào Theo dự kiến, nhà máy có công suất phát điện lên đến 10MW, được công ty Nippon Mining Research & Technology (Nhật Bản) đầu tư với chi phí khoảng

15 triệu USD, sử dụng công nghệ nhiệt phân / khí hoá hiện đại của Nhật Bản Với công suất này, mỗi ngày nhà máy sẽ tiêu thụ khoảng 240 tấn trấu, điện năng sản xuất

ra được bán trực tiếp lên lưới điện Hàng năm, ước tính doanh số bán điện sẽ vào khoảng 5 triệu USD

và nền đất yếu Sau khi sử dụng có thể nghiền nát để tái chế lại

Hiện nay, ở nước ta đã có một số công ty sản xuất thương mại loại vật liệu này ứng dụng vào thực tế Công ty Lâm Mai sau hơn 7 năm nghiên cứu và thử nghiệm nhiều lần, đã ra sản xuất thành công sản phẩm vật liệu xây dựng nhẹ không nung được làm

từ vỏ trấu, bã mía, vỏ dừa… Sản phẩm được dùng làm tấm tường, sàn, trần và mái nhà Nhóm nghiên cứu của Khoa Vật liệu Xây dựng của Trường ĐH Xây dựng Hà Nội

đã chế tạo thành công gạch xốp cách nhiệt dùng xây nhà cao tầng, với nguồn nguyên liệu là vỏ trấu, sơ dừa, tro, mùn cưa, xốp Polystyron, bã thải trong sản xuất đường

Sử dụng tro trấu sản xuất ôxyt silic

Tro của trấu sau khi đốt cháy có hơn 80% là silic oxyt Ôxyt silic là chất được sự dụng khá nhiều trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, thời trang, luyện thủy tinh….Vấn đề tận dụng ôxyt silic trong vỏ trấu hiện đang đưọc rất quan tâm, mục đích là thu được tối đa lượng silic với thời gian ngắn Các nhà nghiên cứu thuộc Viện Nghiên cứu khoa học (IISc) của bang Bangalor, Ấn Độ đã thành công trong việc tách silic oxit từ vỏ trấu để

cung cấp cho các nhu cầu công nghiệp và dược phẩm

Thông thường, silic oxit được chiết tách từ cát nóng chảy ở nhiệt độ cao Quá trình này tiêu tốn nhiều năng lượng và chi phí đầu tư lớn Theo công nghệ mới, quá trình tách silic oxit được tiến hành theo các công đoạn sau:

- Vỏ trấu được đốt thành tro, sau đó lấy tro này hoà với xút (NaOH) trong một thiết bị phân hủy để tạo ra natri silicat

- Sục khí CO2 vào dung dịch natri silicat thu được để tạo ra natri bicacbonat

và silic oxit Lọc, tách để thu silic oxit

- Natri bicacbonat được xử lý bằng canxi hyđroxit để tạo ra canxi cacbonat và xút Xút được tuần hoàn trở lại thiết bị phân hủy

Quá trình này còn tạo ra một lượng nhỏ cacbon Lượng cacbon này có thể được hoạt hóa bằng hơi nước và sau đó được sử dụng trong các nhà máy xử lý nước

Đây là một công nghệ thân thiện với môi trường, trong đó tất cả các hóa chất đều được tái sử dụng Hiện nay, ABETS (Hội các công nghệ năng lượng tiên tiến từ bã thải sinh học) đang dự định lắp đặt một nhà máy sản xuất silic oxit từ vỏ trấu tại một cơ sở

ở Andhra Paradesh Ngoài ra, Nhật Bản, và một số nước có trồng lúa đã tỏ ra quan tâm đến công nghệ này

Các nhà máy có công suất 5 - 20 tấn/ ngày có thể được lắp đặt cạnh các nhà máy phát điện nhỏ và nhà máy đồng phát điện Nếu làm được điều này, thì có thể thu hồi lại vốn đầu tư trong vòng 4 năm và công nghệ này có tiềm năng ứng dụng ở các nước trồng lúa trên toàn thế giới

11

Ở Việt Nam, đã có đề tài nghiên cứu tổng hợp vật liệu MCM-41 với nguồn oxit silic được điều chế từ vỏ trấu nhằm mục đích nâng cao khả năng sử dụng của vỏ trấu và hạ giá thành vật liệu mao quản trung bình Các mẫu MCM-41 tổng hợp có cấu trúc lục lăng đều đặn, diện tích bề mặt cao Oxit silic được điều chế từ vỏ trấu có thể thay thế các alkoxit thương mại đắt tiền để tổng hợp các vật liệu mao quản trung bình khác Sản xuất than hoạt tính từ vỏ trấu

