Xử lý CTR bằng phương pháp nhiệt

Quá trình cháy và các sản phẩm cháy tạo thành liên quan chặt chẽ tới thành phần, bảnchất của chất thải được đốt, nhiên liệu sử dụng, điều kiện đốt: hệ số dư không khí oxy,nhiệt độ đốt, đ

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH.

Hình II-1:ảnh hưỡng của không khí dư tới nhiệt độ của buồng đốt

Hình II-2: Biểu đồ mối quan hệ giữa hệ số cấp khí và nhiệt độ buồng đốt

Hình II-3: Lò đốt một cấp

Hình II-4: Lò đốt nhiều buồng

Hình II-5: Lò đốt nhiệt phân tĩnh

Hình II-6: cấu tạo lò đốt thùng quay

Hình II-7: Lò đốt tầng sôi

Hình II-8: Lò đốt Plasma xử lý rác thải nguy hại

Hình II-9: Lò đốt rác thải sinh hoạt

Hình III-1: lò đốt rác thải y tế

Hình III-2: hình ảnh lò đốt

Hình III-3: Sơ đồ công nghệ cacbon hóa

Hình III-4: lò đốt, nguyên liệu, sản phẩm cacbon hóa

Hình III-5: Sơ đồ công nghệ đốt tiêu hủy chất thải bằng lò đốt hai cấp

Hình III-6: Sơ đồ khối công nghệ đốt tiêu hủy chất thải bằng lò đốt hai cấp

Hình III-7: Thiết bị xử lý CTRYT bằng lò vi sóng cỡ nhỏ

Hình III-8: Sơ đồ công nghệ plasma PGM

Hình IV-1: thiết bị khử trùng autolave

Hình IV-2: thiết bị xử lý chất thải nguy hại (hóa rắn)

Hình IV-3: bãi chôn lấp chất thải rắn

DANH MỤC BẢNG.

Bảng II-1: Nhiệt trị mốt số thành phần của CTR được

Bảng III-1: QCVN 19÷2009/BTNMT quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải công nghiệp đối với bụi và các chất vô cơ

Bảng IV-1 : Thành phần nguy hại trong chất thải y tế

Bảng IV-2: Hệ số tiêu hao không khí

Bảng IV-3: Thành phần nhiên liệu dầu DO theo lượng mol

Bảng IV-4: Lượng không khí cần thiết để đốt 100 kg dầu DO

Bảng IV-5: Thành phần và lượng sản phẩm cháy khi đốt 100 kg dầu DO

Bảng IV-6 : Thành phần rác y tế chuyển thành lượng mol

Bảng IV-7 : lượng không khí cần thiết để đốt 100 kg rác

Bảng IV-8: Thành phần và lượng sản phẩm cháy khi đốt 100 kg rác

Bảng IV-9 : Các đặc tính của béc phun thấp áp và cao áp

Bảng IV-10: Thành phần và lưu lượng dòng vào buồng đốt thứ cấp

Bảng IV-11: Thành phần và lưu lượng sản phẩm cháy khi đốt dầu ở buồng thứ cấp.Bảng IV-12: Thành phần và lưu lượng khí thải ra khỏi lò đốt

Bảng IV-13: Thành phần, lưu lượng và nồng độ các chất trong khói thải

Bảng IV-14: Nồng độ chất ô nhiễm trước khi xử lý

Bảng IV-15: Các thông số của đáy

Bảng IV-16 : Thông số đo các bích

Bảng IV-17 : Các thông số về chân đỡ

Bảng IV-18 : Các thông số về tai treo

Bảng IV-19 : hiệu suất của một số loại bơm

Bảng IV-20 : hệ số dự trữ của bơm

DANH MỤC VIẾT TẮC.

CTR: chất thải rắn

CTRYT: chất thải rắn y tế

DO: diezel oil

FO: fuel oil

CTRNH: chất thải rắn nguy hại

THC: hydrocacbon cao phân tử

CTNH: chất thải nguy hại

Plasma PGM: Plasma Programme

CTL: chất thải lỏng

Syngas: Thành khí tổng hợp như khí nhiên liệu – fuel gas

AMEC: Công ty tư vấn du học và đào tạo Âu Mỹ

CTYT: chất thải y tế

PHẦN I: MỞ ĐẦU.

Lượng rác thải ra trong quá trình sản xuất và phát triển rất lớn sẽ làm môitrường bị ô nhiễm và tiềm ẩn nguy cơ gây hại đối với sức khỏe con người cũngnhư các hệ sinh thái

Trong vài thập niên gần đây,cùng với việc phát triển kinh tế xã hội, thảilượng chất thải rắn tăng lên đang trở thành 1 trong những vấn đề bức xúc của tất

cả các nước trên thế giới.Theo thống kê năm 2003-2004 của Bộ Môi trường,Nôngnghiệp và Thực phẩm Anh (DEFRA),tổng khối lượng CTR rắn hằng năm tại nướcnày khoảng 434 triệu tấn,khối lượng chất thải rắn tại 15 nước thuộc cộng đồngchâu Âu khoảng 2 tỉ tấn/năm Tại Mỹ, tổng lượng chất rắn trên cả nước năm 1996khoảng trên 3tỉ tấn/ năm.Tại Việt Nam,theo thống kê của công ty Môi trường đôthị TP Hồ Chí Minh,khối lượng chất thải sinh hoạt chiếm khoảng 6000tấn/ngày,tương đương với 2 triệu tấn/ năm

Cơ cấu loại CTR trong hoạt động của nền kinh tế của các quốc gia công nghiệp pháttriển khá đồng nhất,có thành phần như trong hình 1.1 sau

Hình 1.1 cho thấy lượng chất thải nông nghiệp, xây dựng chiếm tỷ lệ rất lớn, CTRsinh hoạt chiếm 6% tổng lượng chất thải hàng năm của các quốc gia công nghiệp pháttriển Trong khi đó,tại Việt Nam tỉ lệ chất thải sinh hoạt khá lớn do chúng bao gồm cảchất thải từ các quá trình khác.

