Các công nghệ đốt chất thải

I Giới thiệu lý thuyết quá trình cháy diễn lò đốt chất thải: Lý thuyết trình cháy Quá trình đốt thực chất q trình oxy hóa khử xảy phản ứng chất đốt (chất thải dạng hữu cơ) với oxy khơng khí (79% nitơ 21% oxy theo thể tích) nhiệt độ cao sản phẩm cuối tạo khí CO2 nước Phản ứng xảy sau: Chất thải + O2  Sản phẩm cháy + Q (nhiệt) Sản phẩm cháy: Chủ yếu nước CO 2, có bụi, SOx, NOx, CO, tổng hydrocarbon (THC), HCl, HF, Dioxins/Furans Các nguyên tắc trình cháy Q trình cháy chất nhiễm tạo thành (sản phẩm cháy) liên quan chặt chẽ tới thành phần, chất chất thải đốt, nhiên liệu sử dụng, điều kiện đốt như: hệ số dư khơng khí (oxy), nhiệt độ đốt, độ tiếp xúc thời gian tiếp xúc nhiên liệu (hoặc khí gas) với oxy Quá trình cháy CTR bao gồm giai đoạn sau: - Quá trình sấy khơ (bốc nước) chất thải Q trình phân hủy nhiệt chất thải (hình thành khí gas) Q trình phối trộn khí gas chất đốt với gió (khơng khí) mồi lửa Q trình cháy dạng khí Ngồi ra, cũng phân chia q trình cháy CTR thành giai đoạn bản: - Giai đoạn nhiệt phân (Pyrolysis) giai đoạn khí hóa (Gasification) rác thải (bao gồm chất thải rắn lỏng) đồng thời với việc phân hủy chất hữu mạch đa vòng hay cao phân tử thành hợp chất hữu đơn giản để sau ơxy hóa hồn tồn chúng thành sản phẩm cháy mong muốn CO2 H2O Buồng sơ cấp: Chất thải nạp vào buồng đốt sơ cấp, khơng khí thổi vào cung cấp oxy cho q trình nhiệt phân kiểm sốt cách chặt chẽ Trong buồng sơ cấp khơng khí chỉ đưa vào 20-70% lượng oxy cần thiết cho phản ứng cháy (q trình thiếu khí), q trình nhiệt phân tiến hành buồng đốt sơ cấp lò nhằm chuyển thành phần thể rắn lỏng chất thải thành thể khí (HC, CO, H 2…) nhờ nhiệt cung cấp từ mỏ đốt nhiên liệu Quá trình nhiệt phân thực điều kiện thiếu ôxy nhiệt độ 500-700oC Sau đó, khí nhiệt phân chuyển động lên buồng đốt thứ cấp tác động áp suất học khí Tại nhờ nhiệt độ cao 1000 oC lượng khơng khí cấp bổ sung, chất cháy thể khí từ buồng sơ cấp sang, kể chất ô nhiễm hữu mạch vòng Dioxin Furans bị đốt cháy hồn toàn tạo thành CO2 H2O Hiệu thiêu đốt lò phải thỏa mãn bốn yếu tố cần thiết cho đốt cháy hoàn toàn chất thải độc hại là: chất ơxy hóa (O 2) ba yếu tố “T” trình thiêu đốt: Nhiệt độ đốt (Temperature), Thời gian lưu khí (Times) Cường độ xáo trộn rối (Turbulence): Oxygen (O2) Là lượng ôxy cần thiết để đốt cháy (ơxy hóa) hồn tồn chất cháy thành phần khí nhiệt phân, chủ yếu HC, CO H2 thành CO2 H2O Đây yếu tố quan trọng định hiệu q trình thiêu đốt rác Lượng ơxy cung cấp phương pháp cấp có ảnh hưởng trực tiếp đến cháy hồn tồn, phải tính tốn kiểm sốt lượng khơng khí cần cấp theo qui trình nhiệt phân rác Nhiệt độ (Temperature) Là trị số nhiệt độ buồng đốt thứ cấp, nơi khí nhiệt phân cần bị thiêu đốt với chất ơxy hóa ơxy Thơng số cũng đóng vai trò đặc biệt quan trọng đến trình thiêu hủy chất thải Nhiệt độ thiêu đốt đạt giá trị cao (trên 1000 oC) có tác dụng bẻ gẫy liên kết hữu mạch vòng đặc biệt Dioxin Furans làm cho phản ứng ơxy hóa xảy nhanh , mãnh liệt để chuyển hóa hồn tồn khí nhiễm thành CO2 H2O Thời gian (Times) Là