Than hoạt tính có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống và trong công nghiệp như lọc nước, khử mùi, làm sạch khí, làm chất mang xúc tác, thậm chí làm xúc tác Nguyên liệu sản xuất than hoạt tính thì rất nhiều và sẵn có tại nước ta như : Sọ dừa, mùn cưa,

vỏ trấu…, để sản xuất than hoạt tính từ vỏ trấu người ta có quy trình chia làm hai giai đoạn sau đây:

- Hoá than trấu ở nhiệt độ khoảng 450 – 520 o

C

- Hoạt hoá than trấu bằng hơi nước trên 700 oC, với tỉ lệ hơi/than 0,009 – 0,3% trong khoảng 1,0 đến 2,0 giờ Than hoạt tính thu được sẽ có bề mặt riêng khoảng 276,68 m2/g

Ép trấu thành ván ép

Công nghệ này đã được ứng dụng từ khá lâu Theo đó, trấu được nghiền mịn, trộn với keo (urea-formaldehyde; phenol-formaldehyde) và ép thành ván tỷ trọng trung bình (MDF) Một công nghệ khác khá tương đồng là công nghệ sản xuất nhựa trấu, trong đó thành phần nhựa polyolefin chất lượng cao được trộ vào đến 30 – 40% khối lượng

Như vậy có thể tạm kết luận rằng trấu có thể được ứng dụng rất đa dạng trong đời sống của con người Việt Nam Trấu có ưu thế rất lớn về nguồn nguyên liệu và giá thành nên việc nghiên cứu sử dụng trấu vào sản xuất luôn mang lại hiệu quả kinh tế cao và tiết kiệm chi phí Thực tế hiện nay ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long lượng trấu rất dồi dào, nên cần lưu ý tăng cường việc nghiên cứu ứng dụng nguồn nguyên liệu này nhằm

mở rộng khả năng sử dụng trấu vừa tiết kiệm chi phí sản xuất, vừa có lợi cho môi trường Sự phát triển của khoa học kỹ thuật làm cho phạm vi ứng d

Chỉ một phần nhỏ vỏ trấu được

sử dụng, các nghiên cứu thành công chưa được đưa vào ứng dụng rộng rãi Riêng khu vực đồng bằng sông Cửu Long nơi có tiềm năng vỏ trấu lớn nhất cả nước các nhà máy phát điện vẫn chưa được triển khai Các cơ sở xây xát thường không có đủ kho bãi để chứa, nên đã tuồn vỏ trấu ra các kênh rạch, sông ngòi, hoặc phải tốn chi phí không nhỏ

để xử lý do không có nơi để tiêu thụ lượng vỏ trấu khổng lồ không được sử dụng hết

trường gây ô nhiễm nguồn nước, hại rau màu đặc biệt nguy hại đến ngành nuôi trồng thủy sản Vì thế việc xử lý vỏ trấu hiện nay đang là một thách thức lớn

1.2 Plastic

1.2.1 Plastic trong rác thải rắn

12

–: PE, PP, PVC, PET, PS là các loại p

, ở Việt Nam thì những công việc này đư

Theo số liệu thống kê, năm 2006 tại TP Hồ Chí Minh có 1,9 triệu tấn rác (cả nước 16 triệu tấn) được thải r

[8] Các sản phẩm plastic kể trên chủ yếu được sản xuất từ các loại nhựa PE, PP, PS, … có tuổi thọ rất lớn và rất khó tự phân hủy, nhưng biện pháp xử lý chủ yếu tại các bãi rác là đốt

bỏ hoặc chôn lấp, làm phát sinh một số vấn đề như: lãng phí về năng lượng, ô nhiễm môi trường do mùi hôi và nước rỉ ra từ các bãi rác, làm quá tải quỹ đất chô

, cần nghiên cứu hướng xử lý plastic sao cho có lợi về môi trường đồng thời cũng tận dụng được giá trị của nó

Các loại chất thải rắn cũng chứa năng lượng đáng kể, trong đó plastic chứa năng lượng cao nhất Năng lượng chứa trong rác thải rắn được trình bày trong Bảng 1.3

Hình 1.8 chụp tại bãi rác Quận Tân Bình TP Hồ Chí Minh, cho thấy chất thải plastic cũng chiếm một số lượng lớn trong thành phần rác thải

Bảng 1 3 Năng lượng chứa trong chất thải rắn

Loại rác thải Nhiệt trị

(KJ/kg)

Thức ăn 4.652 Giấy 16.747 Carton 16.282 Plastic 32.563 Vải 17.445 Cao su 23.260

Da 17.445

Gỗ 18.608 Thủy tinh 140 Rác thải rắn đô thị nói chung 11.630

13

Hình 1 8: Hình chụp rác thải ở bãi rác tại Quận Tân Bình

1.2.2 Các hướng xử lý chất thải plastic

Các chất thải plastic không thể tái chế

Đốt bỏ [9]

