nghiên cứu thiết kế hệ phát nhiệt hồ quang cho buồng đốt thứ cấp lò đốt rác nguy hại công suất 100 kg ngày

Đôi khi chất thải được vận chuyển trái phép tới mộtnơi khác, đưa các mối nguy hiểm đáng sợ tới các cộng đồng vốn không biết gì về chúng.Bên cạnh đó, công tác quản lý, xử lý chất thải rắn

LỜI NÓI ĐẦU

Trong nền công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày nay, các sản phẩm của nền côngnghiệp đem lại những lợi ích cho cuộc sống hiện đại, các dược phẩm mang lại sức khoẻ,các trang thiết bị gia dụng tiết kiệm sức lao động Ô tô, tàu thuỷ, sơn, chất tẩy rửa, sợtổng hợp, bao bì, nhựa tổng hợp, máy tính cá nhân … một danh sách vô tận của các hànghoá hữu ích được sản xuất ra

Nhưng song song với mặt tốt của hàng hoá là mặt trái của nó Sản xuất công nghiệpphát sinh hàng trăm triệu tấn chất thải mỗi năm Các chất thải này chứa các phụ phẩmhoá học, các yếu tố có tính nguy hại cho sức khoẻ con người và môi trường vì chúng cóđộc tính, độc hại sinh thái, dễ cháy nổ, ăn mòn hoặc gây nhiễm trùng Chúng được pháttán từ ống khói, ống xả, hay được vứt bỏ ra các bãi rác hoặc chứa trong thùng phi rò rỉ,

từ rác thải hạt nhân, rò rỉ phóng xạ Đôi khi chất thải được vận chuyển trái phép tới mộtnơi khác, đưa các mối nguy hiểm đáng sợ tới các cộng đồng vốn không biết gì về chúng.Bên cạnh đó, công tác quản lý, xử lý chất thải rắn ở nước ta thời gian qua chưa được ápdụng theo phương thức quản lý tổng hợp, chưa chú trọng đến các giải pháp giảm thiểu,tái sử dụng, tái chế và thu hồi năng lượng từ chất thải dẫn đến khối lượng chất thải rắnphải chôn lấp cao, không tiết kiệm quỹ đất, tại nhiều khu vực chất thải chôn lấp ở cácbãi chôn lấp tạm, lộ thiên, hiện đã và đang là nguồn gây ô nhiễm môi trường

Ở Việt Nam, những năm gần đây có rất nhiều lò đốt rác trong nước và nhập khẩutham gia xử lý rác bằng phương pháp thiêu đốt đối với rác thải nguy hại Tuy nhiên,hiện tại ở Việt Nam chưa có công nghệ Lò đốt rác nào được cấp phép xử lý đốt chất thảirắn có hàm lượng halogen hữu cơ vượt ngưỡng chất thải nguy hại có nhiệt độ buồng đốtthứ cấp trên 1.200°C Chính vì thế việc đi sâu tìm hiểu đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ

phát nhiệt hồ quang cho buồng đốt thứ cấp của lò đốt chất thải nguy hại” là hết sức

cần thiết trong thời điểm hiện tại

Sau hơn 6 tháng thực hiện, được hướng dẫn chỉ bảo tận tình của PGS.TS Lê Văn

Lữ cùng với sự cố gắng nổ lực của bản thân, luận văn tốt nghiệp đã được hoàn thành.Nội dung chính của luận văn bao gồm

Chương 1 Mở đầu

Chương 2 Tổng quan nghiên cứu

Chương 3 Cơ sở lý thuyết

Chương 4 Tính toán, thiết kế hệ phát nhiệt hồ quang cho buồng thứ cấp

Chương 5 Kết luận

Trong quá trình thực hiện luận văn mặc dù đã rất cố gắng tìm hiểu và cân nhắc kỹlưỡng trước khi quyết định thiết kế hệ phát nhiệt hồ quang điện và đưa các thông số kỹthuật vào buồng đốt thứ cấp, do kiến thức và kinh nghiệm thực tế còn hạn hẹp nên khôngtránh khỏi sai xót, em rất mong nhận được sự góp ý và chỉ bảo của Thầy, Cô và các bạn

Em xin gửi tới PGS.TS Lê Văn Lữ, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo giúp emhoàn thành luận văn tốt nghiệp này, lòng biết ơn sâu sắc