Theo thống kê của DEFRA(Anh),Eurostat(Cộng đồng Châu Âu),EPA(Mỹ),tại liệuthống kê của ngân hàng thế giới đối với các quốc gia Đông Nam Á , thành phần CTRsinh hoạt nhìn chung bao gồm: giấy hỗn hợp, chất thải thực phẩm, vải sợi, cao sunhựa, kim loại, thủy tinh, gỗ, rác vườn(chỉ có ở các nước Châu Âu, Mỹ), các chất cónguồn gốc hữu cơ và một vài loại CTR khác Tỉ lệ thành phần các loại vật liệu rắntrong CTR sinh hoạt được trình bày trong bảng sau:

Eurostat

2004

EPA2003

World Bank(1999)Thu

nhậpcao

Thunhậptrungbình

Thunhậpthấp

lý khác nhau nhằm đảm bảo tận dụng được các loại rác có thể tái sử dụng, tái chế,đồng thời triệt để các chất thải nguy hại.Ngày nay, ngành công nhiệp phân loại, táichế và tái sử dụng chất thải trước khi tiêu hủy đã trở nên phổ biến không chỉ ở cácnước phát triển mà còn ở các nước đang phát triển, trong đó có Việt Nam Phầnvật liệu sau khi xử lý, tiêu hủy được xem là 1 loại CTR của ngành công nghiệp táichế chất thải Nguyên liệu đầu vào là chất thải rắn của các ngành sản xuất côngnghiệp và sinh hoạt đô thị Phần chất rắn còn lại sau khi phân tách được xem làchất thải của chất thải, do đó nhất thiết phải có biện pháp xử lý thích hợp bằngphương pháp chôn lấp hoặc thiêu đốt kết hợp phát điện.Sơ đồ quy trình tổng thể

xử lý CTR được thể hiện trong hình sau

Xử lý rác thải hiện nay đang được sử dụng để giảm việc chôn lấp và giảm chi phí đốt rác nhờ lò đốt, nhưng lại có hạn chế là gánh nặng về chi phí để tái xử lý rác thải như các chất có hại và tro phát sinh trong quá trình đốt Ứng dụng công nghệ nhiệt để xử lý CTR đang ngày càng được áp dụng rộng rãi trên thế giới tuy nhiên, ở nước ta công nghệ này vẫn còn khá mới mẻ Trong những năm gần đây,nhiều đơn vị đã chế tạo lò đốt để xử lý CTR nhưng do thiếu cơ sở khoa học khi tính toán nên hiệu quả xử lý chưa cao, còn gây ô nhiễm thứ cấp Vì vậy đề tài này của chúng tôi chú trọng vào việc tìm hiểu các phương pháp nhiệt để xử lý CTR và từ đó xây dựng một lò đốt để xử lý CTRYT.

PHẦN II: GIỚI THIỆU

1. Lý thuyết cháy (đốt)

• Lửa:

Quá trình oxy hóa nhanh chóng của một vật liệu trong phản ứng hóa học tỏa nhiệt,giải phóng ra nhiệt, ánh sáng, và các sản phẩm phản ứng khác.Các quá trình ôxy hóachậm hơn không được bao gồm trong định nghĩa này

Ngọn lửa là một phần biểu hiện thấy được (phát ra ánh sáng) của sự cháy Nó tạo

ra từ các phản ứng hóa học có sự tỏa nhiệt cao (cháy, phản ứng oxy hóa tự duy trì)diễn ra trong môi trường hẹp Ngọn lửa là một trạng thái tồn tại của vật chất và đượcxếp như một loại khí plasma - bị ion hóa một phần

Quá trình hóa học của sự cháy có kèm theo sự biến đổi lý học như chất rắn cháythành chất lỏng, chất lỏng cháy bị bay hơi

Quá trình cháy là một tổ hợp các quá trình vật lý và hóa học, trong đó có thể chia làmhai loại là cháy động học và cháy khuếch tán Trong trường hợp thứ nhất quá trình cháy

bị giới hạn bởi vận tốc phản ứng hóa học, còn trong trường hợp thứ hai bởi quá trình vật

lý đảm bảo sự tiếp xúc của các thành phần nhiên liệu và oxy

Người ta phân biệt hai phương pháp đốt nhiên liệu khác nhau về nguyên lý:

- Đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu – không khí pha trộn trước (cháy động học)

- Đốt cháy trong quá trình hỗn hợp nhiên liệu không khí(cháy khuếch tán)

• Diễn biến quá trình cháy: Quá trình cháy của vật rắn, lỏng, khí đều gồm các giaiđoạn sau: Oxy hóa, tự bốc cháy, cháy

• Điều kiện để phát sinh ra cháy: là phải có chất cháy, có oxy, có nhiệt độ cần thiết

2. Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp nhiệt

2.1 Định nghĩa xử lý CTR bằng phương pháp nhiệt:

Xử lý CTR bằng phương pháp nhiệt là quá trình sử dụng nhiệt để chuyển hóa chất thải từdạng rắn sang dạng khí, lỏng và tro… đồng thời giải phóng năng lượng dạng nhiệt

2.2.Phân loại hệ thống xử lý CTR bằng phương pháp nhiệt:

Các hệ thống xử lý CTR bằng nhiệt được phân loại dựa trên nhu cầu sử dụng khôngkhí bao gồm:

- Quá trình đốt được thực hiện với lượng oxy không khí cần thiết vừa đủ để đốtcháy hoàn toàn CTR gọi là quá trình đốt hóa học

- Quá trình đốt được thực hiện với dư lượng không khí cần thiết được gọi là quátrình đốt dư khí

- Quá trình đốt không hoàn toàn CTR dưới điều kiện thiếu không khí và tạo racác khí cháy như cacbon monoxide (CO), hydrogen (H2) và các khíhydrocacbon gọi là quá trình khí hóa

- Quá trình xử lý CTR bằng phương pháp nhiệt trong điều kiện hoàn toàn không

có oxy gọi là quá trình nhiệt phân

Như vậy, xử lý CTR và CTRNH (chất thải y tế, thuốc bảo vệ thực vật, chất thảinhiễm dầu) bằng phương pháp đốt là một phương pháp hiệu quả và hiện nay được sửdụng khá phổ biến

2 3 Phân loại các phương pháp nhiệt

2 3 1 Nhiệt phân

Nhiệt phân là quá trình phân hủy hay biến đổi hóa học CTR ở nhiệt độ cao Bản chất củacông nghệ nhiệt phân là quá trình phân hủy hợp chất có nguồn gốc hữu cơ xảy ra ở điềukiện nhiệt độ phù hợp, có chất xúc tác hoặc không, áp suất thấp, trong môi trường không

có ôxy hoặc thiếu ôxy tạo thành than bán cốc (nhiệt trịtương đương than cám 3), dầunhiệt phân (nhiệt trịtương đương dầu FO) và khí đốt (khí tổng hợp) Phản ứng quantrọng nhất trong quá trình nhiệt phân là bẻ gãy mạch liên kết C-C, chúng tạo thành nhữnggốc tự do và có đặc tính chuỗi, nhiệt độ càng tăng thì sự cắt mạch càng sâu

Sản phẩm của quá trình nhiệt phân CTR thu được các chất ở dạng khí, lỏng và rắn Ởnhiệt độ cao, các sản phẩm dạng lỏng một mặt bị hóa hơi và mặt khác tiếp tục bị nhiệtphân cắt mạch tạo thành các sản phẩm đơn giản hơn Chất rắn hay sản phẩm cốc hóa thuđược là do sự phân hóa Hydrocacbon đến cacbon tự do

Quá trình nhiệt phân là quá trình thu nhiệt và tốc độ nhiệt phân phục thuộc vào nhiệt độ,thành phần, cấu trúc chất thải và chế độ cấp khí

Với công nghệ đốt nhiệt phân, nhiệt trị của CTR không phải là yếu tố quan trọng mànhiệt hóa học có vai trò quan trọng hơn Khi nhiệt phân, chất thải sinh ra khí gas mà khígas này sẽ cháy sinh ra nhiệt

2 3 1 1 Phản ứng nhiệt phân

Phản ứng nhiệt phân chất thải rắn được mô tả một cách tổng quát như sau:

Chất thải → các chất bay hơi hay khí gas + cặn

Chất thải đem nhiệt phân tạo thành chất bay hơi (khí gas) với cặn rác

Khí gas bao gồm: CxHy, H2, COx, NOx, SOx và hơi nước

Cặn rắn gồm: Cacbon cố định, tro

Quá trình nhiệt phân thuần túy ( hoàn toàn không có oxy) đòi hỏi phải có sự cấp nhiệtcho hệ phản ứng

 Nhiệt độ bắt đầu quá trình nhiệt phân của một số chất: than non từ 300-400oC, gỗ từ

224 -325 oC, lignin từ 300-500 oC Nhiệt độ bắt đầu cháy khí gas từ 400-600 oC Khi V(lượng không khí cấp tức thời) < V0 (lượng không khí đủ) – vùng thiếu khí, thì nhiệt độtăng khi lưu lượng không khí tăng

 khi V > V0(vùng khí dư) thì nhiệt độ sẽ giảm khi lưu lượng không khí cấp vào lòtăng

2 3 1 2 Yếu tố nhiệt độ trong quá trình nhiệt phân

Từ thực ngiệm nhận thấy rằng: chất thải có thành phần nhựa và cao su thì nhiệt phânmạnh ở nhiệt độ dưới 500oC

Chất thải ngành dày da và ngành dầu khí có thành phần chất hữu cơ khó phân hủynên nhiệt độ nhiệt phân của các chất này cao hơn khoảng 600-650oC

=> Nguyên tắc chọn nhiệt độ nhiệt phân =T+100oC, trong đó T là nhiệt độ phân hủycủa một chất

2 3 1 3 Yếu tố độ ẩm trong quá trình nhiệt phân

Chất thải được đem đốt nên có độ ẩm W ≤ 30%

- Độ ẩm < 20% thì nhiệt độ buồng đốt đặt là: nhiệt độ rác khô bắt đầu nhiệt phânmạnh + 50oC