Phương pháp này có những ưu điểm như nhanh, gọn, không cần phải vận chuyển chất thải plastic đi xa, mà có thể đốt ngay tại bãi rác Năng lượng sinh ra có thể được thu hồi trong các ứng dụng như phát điện, gia nhiệt lò hơi Đây là phương pháp bắt buộc đối với các chất thải plastic được sử dụng trong y tế Hạn chế lớn nhất của phương pháp này là quá trình đốt chất thải plastic sẽ sinh ra các chất khí độc hại chứa Cl (dioxin, …), NOx , SOx , CO … và tro còn có thể chứa các kim loại nặng, có thể gây ô nhiễm môi trường nếu các biện pháp kiểm soát quá trình đốt, xử lý khí thải không đảm bảo Ngoài ra trong quá trình đốt rác tuy thu được nguồn năng lượng tỏa ra từ plastic

và rác thải nói chung, nhưng hiệu suất suất thu hồi không cao do đó đây là quá trình vừa không hiệu quả về kinh tê, vừa gây ô nhiễm môi trường

14

Chôn lấp

Phương pháp này là phương pháp đơn giản và rẻ tiền nhất được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam - do số lượng rác thải ngày càng lớn ở Việt Nam nói chung và ở Thành phố

Hồ Chí Minh nói riêng, trong khi vẫn còn nhiều các hạn chế về công nghệ thu hồi và

xử lý rác thải - đối với cả chất thải rắn đô thị nói chung

Việc đào hố, dồn rác xuống, lấp đất xem ra có vẻ rẻ tiền, nhưng với lượng rác thải không nhỏ (hiện tại, khoảng 6.000 tấn/ngày) và theo quy trình công nghệ, đất của bãi rác sẽ không dùng được vào việc nào khác trong vòng 30 đến 50 năm Đó là chưa kể, lấp rác xong mà hàng năm vẫn phải giám sát (trong khoảng từ 20 - 25 năm), thì số kinh phí sẽ là đáng kể

Hiện nay, việc tìm ra được những diện tích đất còn trống để làm bãi rác cũng đã không đơn giản chút nào, trong khi các bãi rác đã có của Thành phố Hồ Chí Minh đều đang trong tình trạng quá tải Thực tế các bãi chôn lấp rác đã hoạt động tại Tp HCM như

Gò Cát, Đông Thạnh, … mặc dù đã đóng cửa nhưng vẫn gây ra những vấn đề về nước

rỉ rác (hàng ngàn m3 mỗi ngày) ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và đời sống người dân xung quanh

Các phương pháp tái chế chất thải plastic

Tính chất của các sản phẩm nhựa bị ảnh hưởng rất lớn của thời gian Sau khoảng thời gian sử dụng nhất định, các tính chất này không còn đảm bảo được yêu cầu cho hoạt động / chức năng sử dụng của sản phẩm Việc tái chế các sản phẩm nhựa không còn khả năng sử dụng là một trong những động thái đảm bảo tiêu thụ bền vững cho xã hội Một cách trực tiếp, việc tái chế này sẽ tiết kiệm được nguyên liệu hạt nhựa và giúp giảm đáng kể thể tích chất rắn cần xử lý Có những phương pháp tái chế chất thải plastic chính như sau :

Phương pháp tái chế cơ học [9]

Đây là phương pháp thường được áp dụng để xử lý các rác thải từ plastic nhằm mục đích chuyển chúng thành các nguyên liệu thứ cấp để tái sử dụng lại, nhưng không phải tất cả các loại plastic đều được tái chế theo phương pháp này, thông thường chỉ có 4 loại plastic thường được tái chế:

Polyethylene (PE), bao gồm cả HDPE, LDPE, LLDPE

15

Bảng 1 4 Mã số ký hiệu và mục đích sử dụng của một số loại nhựa thông dụng

Vật liệu Kí hiệu và mã số Mục đích sử dụng % KL nhựa sử dụng cho bao

Hight- density PE 2-HDPE Chai sữa, bình đựng chất

Polyvinyl clorua 3 - PVC Hộp đựng thức ăn, ống

Low-density PE 4 - LDPE Bao bì nylon, tấm lót, các

vật liệu dạng màng khác 33

Theo phương pháp này, chất thải plastsic được thu gom trong các bãi rác cùng với các loạ Các chất thải plastic có thể tái chế được phân loại và sau đó được tiếp tục phân loại thành những loại khác nhau như: PET, HDPE, LDPE, PP, PVC, … hoặc

có khi chúng cũng được phân loại thành các màu khác nhau, làm sạch, gia nhiệt thêm các phụ gia để tăng cường các tính chất đã mất đi trong quá trình sử dùng, bị oxyhoa, biến tính nhiệt, do bức xạ, … sau đó được đùn ép tạo hạt, thường được gọi là nhựa tái sinh Quy trình tái chế cơ học chất thải plastic được trình bày trong Hình 1.9