thời gian lưu khí buồng đốt thứ cấp để tiến hành q trình thiêu hủy Đây thơng số quan trọng ảnh hưởng đến điều kiện thiêu hủy hồn tồn thành phần khí nhiệt phân buồng đốt thứ cấp Thời gian lưu khí lâu phản ứng ơxy hóa xảy triệt để, phụ thuộc vào lượng khí thải nhiệt phân qua buồng đốt thể tích buồng đốt thứ cấp, tính giây Để đảm bảo thiêu hủy hoàn toàn chất hữu đặc biệt dioxin furans thời gian lưu cần trì từ 1-2 giây Cường độ xáo trộn rối (Turbulence) Đánh giá mức độ xáo trộn khí nhiệt phân với khơng khí chứa ôxy lửa có nhiệt độ cao Mức độ xáo trộn có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất trình thiêu hủy Cường độ xáo trộn phụ thuộc vào tốc độ chuyển động học khí lò luồng khí, phương pháp lựa chọn nội hình lò, đánh giá tiêu chuẩn Reynolds (Re) Các yếu tố trình thiêu đốt không chỉ ảnh hưởng đến hiệu q trình thiêu đốt chất thải mà liên quan đến việc sinh ta khí thải nhiễm CO, HC, NOx bồ hóng II Các cơng nghệ đốt chất thải (Canvin R Bruner , 1994) Đốt hở thủ công (Open burning) Chất thải đổ vun thành đống mặt đất đốt mà thiết bị hỗ trợ Trong q trình đốt, chất thải cháy khơng triệt để, từ làm nồng độ khí thải mơi trường cao Cơng nghệ tiện lợi cho đốt chất nổ thuốc nổ TNT, Dynamite Để đốt loại chất thải có lượng cháy nổ cao, người ta đốt lò đốt hở lò xây đào sâu xuống đất, lò có thêm thiết bị phụ trợ để q trình đốt an tồn Lò đốt cấp (Single – chamber incinerator) Là kỹ thuật xử lý rác đời sớm, cấu tạo lò đốt cấp tương đối đơn giản, chủ yếu gồm buồng đốt để đốt hỗn hợp rác thải vật liệu cháy Buồng đốt chia làm ngăn: ngăn chứa rác cần thiêu huỷ, ngăn để đốt vật liệu cháy nhằm cung cấp trì nhiệt độ đốt, vách ngăn ghi lò (khơng có béc đốt có phận đốt hỗ trợ với béc đốt) Vật liệu xây lò thường gạch đất nung nên tuổi thọ không cao Q trình đốt rác lò thủ cơng xem quy trình hở: nhiệt độ, bụi, khí thải khơng kiểm sốt đưa trực tiếp vào khơng khí Các cơng việc như: đưa rác vào lò, cung cấp nguyên liệu cháy, điều khiển trình cháy, thu hồi tro thải cơng nhân đốt lò thực Nguồn nguyên liệu chủ yếu cung cấp nhiệt cho lò củi gỗ, mùn cưa… Cấu tạo lò đốt cấp thể hình 2.6 Hình 2.1: Lò đốt cấp Là kiểu lò đốt cổ điển, sử dụng trước năm 1960 thường không đạt tiêu chuẩn quy định cho khí thải q trình đốt Trong buồng đốt, chất thải đốt ghi lò (khơng có béc đốt có phận đốt hỗ trợ với béc đốt), khí thải qua ống khói Hiệu q trình đốt lò thấp Tuy vậy, thiết kế xây dựng lò đơn giản, chi phí xây dựng lò thấp 3 Lò đốt nhiều cấp (Multiple – Hearth Furnace) Ống khói Buồng đốt sơ cấp Mỏ đốt Ghi đỡ bậc thang Cửa lấy tro Ghi đỡ trượt Buồng đốt thứ cấp Cửa nạp liệu Cửa vệ sinh Cấu tạo lò đốt nhiều cấp thể hình 2.7 Hình 2.2: Lò đốt nhiều cấp Chất thải đốt lò có nhiều buồng đốt: buồng đốt sơ cấp buồng đốt thứ cấp, trí có số trường hợp đốt CTNH lò đốt có tới cấp đốt Để đốt triệt để chất thải khí thải mơi trường phải đạt tiêu chuẩn quy định Lò đốt thùng quay (Rotary – Kiln Incineration) Cấu tạo lò đốt thùng quay thể hình 2.8 Hình 2.3: Lò đốt thùng quay Đây loại lò đốt sử dụng phổ biến nước tiên