- Độ ẩm 20-30% thì nhiệt độ buồng đốt đặt là: nhiệt độ rác khô bắt đầu nhiệt phânmạnh + 75oC

- Độ ẩm từ 35%-50% thì nhiệt độ buồng đốt đặt là: nhiệt độ rác khô bắt đầu nhiệtphân mạnh + 100oC

 Khi độ ẩm cao thì thời gian nhiệt phân thường kéo dài, năng suất đốt sẽ giảm

2 3 2 Thiêu đốt.(đốt đống)

2 3 2 1 Nguyên lý quá trình thiêu đốt

Đốt là quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao bằng oxy có trong không khí Bằng cách đốtCTR có thể làm giảm thể tích của nó đến 80-90% Nhiệt độ đốt phải cao hơn 850OC.Sản phẩm cuối cùng là tro, CO2, nước…

Quá trình đốt thực chất là phản ứng oxy hóa khử trong đó phản ứng giữa chất đốt(chất thải dạng hữu cơ) với oxy trong không khí ở nhiệt độ cao

Phản ứng xảy ra như sau:

Chất thải + không khí  Sản phẩm cháy + Q (nhiệt)

Sản phẩm cháy: Bụi, CO, CO2, NOX, SOX, THC, HCl, HF, Đioxins/Furans

2 3 2 2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy

Quá trình cháy và các sản phẩm cháy tạo thành liên quan chặt chẽ tới thành phần, bảnchất của chất thải được đốt, nhiên liệu sử dụng, điều kiện đốt: hệ số dư không khí (oxy),nhiệt độ đốt, độ tiếp xúc và thời gian tiếp xúc giữa nhiên liệu với oxy…

Quá trình cháy CTR bao gồm 4 giai đoạn cơ bản sau:

- Quá trình sấy khô (bốc hơi nước)

- Quá trình phân hủy nhiệt CTR (hình thành khí gas)

- Quá trình phối trộn khí gas hoặc nhiên liệu với không khí và sự mồi lửa

- Quá trình cháy ở dạng khí

□ Các nguyên tắc cơ bản của quá trình đốt cháy là áp dụng nguyên tắc 3T:

• Temperature (nhiệt độ): nhiệt độ của không khí trước khi đưa vào lò và nhiệt độcủa buồng đốt đủ cao để phản ứng xảy ra nhanh, cháy hoàn toàn

Nhiệt độ không đủ cao phản ứng sẽ không hoàn toàn xảy ra và sản phẩm khí thải có khóiđen và các chất ô nhiễm không khí như CO, hydrocacbon (THC) cao Điều này xảy ra

do kích thước buồng đốt quá nhỏ hoặc lượng không khí cấp vào dư, làm nguội buồngđốt

• Turbulence (xáo trộn): để tăng hiệu quả tiếp xúc giữa chất cháy và chất oxy hóa,

có thể đặt các tấm ngăn trong buồng đốt hoặc tại các van đổi chiều dòng khí đểtăng khả năng xáo trộn Độ xáo trộn có thể đánh giá thông qua yếu tố xáo trộn

F=100%[lượng không khí thực tế]/[lượng không khí lý thuyết]

Trong đó: F là yếu tố xáo trộn, F càng lớn, hiệu quả xử lý càng cao

• Time (thời gian): thời gian tiếp xúc đủ để phản ứng oxy hóa khử xảy ra hoàn toànbằng cách đốt vách ngăn nhằm tăng thời gian tiếp xúc hoặc kích thước buồng đủlớn Thời gian lưu cần thiết đảm bảo đốt cháy hoàn toàn của mỗi chất phụ thuộcvào bản chất của chất bị đốt và nhiệt độ đốt

khi đốt CTNH, để hạn chế quá trình sinh ra Dioxin/Furan, thì nhiệt độ buồng đốtthứ cấp cần cao trên 1100oC và thời gian lưu cháy tối thiểu là 2 giây

Các nguyên tắc trên liên hệ khăng khít với nhau, khi nhiệt độ phản ứng cao, xáotrộn tốt thì thời gian phản ứng giảm vẫn đảm bảo hiệu quả cháy cao

Vd: xử lý những chất thải có thành phần xenlulose cao như giấy … khi đốt chỉ cầnduy trì nhiệt độ 760oC, thời gian cháy tối thiểu là 0,5 giây

□ Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình cháy

Chất thải + O2 CO2 + H2O + NO + SO2 + nhiệt

Từ phương trình phản ứng cho thấy nếu phản ứng đốt cháy chất hữu cơ xảy rahoàn toàn thì sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O Ngoài ra sự có mặt của các tạpchất khác như N, S sẽ phát sinh ra các khí axit như NOx, SOx

Ngoài các yếu tố nhiệt độ, thời gian lưu cháy, độ xáo trộn quyết định hiệu quảcháy, còn có các yếu tố khác cũng ảnh hưởng tới quá trình cháy như sau:

a thành phần và tính chất của chất thải

thành phần cơ bản của chất thải: C + H + O + N + S + A + W =100%

trong đó C, H, O, N, S, A, W là thành phần trăm theo trọng lượng của các nguyên

tố cacbon, hydro, oxy, nito, lưu huỳnh, tro và độ ẩm trong chất thải

thành phần hóa học của chất thải có ảnh hưởng tới quá trình nhiệt phân và thiêuđốt Dựa vào thành phần hóa học của chất thải để tính được nhiệt trị của chất thải

và tính toán lượng oxy cần thiết để đốt cháy hoàn toàn chất thải cũng như lượng

khí thải hình thành, yếu tố này liên quan tới việc tính toán thời gian lưu cháy hoặcthể tích lò khi đốt chất thải