Hình 1 9: Quy trình tại chế nhựa theo phương pháp cơ học

Các cơ

sở tái chế chất thải plastic tại Việt Nam thường chỉ thực hiện một hoặc hai công đoạn trong các công đoạn nêu trên Bên cạnh đó, máy móc thiết bị sử dụng đều đã cũ và lạc hậu Nhiều thiết bị máy móc đã sử dụng hàng chục năm và chủ yếu vận hành bằng sức người Đối với một số cơ sở có quy mô (ngành tái chế nhựa có cơ sở thuộc quy mô lớn) và sản xuất một số mặt hàng cao cấp thì công nghệ tương đối hiện đại Những cơ

sở này đã đầu tư thiết bị mới sản xuất trên cơ sở kết hợp giữa nguyên liệu tái chế và

16

nguyên liệu chính phẩm nhằm giảm giá thành sản phẩm, nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu

về chất lượng

Phương pháp tái chế hóa học [11]

Tái chế plastic theo phương pháp hóa học dựa trên sự phân hủy các polymer bằng nhiệt, hóa chất hoặc chất xúc tác, để tạo ra một loạt các sản phẩm đa dạng từ các monomer đến hỗn họp các hợp chất mà có thể được ứng dụng làm nguồn nguyên liệu cho ngành công nghiệp hóa chất hoặc làm nhiên liệu Tùy theo mục đích mà quá trình tái chế hóa học có thể được phân thành ba loại chính sau:

1 Tái chế để làm nhiên liệu (xăng, khí hóa lỏng, dầu diesel)

2 Tái chế để thu hồi các monomer

3 Tái chế để sản xuất các hóa chất công nghiệp

Tùy thuộc vào khả năng tái chế của các loại plastic, các thành phần và trọng lượng phân tử mong muốn của sản phẩm, mục đích sử dụng ở trên, mà có nhiều phương pháp tái chế hóa học được áp dụng Hình 1.10 trình bày các phương pháp tái chế hóa học, được tóm tắt dưới đây

Hình 1 10: Các quá trình tái chế hoá học [11]

Hydro hóa plastic

Hydro hóa plastic là quá trình bẻ gãy các mạch polymer dưới tác dụng của nhiệt độ với

sự hiện diện của hydro, quá trình hydro hóa thường tạo ra sản phẩm có độ bão hòa cao, tránh được sự có mặt của các olefin trong sản phẩm lỏng, vì vậy có thể sử dụng làm nhiên liệu mà không cần phải xử lý thêm, hơn nữa quá trình hydro hóa còn tách các dị nguyên tử trong plastic như Cl, S, N, dưới dạng các chất bay hơi Nhưng quá trình hydro hóa cũng có một số bất lợi, chủ yếu là do giá thành của hydro và cần phải tiến hành dưới áp suất cao Hầu hết các quá trình hydro hóa đều cần đến chất xúc tác lưỡng chức năng để thúc đẩy hydro tham gia phản ứng, chất xúc tác điển hình thường dùng là các kim loại chuyển tiếp như Pt, Ni, Mo, Fe, trên chất mang là các acid rắn như alumina, zeolite hoặc các silica-alumina vô định hình

Xử lý bằng nhiệt

Là quá trình bẻ gãy mạch polymer bằng nhiệt độ trong môi trường khí trơ, để phân tách các polymer, cắt các mạch polymer dài tạo thành các polymer mạch ngắn, tạo

17

thành các monomer như ethylene, propylene…… Hoặc dùng để tạo thành nhiên liệu lỏng như là dầu mỏ, hoặc trong những điều kiện đặc biệt có thể tạo thành khí tổng hợp Sản phẩm tạo thành tùy vào điều kiện nhiệt độ, áp suất của quá trình nhiệt phân Khi nung rác Plastic ở nhiệt độ 400-4500

C ở áp suất 100 bar sẽ thu được hỗn hợp nhiên liệu lỏng (synthetic crude oil)

Xử lý polymer bằng nhiệt thường chỉ được áp dụng trong một số các trường hợp, vì quá trình này thường tạo ra một hỗn hợp sản phẩm phức tạp, tỉ lệ và thành phần phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: cấu tạo của polymer, điều kiện phản ứng, loại và chế

độ hoạt động của thiết bị phản ứng…Hình 1.11 trình bày quá trình nhiệt phân và hydro hóa plastic

Hình 1 11: Quy trình Veba Oel - nhiệt phân và hydro hoá chất thải plastic [12]