tiến nay, lò đốt có nhiều ưu điểm trình xáo trộn rác tốt, đạt hiệu cao Lò đốt thùng quay sử dụng để xử lý loại CTNH dạng rắn, cặn, bùn cũng dạng lỏng Ở Mỹ lò đốt thùng quay chiếm tới 75% số lò đốt CTNH, lò đốt tầng sơi chiếm 10%, lại 15% loại lò khác (lò cố định nhiều cấp) Cấu tạo lò đốt bao gồm: Buồng sơ cấp: Là tang quay với tốc độ điều chỉnh được, có nhiệm vụ đảo trộn CTR q trình cháy Lò đốt đặt dốc với độ nghiêng từ (1 – 5)/100, nhằm tăng thời gian cháy chất thải vận chuyển tự động tro khỏi lò đốt Phần đầu lò đốt có lắp béc phun dầu gas kèm quạt cung cấp cho trình đốt nhiên liệu nhằm đốt nóng cho hệ thống lò đốt Khi nhiệt độ lò đạt 8000C CTR đưa vào để đốt Giai đoạn để đốt sơ cấp, nhiệt độ lò quay khống chế từ 800 – 900 0C, chất thải cháy tạo đủ lượng giữ nhiệt độ điều chỉnh béc phun dầu/gas tự động ngắt Khi nhiệt độ hạ thấp 8000C đốt tự động làm việc trở lại - Buồng đốt thứ cấp: Đây buồng đốt tĩnh, nhằm để đốt sản phẩm bay hơi, chưa cháy hết bay lên từ lò sơ cấp Nhiệt độ thường từ 950 – 1100 0C Thời gian lưu khí thải qua buồng thứ cấp từ 1,5 – s Hàm lượng oxy dư tối thiểu cho trình cháy 6% Có hướng để khí thải vừa thổi qua vùng lửa cháy phận đốt phun dầu vừa xáo trộn mãnh liệt để cháy triệt để Khí thải sau làm nguội qua hệ thống xử lý khí trước qua ống khói thải mơi trường Hình 2.4: Hệ thống lò đốt thùng quay có hệ thống xử lý khí Ưu điểm: III IV V VI VII Có khả đốt nhiều loại rác thải trạng thái khác chất thải Kiểm soát thời gian lưu chất thải lò Xáo trộn cao tiếp xúc hiệu với khơng khí thùng quay Giảm tối thiểu lượng rác thải Thải bỏ trực tiếp chất thải thùng kim loại Nhược điểm: VIII IX X XI Lôi hạt, phân tử vào dòng khí gas Gia cơng lò khó, phức tạp Tổn thất nhiệt đáng kể tro thải Bảo trì phức tạp Lò đốt tầng sôi (tháp đốt tầng sôi / Fluid – Bed Furnace) Lò đốt làm việc chế độ tĩnh Đặc điểm lò chứa lớp cát dày 40 – 50 cm nhằm: nhận nhiệt giữ nhiệt cho lò đốt, bổ sung nhiệt cho rác ướt Lớp cát gió thổi xáo động làm CTR bị tơi ra, xáo động nên theo cháy dễ dàng Chất thải lỏng bơm vào lò bám dính lên bề mặt hạt cát nóng xáo động, nhờ bị đốt cháy thành phần nước bay hết Q trình đốt tầng sơi: Gió thổi mạnh vào lớp vỉ đỡ có lỗ nên gió phân bố đáy lò làm lớp đệm cát phế liệu rắn, lỏng thổi tơi, tạo điều kiện cháy triệt để Khoang phía tháp (trên vỉ phân bố gió), khu vực cháy sơ cấp nhiệt độ buồng đốt từ 850 – 9200C, khoang phía phình to khu vực cháy thứ cấp có nhiệt độ cháy cao (990 – 11000C) nhằm đốt cháy hồn tồn chất thải Trong đốt tầng sơi cần trì lượng cát định tạo lớp đệm giữ nhiệt ổn định hỗ trợ cho q trình sơi lớp chất thải đưa vào đốt Khí thải sau làm nguội cho qua hệ thống xử lý trước qua ống khói thải mơi trường Lò đốt tầng sơi thể hình 2.10 Hình 2.5: Lò đốt tầng sơi Lò đốt chất thải lỏng (Liquid – Waste Incineration): CTNH dạng lỏng đốt trực tiếp lò đốt cách phun vào vùng lửa hay vùng cháy lò phụ thuộc vào nhiệt trị chất thải Lò trì nhiệt độ khoảng 1.0000C Thời gian lưu chất thải lỏng lò từ vài phần giây đến 2,5 giây Dòng lỏng phun vào với áp lực