 Cacbon (C) là thành phần cháy chủ yếu trong chất thải nhiệt trị của cacbon là

8000 Kcal/kg Nhiên liệu rắn chứa nhiều cacbon hơn nhiên liệu lỏng và khí,nhưng thành phần chất trợ cháy ít hơn Chất thải có thành phần cacbon càng caothì sản phẩm cháy CO2 càng nhiều

 Hydro là thành phần thứ hai của chất thải Nhiệt thị thấp của hydro lớn gấp bốnlần than Hàm lượng hydro càng nhiều chất thải càng dễ bắt lửa Chất thải dạnglỏng và khí có nhiều hydro hơn chất thải rắn

 Lưu huỳnh cũng là thành phần cháy nhưng tỏa nhiệt ít Sản phẩm cháy của lưuhuỳnh tạo thành khí SOx, gặp hơi nước có khả năng tạo thành axit gây ăn mònthiết bị Khí SOx là dạng khí độc, lưu huỳnh là nguyên tố không mong muốntrong quá trình đốt

 Oxy và nito là chất vô ích Nó làm giảm thành phần cháy của chất thải

 Độ tro là yếu tố tiêu cực cho đốt chất thải Độ tro càng cao, thành phần chấtcháy càng giảm, gây đông kết ở trung tâm buồng đốt và đáy lò Tro dễ phủ lên bềmặt tiếp nhiệt của buồng đốt làm giảm hiệu quả đốt

 Muối vô cơ: trong một số hệ thống đốt thông thường, nếu chất thải giàu muối vô

cơ, muối kiềm sẽ gây khó khăn cho quá trình đốt Từng lượng nhỏ muối sẽ thănghoa, sau đó tập trung trên bề mặt lò tạo nên một lớp xỉ hoặc đóng bánh làm giảmkhả năng đốt của lò

Hệ số cấp khí được biểu hiện bằng công thức sau:

Trong đó: Vtt là lượng không khí (oxy) được cấp vào buồng đốt

Vlt là lượng không khí lý thuyết (oxy) để oxy hóa hoàn toàn chấtthải

Sự ảnh hưởng của không khí dư tới nhiệt độ của buồng đốt được biểu diễn như đồ thị sau:

nguồn:[1/14]hình II-1:ảnh hưỡng của không khí dư tới nhiệt độ của buồng đốt

Hình II-2: Biểu đồ mối quan hệ giữa hệ số cấp khí và nhiệt độ buồng đốt

Ảnh hường của không khí dư tới nhiệt độ buồng đốt (nguồn:[1/14])

Giá trị tăng hay giảm có liên quan tới sự tăng hay giảm nhiệt độ của lò đốt Khi hệ sốcấp khí tăng (trong vùng <1, thiếu khí) sự có mặt của oxy đã gây ra phản ứng cháy, tỏanhiệt và làm tăng nhiệt độ

Để đảm bảo đốt triệt để chất thải rắn thì cần cấp dư khí, vì oxy cấp vào cho sự cháy làoxy không khí, trong đó có lẫn thành phần nito, khi ở nhiệt độ cao sẽ xảy ra phản ứnggiữa oxy và nito Do đó, thường tiến hành đốt ở chế độ cấp dư khí, nhưng nếu đưakhông khí lạnh vào trong lò nhiều sẽ làm nguội lò, nhiệt độ giảm, gây tổn thất nhiệt, các

lò đốt hiện nay thường cấp dư khí trong khoảng 1,04 -21,1

- Khi đốt thiếu khí, nhiệt độ đốt cao nhưng quá trình cháy diễn ra không hoàn toàn,còn khi đốt dư khí thì quá trình đốt diễn ra hoàn toàn nhưng nhiệt độ buồng đốt thấp.Dựa vào đặc tính này nên công nghệ đốt nhiệt phân áp dụng đốt thiếu khí cho buồngđốt sơ cấp và đốt dư khí cho buồng đốt thứ cấp

- Mỗi loại chất thải có nhiệt trị khác nhau và lượng không khí lý thuyết cung cấp choquá trình cháy cũng khác nhau Hệ số dư không khí cho phép tính thể tích sản phẩmcháy và thể tích buồng đốt

◦ đốt vừa đủ khí:

Lượng không khí cần thiết cho quá trình đốt CTR được tính toàn dựa trên các phươngtrình phản ứng giữa thành phần cacbon, hydro và lưu huỳnh trong phần hữu cơ của CTR

đô thị với oxy không khí như sau:

đó, điều chỉnh lương không khí dư cung cấp là một phương pháp để kiểm soát nhiệt độcủa lò đốt

Nhiệt độ có ảnh hưởng đến sự xuất hiện của các khí gây mùi trong thành phần của khói

lò Khi tlò < 787oC các khí gây mùi có trong thành phần của khói lò, nhưng khi tlò >