Khí hóa plastic

Khí hóa là quá trình oxy hóa một phần các vật liệu có chứa cacbon ở nhiệt độ cao 1200 – 1500 oC với tổng lượng O2 hay hơi nước được kiểm soát Hỗn hợp khí tạo thành có thành phần chủ yếu là CO và H2, hay còn được gọi là khí tổng hợp vì có nhiều ứng dụng trong các quá trình tổng hợp hóa học như: sản xuất metanol, ammonia hoặc axit acetic Ngoài ra nó có thể được đốt trực tiếp trong các động cơ đốt trong hoặc được chuyển đổi theo qui trình Fischer-Tropsch thành nhiên liệu tổng hợp

Khí hóa là phương pháp hiệu quả để xử lý các chất thải polymer, nó có một số thuận lợi như: không cần nhất thiết phải phân polymer thành các loại riêng biệt, cũng có thể

là hỗn hợp plastic và các chất thải rắn khác Hiện nay khí hóa cũng được ứng dụng như

là một kỹ thuật để xử lý chất thải rắn Hình 1.12 trình bày quy trình Texaco để khí hóa plastic

Khử polymer bằng hóa chất

Trong quá trình khử polymer, các polymer bị phân hủy thành các monomer riêng lẻ bằng các loại hóa chất khác nhau Các monomer được tạo thành có tính chất tương tự như các monomer ban đầu để tạo thành polymer, vì vậy nếu plastic được tạo thành từ hai loại monomer đó (monomer tái sinh và monomer mới) sẽ có các đặc tính và chất lượng như nhau

18

Hình 1 12: Quy trình Texaco – khí hoá plastic [12]

Quá trình khử polymer bằng hóa chất thường được áp dụng cho các polymer được tạo thànhtừ phản ứng trùng ngưng như: polyester, polyacetals, polyamides, các polymer này thường chiếm khoảng 15% tổng số chất thải plastic Tùy thuộc vào hóa chất sử dụng để bẻ gãy polymer, mà có các quá trình khử khác nhau như: glycolysis, metanolysis, hydrolysis, ammonolysis Hình 1.13 trình bày quy trình tái chế nhựa PET

Hình 1 13: Quy trình tái chế nhựa PET [13]

Những thuận lợi trên cho thấy cracking xúc tác là phương pháp rất có tiềm năng, có thể được ứng dụng để chuyển hóa các plastic phế thải thành các sản phẩm có giá trị Tuy nhiên quá trình này cũng có một số nhược điểm, chủ yếu là việc xúc tác bị mất hoạt tính do sự có mặt của các tạp chất gây đầu độc xúc tác như S, Cl, N, các kim loại, gây trở ngại cho việc tái sinh và tái sử dụng xúc tác Vì vậy quá trình này thường chỉ

áp dụng cho các polyolefinic như PE, PP…, có độ tinh khiết cao, đòi hỏi phải qua một

số công đoạn xử lý trước để loại bỏ các tạp chất gây ảnh hưởng đến chất xúc tác

Có nhiều loại xúc tác được sử dụng trong quá trình này, ví dụ như xúc tác Friedel – Crafts, xúc tác acid rắn, xúc tác rắn lưỡng chức năng ….Xúc tác được sử dụng hầu hết trong các quá trình cracking plastic là các acid rắn, chủ yếu là alumina, alumina – silica vô định hình, và zeolites

Thực tế thì phương pháp tái chế hóa học ở nước ta chỉ mới dừng lại ở mức độ nghiên cứu, mà chưa được triển khai ứng dụng nhiều do công nghệ phức tạp, tốn kém

Tái chế thu hồi năng lượng

Khi chất thải plastic được tái chế sử dụng nhiều lần, mất dần các tính chất cơ lý của

nó, cuối cùng chúng cũng phải kết thúc quá trình sử dụng của mình nhưng vẫn còn hữu ích để chuyển hoá thành dạng năng lượng sử dụng Do plastic chủ yếu được sản xuất từ dầu mỏ và khí thiên nhiên, vì vậy trong thành phần của plastic có chứa nhiệt lượng tương đối lớn Khi đốt cháy plastic không những thu được nguồn năng lượng này mà còn sẽ giảm lượng rác thải thay vì thông thường phải chôn dưới lòng đất gây ô nhiễm môi trường Hình 1.14 biểu diễn nhiệt trị của một số dạng nhiên liệu, nhựa và rác thải