cao, vận tốc lớn phân thành phần tử phun nhỏ Hơi cấp nhiệt có khuynh hướng làm giảm độ nhớt chất lỏng Khi độ nhớt giảm hiệu đốt tăng lên Độ nhớt chỉ tiêu quan trọng lò đốt chất thải lỏng Độ nhớt chất thải cao khó đốt Điều kiện cấp khí: buồng sơ cấp cấp khí để đốt chất lỏng hữu Tại buồng thứ cấp, cấp khí dư ln giữ lửa hướng phía tường lò phải giảm nhiệt độ chung cho toàn hệ thống cần thiết Nhưng phải hạn chế va chạm lửa vào tường lò tạo nguy ăn mòn thất lượng Do thiết kế lò phải lưu ý tránh va đập Sự cấp khí sơ cấp khơng chỉ cấp khí cháy mà tạo xáo trộn bên lò, cung cấp dòng khí tương đối thấp lên bề mặt chịu nhiệt lò, giữ cho nhiệt độ bề mặt chịu nhiệt thấp tâm lò đốt u cầu: cấp – 30% khí dư (tổng buồng lò) Loại, hình dáng, kích cỡ lò đốt chất thải lỏng phụ thuộc vào tính chất rác, thiết kế béc phun, tường lò điều kiện cấp khí Cấu tạo lò đốt chất thải lỏng hình 2.11 Hình 2.6: Lò đốt chất thải lỏng Lò đốt nhiệt phân tĩnh Đối với lò đốt theo ngun lý nhiệt phân việc kiểm sốt chế độ cấp khí buồng nhiệt phân có vai trò quan trọng đặc biệt Trong buồng đốt sơ cấp lượng khơng khí – V, chỉ cấp 20 – 70% nhu cầu cần thiết – V (theo tính tốn lý thuyết) Khí gas sinh buồng sơ cấp dẫn lên buồng thứ cấp đốt tiếp Ở buồng thứ cấp lượng khơng khí cấp vào vượt 110 – 200% lượng khơng khí cần thiết Khí thải tiếp tục làm (khử bụi, khí acid…) thiết bị xử lý trước thải môi trường Quan hệ lượng khơng khí cấp cho q trình đốt nhiệt độ buồng đốt nhiều tác giả nghiên cứu Người ta lợi dụng tính chất để kiểm sốt q trình đốt (cả buồng sơ cấp lẫn thứ cấp) Khi V < V (α < 1) nhiệt độ buồng đốt tăng lượng khơng khí cấp vào lò tăng Khi V > V (α >1) nhiệt độ giảm lưu lượng khơng khí cấp vào lò tăng Kiểm sốt q trình đốt buồng sơ cấp: • Vì lúc q trình sấy khơ, phân hủy chất (tạo khí gas), cháy phần, nên tăng khơng khí nghĩa tăng oxy cho trình cháy, nhiệt phản ứng tỏa làm tăng nhiệt độ • Khi nhiệt độ tăng, phải giảm lưu lượng cấp khơng khí • Khi nhiệt độ giảm phải tăng lưu lượng cấp khơng khí Có nghĩa q trình q trình đốt thiếu khí có kiểm sốt Nhiệt độ buồng sơ cấp kiểm sốt thơng thường từ 300 – 650 0C, lượng khí cấp (tức lượng oxy) tăng dần theo thời gian nhiệt phân, để tăng nhiệt độ giai đoạn đốt cuối lên tới 1000 0C (giai đoạn đốt cặn cacbon) Kiểm sốt q trình đốt buồng thứ cấp: • Vì buồng thứ cấp có nhiệm vụ đốt cháy hồn tồn phần khí gas từ buồng sơ cấp, nhiệt độ cần trì 11000C đốt CTNH • Người ta phải dùng detector nhiệt tự động kiểm sốt với quạt cấp khí để kiểm sốt q trình đốt • Khí thải: So sánh với phương pháp đốt khác đốt nhiệt phân buồng sơ cấp đòi hỏi lượng khơng khí cấp vào lò thấp, vận tốc dòng khí thấp khơng cần xáo trộn nên hạn chế nhiều bụi phát sinh theo dòng thải Buồng thứ cấp đốt triệt để chất nên khí thải gần khơng bị nhiễm Các chất hữu chất độc hại dioxins, furans, PCBs cháy hoàn toàn Thường bụi khí thải < 200 mg/m3 Ưu điểm: • Các q trình sấy, hố khí, cháy, đốt cặn carbon xảy buồng nhiệt phân điều kiện thiếu khí, khơng cần xáo trộn rác giảm lượng bụi phát sinh đáng kể • Nếu kiểm sốt