982oC thì sự phát sinh các khí gây mùi như dioxin, furan, các chất hữu cơ bay hơi và cácchất độc tiềm tang là thấp nhất

c nhiệt trị

Nhiệt trị của chất thải rắn là lượng nhiệt sinh ra khi đốt hoàn toàn một đơn vị khối lượngCTR (Kcal/kg) Nhiệt trị của CTR cần được quan tâm khi ứng dụng công nghệ đốt chấtthải nhằm tận dụng năng lượng hoặc đốt kèm với nhiên liệu trong các công nghệ khácnhư đốt nồi hơi, nung clinker…nhiệt trị có liên quan đến quá trình sinh nhiệt khi cháy Nhiệt trị thấp của nhiên liệu rắn, lỏng tính theo công thức của medeleep:

Q(kcal/kg) = 81C + 300H -26(O – S) – 6(9A + W)

(vì thành phần của clo, flo, nito thấp nên được bỏ qua trong quá trình tính toán)

Nếu CTR có nhiệt trị không đáng kể thì đốt không phài là giải pháp xử lý thích hợp

Nếu CTR có nhiệt trị thấp hơn 556 kcal/kg thì không có khả năng đốt Tuy nhiên cónhững trường hợp ngoại lệ:

Bảng II-1: Nhiệt trị mốt số thành phần của CTR được cho trong bảng sau:

2 3 3 Khí hóa

Khí hóa có thể định nghĩa phổ biến như là sự chuyển đổi nhiệt hóa của cacbon rắnhoặc lỏng trong sản phẩm khí dễ cháy bằng việc cung cấp 1 tác nhân khí hóa (sự kết hợpcác khí khác)

Quá trình khí hóa là quá trình đốt các loại vật liệu trong điều kiện thiếu oxy gồm cócác quá trình khí hóa trực tiếp và khí hóa gián tiếp

• Quá trình khí hóa trực tiếp xảy ra khi chất xúc tác oxy hóa được sử dụng làm oxyhóa từng thành phần các chất tham gia Phản ứng oxy hóa cung cấp năng lượng

để giữ cho nhiệt độ của quá trình tăng lên

• Nếu quá trình không xảy ra với chất oxy hóa, nó được gọi là quá trình khí hóagián tiếp và cần phải có nguồn năng lượng bên ngoài Hơi nước được sử dụngphổ biến nhất như là tác nhân của quá trình khí hóa gián tiếp bởi vì nó dễ dàngđược tạo ra và gia tăng hàm lượng hydro của khí gây cháy

• Các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trong khí hóa:

- Nhiệt phân quá trình làm cho hạt cacbonaceous nóng lên Chất dễ bay hơi đượcgiải phóng và thang được sản xuất Quá trình này phụ thuộc vào tính chất của vâtliệu cacbon, cấu trúc và thành phần của các tro than, sau đó sẽ trải qua phản ứngkhí hóa

- Đốt là quá trình dễ tạo ra sản phẩm dễ bay hơi và than phản ứng với oxy tạo racacbon dioxide và cacbon monodexide, cung cấp nhiệt cho các phản ứng khí hóasau này Phản ứng cơ bản ở đây là:

=> Về bản chất, oxy hoặc không khí được đưa vào lò phản ứng đốt cháy chất hữu cơ

để sản xuất cacbon monodioxit và năng lượng, trong phản ứng thứ hai có thể chuyểnđổi chất hữu cơ thành hydro và cacbondioxide

2 4 Một số ưu điểm và nhược điểm của phương pháp xử lý CTR bằng nhiệt

○ Phương pháp xử lý CTR bằng phương pháp nhiệt có những ưu điểm:

- Thể tích và khối lượng chất thải rắn giảm tới mức nhỏ nhất so với ban đầu, CTR được

xử lý khá triệt để (giảm 80-90% trọng lượng thành phần hữu cơ trong CTR)

- Thu hồi năng lượng nhiệt của quá trình có thể tận dụng vào nhiều mục đích như chạymáy phát điện, sản xuất nước nóng

- Là phương pháp quan trọng trong chương trình quản lý tổng hợp CTR

- CTR có thể được xử lý tại chỗ mà không cần phải vận chuyển đi xa, tránh được các rủi

ro và chi phí vận chuyển

- Hiệu quả xử lý cao đối với các loại chất hữu cơ chứa vi trùng lây nhiễm (chất thải y tế),cũng như các loại chất thải nguy hại khác (thuốc bảo vệ thực vật, dung môi hữu cơ, chấtthải nhiễm dầu…)

○ Tuy nhiên, phương pháp nhiệt không phải đã giải quyết được tất cả các vấn đề củaCTR, phương pháp này vẫn còn một số bất lợi sau đây:

Ví dụ: như chất thải có hàm lượng ẩm quá cao hay thành phần không cháy cao (chất thải

- Yêu cầu nhiên liệu đốt bổ sung nhằm duy trì nhiệt độ trong buồng đốt

- Những tiềm năng tác động đến con người và môi trường có thể xảy ra, nếu các biệnnhiễm do kim loại nặng thì quá trình đốt có thể gặp khó khăn đối với chất thải có chứakim loại như Pb, Cr, Cd, Hg, Ni, As…

- Lò hoạt đông sau một thời gian phải ngưng để bảo dưỡng, làm gián đoạn quá trình xử

Hình II-3: Lò đốt một cấp

- Cấu tạo của lò đốt 1 cấp: chủ yếu gồm buồng đốt để đốt hỗn hợp giữa rác thải vàvật liệu cháy Buồng đốt được chia làm 2 ngăn: ngăn trên chứa rác cần tiêu hủy,ngăn dưới để đốt vật liệu cháy nhằm cung cấp và duy trì nhiệt độ đốt, vách giữa 2ngăn là ghi lò (không có béc đốt hoặc bộ phận đốt hỗ trợ với béc đốt), khí thảiđược thoát ra ống khói