Như đã nói ở trên, trong quá trình đốt plastic tạo ra năng lượng, trong plastic có nhiều thành phần khác nhau, đặc biệt là PVC, khi đốt sẽ tạo ra các chất khí gây ô nhiễm tới môi trường không khí, ảnh hưởng đến sức khỏe của con người như SO2, CO2, CO, HCl, Dioxin … Vì vậy cần thực hiện công đoạn xử lý nguyên liệu trước để loại bỏ các khí độc hại sinh ra trong quá trình đốt Một trong những cách làm là loại bỏ PVC khỏi chất thải plastic Điều này có thể được thực hiện bằng cách phân loại trong nước : PVC có tỷ trọng lớn hơn nước nên sẽ chìm xuống, trong khi các loại nhựa khác đều nhẹ hơn nước sẽ nổi lên trên

Việc thu hồi năng lượng từ chất thải plastic được đánh giá là một trong những phương

án kinh tế nhất và có ảnh hưởng tích cực nhất đối với môi trường trong số các phương

án xử lý chất thải plastic Bên cạnh đó, phương pháp tái chế thu hồi năng lượng còn có

20

ưu điểm là công nghệ đơn giản, dễ thực hiện Theo phương án này, chất thải plastic được ép, nén thành khối có hình dạng mong muốn, sau đó được vận chuyển đến sử dụng tại các địa chỉ có nhu cầu như một loại nhiên liệu rắn, ví dụ như

, n, hoặc cung cấp năng lượng cho các lò hơi để sản xuất hơi nước, hoặc sử dụng làm nhiên liệu thay cho các nhiên liệu truyền thống khác như than đá, gỗ …

Hình 1 14: Nhiệt trị của một số nhiên liệu và chẩt thải [13]

Về bản chất, theo phương pháp này, chất thải plastic được nén tại áp suất cao hoặc đùn ép tạo thành viên Cả hai quy trình trên đều đơn giản và dễ ứng dụng vào thực tế

Tại Việt Nam, việc xử lý, chế biến tận dụng chất thải rắn nói chung và chất thải plastic sinh hoạt nói riêng còn có một số khó khăn từ việc thu gom, phân loại, cho đến các công nghệ đốt, xử lý hiện đại còn chưa được ứng dụng và triển khai trong thực tế ở quy mô lớn Một số thành tựu đạt được trong xử lý chất thải rắn / chất thải plastic sinh hoạt tại Việt Nam được tóm tắt dưới đây:

- Quy trình xử lý rác thải sinh hoạt Seraphin của Công ty cổ phần Công nghệ Môi trường Xanh Công nghệ này hiện chủ yếu dùng rác thải hữu cơ để để sản xuất

1.3 Nhiên liệu rắn

Từ các thành phần có thể đốt được trong chất thải sinh hoạt : giấy, plastic, gỗ, vải, có nhiều phương pháp để làm ra nhiên liệu rắn (refuse derived fuel – RDF) Ví dụ có thể nén giấy thải trong rác thải sinh hoạt tại áp suất rất cao thành một bánh nhiên liệu rắn

tỷ trọng lớn [14] Nói chung để sản xuất được nhiên liệu rắn từ các nguồn chất thải kể trên, về nguyên tắc, cần phải thực hiện một quá trình nén ép làm giảm thể tích của chất thải, qua đó đạt được hiệu quả trong vận chuyển Bên cạnh đó, RDF chứa năng lượng trong một đơn vị thể tích cao hơn so với chất thải bình thường [15]

Phương pháp phổ biến nhất là ép thành viên tại nhiệt độ cao với hàm lượng ẩm được khống chế nghiêm ngặt Sản phẩm thu được bằng phương pháp này có khối lượng riêng trong khoảng 0.4 – 0.7g/cm3 Một phương pháp đang được quan tâm nghiên cứu

là đùn ép với thiết bị đùn piston Nói chung hạn chế của các phương pháp này là chỉ thực hiện được với chế độ sản xuất theo mẻ và áp suất cần thiết khá cao, có thể lên tới

100 MPa Ngoài ra, nếu áp lực không đủ thì chất thải dễ bị rời ra, còn nếu áp suất nén quá cao thì sản phẩm thu được rất khó cháy

Nhiên liệu rắn RDF có thể được vận chuyển và tồn trữ dễ dàng và có thể được đốt trực tiếp hoặc đốt cùng than trong các nhà máy nhiệt điện, cung cấp nhiệt cho lò hơi hoặc

sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp khác Việc sử dụng RDF được coi như có lợi

về kinh tế và có ảnh hưởng tốt đến môi trường và RDF được coi là một dạng nhiên liệu thay thế có nhiều ưu điểm và triển vọng do giá thành sản xuất RDF thấp và nhiệt trị cao Chú ý rằng RDF có thể được sản xuất từ gỗ, giấy là những nguồn sinh khối, do

đó sử dụng RDF sẽ góp phần làm giảm phát thải CO2 RDF cúng giúp giảm diện tích đất chôn lấp rác Cuối cùng sử dụng RDF giúp tiết kiệm sử dụng các nguồn nhiên liệu không tái tạo được [16]