chế độ nhiệt phân buồng nhiệt phân nguồn cung cấp lượng cho buồng thứ cấp, tiết kiệm nhiên liệu • Q trình diễn nhiệt độ thấp tăng tuổi thọ vật liệu chịu lửa giảm chi phí bảo trì Việc bảo trì cũng dễ dàng lò khơng có phận xoay nên bị mài mòn Tuổi thọ vật liệu chịu lửa cao vật liệu không bị hư hại mảnh cứng rác lúc rơi xuống (trong lúc nạp) • Các cấu tử thu hồi tập trung bã rắn nhựa để thu hồi • Vấn đề lắp đặt lò tĩnh chỉ cần khoảng khơng gian nhỏ • Chi phí sử dụng điện thấp dùng động điện để chuyển động lò Nhược điểm: • Một số thành phần chất thải lúc nạp liệu để đốt bị giữ lại bã thải (do nhựa hắc ín), tro cũng cần chơn lấp an tồn • Chất thải có phản ứng thu nhiệt khơng nên đốt lò nhiệt phân • Thời gian đốt lâu so với cơng nghệ đốt lò quay Hình 2.7: Lò đốt nhiệt phân tĩnh Hình 2.8: Hệ thống lò đốt nhiệt phân tĩnh có kiểm sốt nhiễm Một số loại lò đốt khác Hệ thống đốt hồng ngoại (Infrared – Furnace) Hệ thống cấp khí thiết kế phần cuối dây chuyền, lượng khí cấp dư từ 20 – 30% Cung cấp nhiệt hệ thống cấp nhiệt hồng ngoại bên lò đốt phía dây chuyền Lò đốt hồng ngoại (dùng điện hay nhiệt xạ) có cấu tạo hình 2.14 Hình 2.9: Lò đốt hồng ngoại Lò đốt sử dụng vỉ lò đốt – ống lăn đốt rác điện chiều Cấu tạo lò đốt gồm vỉ đốt – ống lăn, lò đốt rác, hệ thống khí thổi rác Vỉ đốt – ống lăn kỹ thuật đốt rác đại sử dụng 200 nhà máy đốt rác giới Để bảo đảm chắn vận chuyển rác lò, hệ thống bố trí theo độ dốc 200 Rác nằm đọng ống lăn bị nhào trộn, trình sấy khơ, bốc cháy đốt rác xảy cách triệt để Rác bị đốt cháy nhào trộn vận chuyển vỉ lò đốt ống lăn Để lò đốt có nhiệt độ cao, lượng khí thổi phun vào để đốt rác phải không dư thừa mà phải vừa đủ Tùy theo tình trạng cháy lò, lượng khí nóng ln tự động điều chỉnh Hệ thống tự động điều chỉnh làm việc sở liên tục nhận đo hàm lượng khí thải khỏi lò Nhiệt độ cao phía vỉ lò đốt đòi hỏi thành lò vỉ đốt ống lăn phải có khả chịu nhiệt cao Để giải yêu cầu vỏ ống lăn tạo thành nhiều miếng lắp ghép lại Khi ống lăn quay, phía ống lăn bị đốt nóng, khí phía lại làm nguội nhờ luồng khí thổi từ phía phun vào Tất đặc điểm kết cấu vận hành làm cho ống lăn bền bỉ chịu nhiệt đơn giản lắp ráp, thay Ngồi ra, sử dụng CTNH làm nhiên liệu: phương pháp tiêu huỷ chất thải cách đốt với nhiên liệu thông thường khác để tận dụng nhiệt cho thiết bị thu hồi nhiệt: nồi hơi, lò nung clinker, lò luyện kim, nấu thuỷ tinh Lượng chất thải bổ sung vào lò đốt chiếm 12 – 25% tổng lượng nhiên liệu  ... nhiều buồng đốt: buồng đốt sơ cấp buồng đốt thứ cấp, trí có số trường hợp đốt CTNH lò đốt có tới cấp đốt Để đốt triệt để chất thải khí thải môi trường phải đạt tiêu chuẩn quy định Lò đốt thùng... trình sơi lớp chất thải đưa vào đốt Khí thải sau làm nguội cho qua hệ thống xử lý trước qua ống khói thải mơi trường Lò đốt tầng sơi thể hình 2.10 Hình 2.5: Lò đốt tầng sơi Lò đốt chất thải lỏng... giảm độ nhớt chất lỏng Khi độ nhớt giảm hiệu đốt tăng lên Độ nhớt chỉ tiêu quan trọng lò đốt chất thải lỏng Độ nhớt chất thải cao khó đốt Điều kiện cấp khí: buồng sơ cấp cấp khí để đốt chất lỏng