- Vật liệu xây lò thường là gạch đất nung lên tuổi thọ không cao Quá trình đốt ráccủa lò thủ công được xem là quá trình hở: nhiệt độ, bụi, khí thải không được kiểmsoát và được đưa trực tiếp vào không khí Các công việc như: đưa rác vào lò,cung cấp nguyên liệu cháy, điều khiển quá trình cháy, thu hồi tro thải đều do côngnhân đốt lò thực hiện Nguồn nguyên liệu chủ yếu cung cấp cho lò là củi gỗ, mùncưa

- Do không xử lý tro bụi, khí thải mà lại trực tiếp đưa vào không khí nên loại lò nàygây ô nhiễm cho môi trường, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người,làm thay đổi môi trường sống theo chiều hướng xấu đi

- Nhược điểm của lò đốt một cấp là năng suất thấp, phụ thuộc nhiều vào thời tiết,cần nhiều công nhân cho một ca làm việc, điều kiện làm việc của công nhân rấtnặng nhọc, độc hại, dễ bị các bệnh nghề nghiệp Lò không vận hành liên tục,

thời gian nghỉ giữa hai mẻ đốt lớn, hiệu quả quá trình đốt của lò thấp Tuy vậy,thiết kế và xây dựng lò khá đơn giản, chi phí xây dựng lò thấp Sử dụng lò dốt thủcông để xử lý rác sẽ không cần nhiều diện tích đất và thời gian như các phươngpháp phân hủy rác nhờ đất

4 2 Lò đốt nhiều buồng đốt (multiple – chamber incinerators)

Nguồn: [3-27]

Hình II-4: Lò đốt nhiều buồng

- Lò kiểu này được cải tiến từ kiểu lò đốt hở một cấp Buồng thứ nhất (gọi là buồng

sơ cấp) là nguyên bảng của lò đốt hở cấp, buồng thứ hai gọi là buồng đốt thứ cấpđược lắp thêm béc đốt để đốt hổ trợ Tuy nhiên do bản chất của quá trình cháy ởbuồng sơ cấp là đốt hở tự nhiên nên sinh ra nhiều khói bụi và khì gây ô nhiễm màbuồng đốt thứ cấp dùng đốt hổ trợ cũng không khắc phục được

- Yêu cầu của lò đốt là đốt triệt để chất thải và khi thải ra môi trường phải đạt tiêuchuẩn quy định Một số trường hợp đốt chất thải nguy hại khó phân hủy có mùi

có thể đốt tới ba cấp đốt (thêm buồng đốt bổ sung)

4 3 Lò đốt nhiệt phân tĩnh

nguồn: [1/38]

Hình II-5: Lò đốt nhiệt phân tĩnh

a Cấu tạo

Lò đốt nhiệt phân tĩnh gồm 2 buồng đốt:

Buồng sơ cấp: còn gọi là buồng nhiệt phân, làm nhiệm vụ sản xuất nhiên liệu (khígas) nhờ quá trình nhiệt phân chất thải, cung cấp cho buồng thứ cấp

Phương trình phản ứng:

Chất thải → CH4 + H2 + CO

Buồng thứ cấp: còn gọi là buồng đốt, có nhiệm vụ thu nhận và đốt nhiên liệu từ

(CH4, H2, CO) + O2→ CO2 + H2O + Q

b Nguyên lý hoạt động

Tại buồng sơ cấp (buồng nhiệt phân): tại đây thiếu oxy, các quá trình xảy ra là:

− Sấy khô (bốc hơi nước): chất thải được đưa vào buồng đốt sẽ thu nhiệt từ không khí nóngcủa buồng đốt, nhiệt độ của chất thải đạt trên 100oC Khi nhiệt độ tiếp tục tăng, sẽ xảy raquá trình nhiệt phân chất thải và tạo ra “khí gas”

− Quá trình phân hủy nhiệt tạo “khí gas” và cặn cacbon: chất thải bị phân hủy nhiệt sinh rakhí gas như: CH4, CO, H2…Với sự có mặt của oxy và “khí gas” trong buồng nhiệt phân ởnhiệt độ cao xảy ra quá trình cháy, nhiệt sinh ra từ quá trình này lại tiếp tục cấp cho quátrình nhiệt phân Nhiệt càng lúc càng cao, nhiệt độ tăng dẫn đến quá trình nhiệt phâncàng nhanh, sản phẩm khí sinh ra càng nhiều, nhưng do ở nhiệt độ cao nên phần lớn khígas bị đốt cháy tại buồng nhiệt phân làm lượng khí cấp cho buồng đốt thứ cấp giảm Quá trình nhiệt phân của chất thải rắn thường bắt đầu từ 250oC đến 650oC, khi quátrình nhiệt phân kết thức sẽ hình thành tro và cặn cacbon Vì vậy người ta còn gọi quátrình này là quá trình cacbon hóa