1.4 Kỹ thuật đùn ép

Khái niệm

Đùn ép (extrusion) là phương pháp gia công plastic (PE, PP, PVC, PS, PET, …) phổ biến nhất Đây là một kỹ thuật gia công đơn giản và có chi phí thấp Ngoài plastic, các vật liệu dạng bột nhão (paste) hoặc hỗn hợp nguyên liệu với chất kết dính khác cũng được gia công tạo hình bằng phương pháp đùn ép Trong thiết bị đùn ép, nguyên liệu được vận chuyển từ hopper nạp liệu vào một xi lanh, sau đó được làm nóng chảy bằng

hệ thống gia nhiệt ngoài (nếu là dạng bột nhão hoặc hỗn hợp có chất kết dính thì không cần làm nóng chảy), và được dồn đẩy về phía đầu tạo hình nhờ chuyển động của vít đùn Trong quá trình này, vít đùn sẽ nén, làm nóng cháy, đồng nhất hoá và trong một số trường hợp nghiền nhỏ nguyên liệu Đầu tạo hình đặt ở phía cuối của xilanh và có nhiệm vụ tạo thành những hình dạng mong muốn cho sản phẩm của quá

22

trình đùn ép Bằng cách thay đổi đầu tạo

Cấu tạo đơn giản của thiết bị đùn ép có gia nhiệt được mô tả trong Hình 1.15

Hình 1 15 Cấu tạo đơn giản của máy đùn ép

Đặc điểm [17]

Về bản chất, quá trình đùn ép được thực hiện một cách liên tục, đây chính là ưu điểm quan trọng nhất của kỹ thuật đùn ép so với các kỹ thuật gia công khác Với đặc điểm này, năng suất của một thiết bị đùn ép có thể lên đến 30 tấn/h Áp lực nén trong thiết bị đùn ép plastic thông dụng vào khoảng 10 – 100 atm

Bộ phận quan trọng nhất trong thiết bị đùn ép là vít đùn Đặc trưng của vít đùn là kích thước và profile của vít đùn Đường kính (D) vít đùn trong thiết bị đùn ép thường trong khoảng 10 – 600 mm và chiều dài (L) thường được chọn sao cho tỷ lệ L/D trong khoảng từ 6 – 48 Đối với hầu hết các thiết bị đùn ép một trục vít, tỷ lệ L/D nằm trong khoảng 24 – 36 Vít đùn được chia thành 3 vùng như sau:

- Vùng nạp liệu (feed zone)

, mang tính chất chuyển động khối Để hạt vật

- Vùng nóng chảy / Vùng nén (transition/compression zone): vật liệu ở trạng thái hỗn hợp rắn và lỏng, chuyển động của hạt v

, bề dày khối rắn tăng dần khi khối vật liệu tiến về phía trước

- Vùng định lượng (metering zone): vật liệu ở trạng thái chảy nhớt, chuyển động của vật liệu là dạng chuyển động ma sát nhớt

Một số loại vít đùn thông dụng được trình bày trong Hình 1.16

Cấu trúc và profile của vít đùn có ảnh hưởng quan trọng đến quá trình nén ép, nóng chảy và đồng nhất hoá nguyên liệu Các thông số quan trọng trong cấu trúc vít đùn, được diễn tả trong Hình 1.17, bao gồm:

23

- Bước vít (Pitch): khoảng cánh giữa hai gân vít liên tiếp

- Chiều rộng rãnh (Channel Width): khoảng cách giữa 2 cánh vít liên tiếp (không

Phân loại máy đùn

Có nhiều cách phân loại máy đùn, tuy nhiên đơn giản nhất là phân loại

đùng hoạt động trong thiết bị Hình 1.18 mô tả sơ lược các loại máy đùn một trục vít

và hai trục vít

:

- Là loại máy dùng phổ biến trong công nghiệp polymer, loại máy này thiết kế đơn giản, chi phí thấp, năng suất cao

24

:

- Loại 2 trục, cùng chiều: Hai trục đặt cạnh nhau, quay cùng chiều với nhau (Co-rotating twin screw extrunder) Dùng ở tốc độ cao 200 – 500 vòng/phút (rpm) Các loại thiết bị mới có thể đạt tốc độ 1000 - 1600 rpm

- Loại hai trục ngược chiều (counter-rotating twin screw extrunder): tốc độ làm việc phụ thuộc vào ứng dụng Sử dụng chủ yếu để phối trộn (compounding), chạy ở tốc độ 200-500 rpm Loại tốc độ thấp hay sử dụng hơn, 10 – 40 rpm

Hình 1 17 Cấu trúc vít đùn và các thông số thiết kế

Hình 1 18 Máy đùn (a) một trục vít; (b) hai trục vít quay cùng chiều; và (c) hai trục vít quay ngược chiều

25

Loại hai trục vít quay ngược chiều có đặc tính vận chuyển tốt hơn so với loại cùng chiều Thông thường, các trục vít xen vào nhau Hai trục vít không xen kẽ nhau có ưu điểm là không có tiếp xúc giữa kim loại-kim loại Tỷ số L/D đạt đến 100:1 hay cao hơn L/D của trục vít xen kẽ nhau thường nhỏ hơn 60:1 Một nhược điểm của loại hai trục không ăn khớp nhau là khả năng trộn bị hạn chế

Mô tả chi tiết của máy đùn một trục vít được trình bày trong Phụ lục A của báo cáo

mà các quá trình tái chế chủ yếu được thực hiện thô sơ, thủ công, công nghệ lạc hậu, nên hiệu quả kinh tế không cao, các quá trình tái chế hóa học tuy tạo thành các sản phẩm có giá trị kinh tế, nhưng thực tế vẫn chưa được ứng dụng do công nghệ phức tạp

và tốn kém

Vì vậy, việc sản xuất nhiên liệu rắn từ vỏ trấu và plastic sẽ là một giải pháp khả thi, do

có công nghệ đơn giản, chi phí đầu tư thấp, vỏ trấu và plastic lại là hai nguồn nguyên liệu rẻ tiền và sẵn có tại Việt Nam, đồng thời cũng giải quyết được vấn đề môi trường phát sinh từ vỏ trấu và plastic phế thải Sản phẩm nhiên liệu rắn thu được có những ưu điểm như:

- So với vỏ trấu: sản phẩm có khối lượng riêng đổ đống lớn hơn, nhiệt trị cao hơn, nên dễ vận chuyển với chi phí thấp hơn

- So với chất thải plastic thì: sản phẩm dễ cháy hoàn toàn hơn, khí thải sinh ra ít ô nhiễm hơn

Những cơ sở để nhóm nghiên cứu chọn lựa kỹ thuật đùn ép có gia nhiệt hỗn hợp nguyên liệu bao gồm chất thải plastic và vỏ trấu tạo thành nhiên liệu rắn có thể được giải thích như sau:

- Kỹ thuật đùn ép có thể được thực hiện liên tục với năng suất cao Ở quy mô công nghiệp có thể chế tạo những thiết bị đùn ép với năng suất 5 – 10 tấn nguyên liệu/h (sử dụng vít đùn có đường kính 150 – 250 mm)

- Kỹ thuật đùn ép nói chung là đơn giản và có chi phí thấp Thiết bị đùn ép sử dụng

mô tơ điện với hộp số rất phổ biến và dễ chế tạo, lắp đặt trong điều kiện của Việt Nam

- Với chất thải plastic đóng vai trò chất kết dính và bôi trơn, ưu điểm đạt được là (i) thiết bị đùn ép – cụ thể là vít đùn – có tuổi thọ khá cao so với thiết bị ép trấu thành củi trấu đã nêu trong Mục 1.1, do ít bị mài mòn hơn; việc bảo trì, bảo dưỡng đơn giản, dễ dàng và không cần thực hiện quá thường xuyên như đối với thiết bị ép trấu thành củi trấu nêu trên; và (ii) năng suất đạt được cao hơn nhiều so với thiết bị ép trấu thành củi trấu

- Hình dạng và tính chất sản phẩm nhiên liệu rắn có thể được điều khiển, biến đổi một cách đa dạng theo mong muốn thông qua thiết kế phù hợp của vít đùn và đầu tạo hình của thiết bị

Kết quả đo TGA (thiết bị của Khoa Công Nghệ Vật Liệu Trường Đại Học Bách Khoa

TP Hồ Chí Minh) và nhiệt trị (Trung tâm 3) cho thấy hàm lượng ẩm của vỏ trấu là 6,08%kl; hàm lượng tro là 23,39%kl, nhiệt trị của vỏ trấu là 14,49 MJ/kg (khoảng

3470 kcal/kg - xem phục lục B đính kèm) Khối lượng riêng đổ đống của vỏ trấu được xác định bằng cách cân khối lượng của 2 lít trấu (trong một becher 2lít) Bảng 2.1 tóm tắt một số tính chất tổng quát của vỏ trấu sử dụng trong đề tài

Hình 2 1 Nguyên liệu vỏ trấu

Bảng 2 1 Tính chất tổng quát của vỏ trấu

Hàm lượng ẩm (%kl) 6,08 Hàm lượng tro (%kl) 23,39 Nhiệt trị (MJ/kg – kcal/kg) 14,49 - 3470 Khối lượng riêng đổ đống (kg/m3