Nhiệt độ buồng được kiểm soát thông thường từ 300 – 650oC tại đây xảy ra quá trìnhsấy khô và phân hủy chất thải tạo khí gas, và một phần khí gas bị đốt nên lượng khôngkhí cấp vào lò tăng dần theo thời gian nhiệt phân để tăng nhiệt độ đốt, đảm bảo đến cuối

mẻ đốt nhiệt độ lên tới hơn 1000oC

Mục đích của buồng sơ cấp là đốt thiếu khí có kiểm soát nhiệt độ và chế độ cấp khíthích hợp sao cho quá trình nhiệt phân thu được lượng khí gas nhiều nhất và giàu metannhất

Tại buồng đốt thứ cấp

Buồng đốt thứ cấp có nhiệm vụ đốt cháy các khí sinh ra từ buồng sơ cấp ở nhiệt độcao và dư oxi Toàn bộ lượng khí gas được đưa lên từ buồng đốt sơ cấp bị đốt cháy hoàntoàn Nhiệt độ trong buồng đốt thứ cấp tăng cao, khi đã cháy 80 – 90% khí gas thì tốc độcháy sẽ giảm dần

Nhiệt độ tại buồng thứ cấp cần phải duy trì trên 1000oC và thời gian lưu cháy trên 2giây khi đốt các loại chất thải nguy hại Tại đây người ta dùng detector nhiệt tự động vàquạt cấp khí để kiểm soát quá trình đốt đảm bảo được hiệu quả xử lý

Quá trình tạo tro xỉ

Giai đoạn cuối mẻ đốt, nhiệt độ buồng đốt sơ cấp được nâng tới 950oC để đốt cháycặn cacbon, phần rắn không cháy được tạo thành tro xỉ

4 4 Lò đốt thùng quay

4 4 1 Cấu tạo

Gồm có hai buồng đốt chức năng tương tự như lò đốt nhiệt phân nhưng chỉ khác nhau

về kết cấu ở buồng đốt sơ cấp thay vì đốt tĩnh, buồng đốt được thiết kế với hệ thốngtruyền động làm quay buồng đốt, nhằm tăng khả năng tiếp xúc của chất thải với khôngkhí và tăng khả năng cháy

Buồng sơ cấp: phương trình phản ứng

Hình II-6: cấu tạo lò đốt thùng quay

Rác thải được đưa vào miệng lò và di chuyển từ miệng lò đến cuối thân lò, trong thờigian di chuyển này, rác được đốt cháy để biến thành tro và khí thải

Buồng sơ cấp:

Ở giai đoạn đầu của quá trình đốt, sẽ diễn ra quá trình sấy khô chất thải, phân hủychất thải tạo khí gas và cháy một phần khí, do đó tăng không khí là tăng oxy cho quátrình cháy

Nhiệt độ ở buồng sơ cấp được điều chỉnh ở 800 – 900oC Khi nhiệt độ buồng đạt trên

800oC chất thải rắn mới được đưa vào lò để đốt Nếu chất thải cháy tạo đủ năng lượnggiữ được nhiệt độ này, bộ đốt điều chỉnh béc phun dầu tự động ngắt Khi nhiệt độ buồng

hạ thấp hơn 800oC, bộ đốt tự động làm việc trở lại

Khi ta đưa rác thải vào lò, buồng lò phải cung cấp lượng nhiệt để sấy và đốt rác, do

đó, nhiệt độ buồng sơ cấp hạ xuống Khi đó khí gas cùng lúc với tia lửa điện phóng ra từbéc đốt và hướng thẳng đến vị trí đốt Cùng lúc đó, hệ thống điều khiển tự động cungcấp không khí hoạt động để đốt nóng lò đưa nhiệt độ lò lên đến 800 – 900oC Khí gas cóthể được phóng cùng chiều hoặc ngược chiều với dòng chuyển động của rác thải

Khi đốt rác sẽ tạo ra tro, bụi khí thải (CO, CO2, NOx, SO2) và hơi nước chúng sẽđược dẫn lên buồng thứ cấp và tiếp tục đốt

Buồng thứ cấp:

Tại đây không khí sẽ được cung cấp dư để đốt cháy hoàn toàn lượng khí được dẫn lên

từ buồng sơ cấp Làm giảm thiểu và triệt tiêu các khí độc hại trước khi qua hệ thống xử

lý nhiệt và khí thải

Nhiệt độ tại đây thường từ 950 – 1100oC và khi đốt chất thải nguy hại phải trên

1200oC Thời gian lưu của khí thải qua buồng đốt từ 1,4 -2 giây Hàm lượng oxy dư tốithiểu cho quá trình cháy là 6%

c Thời gian lưu chất thải rắn

Là thời gian chất thải di chuyển từ đầu lò đến cuối lò đốt ở buồng thứ cấp được tínhtheo công thức:

(2-1)Trong đó:

t: thời gian lưu cháy (phút)

D: đường kính của lò

S: góc nghiêng (in/ft)

L: chiều dài lò

N: vận tốc quay của lò (vòng/phút)

- Quá trình đốt tầng sôi: gió thổi mạnh vào dưới lớp vĩ đỡ có lỗ nên gió sẽ phân bốđều dưới đáy tháp làm lớp đệm cát cùng các phế liệu rắn, nhão đều bị thổi tơi, tạođiều kiện cháy triệt để Khoang phía dưới tháp (trên vĩ phân bố gió), là khu vựccháy sơ cấp, nhiệt độ buồng đốt từ 850 – 920oC, còn khoang phía trên phình tohơn là khu vực cháy thứ cấp có nhiệt độ cháy cao hơn (990 – 1100oC) để đốt cháy