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI NÓI ĐẦU ii

CHƯƠNG I MỞ ĐẦU 1

1.1 MỞ ĐẦU 1

1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 2

1.3 MỤC TIÊU, NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 4

1.4 TÍNH KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI 4

1.5 Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 4

2.1 HIỆN TRẠNG CHẤT THẢI NGUY HẠI TẠI VIỆT NAM 5

2.1.1 Chất thải nguy hại từ hoạt động sản xuất công nghiệp 5

2.1.2 Chất thải nguy hại từ hoạt động nông thôn 5

2.1.3 Chất thải nguy hại từ hoạt động y tế 6

2.2 CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI 7

2.2.1 Đặc điểm chất thải chứa halogen hữu cơ và hợp chất hữu cơ khó phân hủy 7

2.2.2 Các công nghệ xử lý chất hữu cơ khó phân hủy hiện nay trên thế giới đang áp

dụng và sự bất cập trong điều kiện Việt Nam 9

2.2.3 Một số công trình nghiên cứu công nghệ xử lý 11

2.2.4 Đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 13

2.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 14

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15

3.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ LÒ ĐIỆN HỒ QUANG 15

3.1.1 Sự phóng điện hồ quang, bản chất vật lý của hồ quang điện 15

3.1.2 Quá trình phát sinh và dập tắt hồ quang 16

3.1.3 Nguyên lý hồ quang điện 18

3.1.4 Năng lượng 19

3.1.5 Hồ quang và tính chất của hồ quang điện trong lò điện 20

3.2 PHÁT HỆ NHIỆT HỒ QUANG CHO BUỒNG ĐỐT THỨ CẤP 25

3.2.1 Phân loại lò hồ quang 25

3.2.2 Áp dụng hồ quang điện vào buồng đốt thứ cấp 27

3.3 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ PHÁT NHIỆT HỒ QUANG 31

3.3.1 Điện cực hồ quang 31

3.3.2 Điện áp hồ quang 36

3.3.3 Cấu tạo và hoạt động của hồ quang 42

3.4 THIẾT KẾ LÒ ĐỐT CHẤT THẢI NGUY HẠI ÁP DỤNG HỆ PHÁT HỒ QUANG CHO BUỒNG ĐỐT THỨ CẤP 44

3.5 THỐNG HỆ XỬ LÝ KHÍ THẢI 45

3.6 CÁC VẤN ĐỀ MÔI TRƯỜNG 48

3.7 LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN 48

3.7.1 Tính toán buồng đốt sơ cấp 48

3.7.2 Tính các khoản cân bằng nhiệt 48

3.7.3 Tính toán buồng đốt thứ cấp 53

3.7.4 Tính toán bộ phát hồ quang 53

4.1 TÍNH TOÁN SỰ CHÁY CỦA RÁC 54

4.2 TÍNH TOÁN BUỒNG ĐỐT SƠ CẤP 55

4.2.1 Kích thước buồng đốt 55

4.2.2 Tính toán và lập bảng cân bằng nhiệt buồn đốt sơ cấp 56

4.3 TÍNH TOÁN BUỒNG ĐỐT THỨ CẤP 64

4.3.1 Kích thước buồng thứ cấp 64

4.3.2 Tính toán cân bằng nhiệt 64

4.4 TÍNH TOÁN BỘ PHÁT HỒ QUANG 69

4.5 CHỌN VẬT LIỆU VÀ XÁC ĐỊNH THỂ XÂY LÒ 70

4.5.1 Chọn vật liệu xây lò 70

4.5.2 Vật liệu xây lò buồng đốt sơ cấp 70

4.2.3 Vật liệu xây lò buồng đốt thứ cấp 73

4.6 TÍNH TOÁN ĐIỆN CỦA LÒ 76

4.7 TÍNH TOÁN DÂY NUNG ĐIỆN TRỞ BUỒNG SƠ CẤP 77

CHƯƠNG 5 TỔNG KẾT LUẬN VĂN 79

5.1 TỔNG KẾT LUẬN VĂN 79

5.1.1 Nhiệm vụ đã hoàn thành 79

5.1.2 Dự toán kinh phí 81

5.1.3 Tính kinh tế cho việc xử lý chất thải nguy hại bằng lò hồ quang điện 82

5.2 KẾT LUẬN 82

5.2.1 Nhận định 82

5.2.2 Những việc chưa làm được và kiến nghị 83

CHƯƠNG 6 PHẦN THỰC NGHIỆM 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

PHỤ LỤC 86

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC HÌNH

Hình 3.1 Sự phóng điện hồ quang 15

Hình 3.2 Quá trình phát hồ quang điện một chiều 21

Hình 3.3 Quan hệ giữ điện áp hồ quang và dòng điện làm việc của lò 23

Hình 3.4 Mô hình lò hồ quang nung nóng gián tiếp 27

Hình 3.5 Mô hình lò hồ quang nung nóng trực tiếp 27

Hình 3.6 Cấu tạo điện cực 32

Hình 3.7 Sơ đồ mạch điện tương đương 1 pha 36

Hình 3.8 Sơ đồ mạch điện thiết bị 37

Hình 3.9 Các phương pháp nối cuộn dây máy biến áp 38

Hình 3.10 Sơ đồ nguyên tắc cấu tạo của máy phát hồ quang 43

Hình 3.11 Sơ đồ quy trình công nghệ lò đốt chất thải nguy hại NTK 44

Hình 3.12 Quy trình xử lý khí thải 46

Hình 4.1 Hình dây điện trở xoắn 78

Hình 4 2 Bố trí dây điện trở trong rãnh gach Samot 78

Hình 5 1 Điện cực grafit 80

Hình 6 1 Khi cho dòng điện chạy qua khoảng cách giữa hai đầu điện cực 84

Hình 6.2 Sau 1 phút ngọn lửa hồ quang bắt đầu mạnh hơn 84

Hình 6.3 Bộ phát hồ quang sau quá trình đốt nóng 84

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Khối lượng chất thải rắn nguy hại y tế của một số địa phương năm 2014 6

Bảng 3.1 Thế ion hóa và nhiệt độ hồ quang của một số kim loại 28

Bảng 3.2 So sánh tính chất vật lý của điện cực lò hồ quang 31

Bảng 3.3 Các chỉ tiêu hóa lý của điện cực grafit thông dụng 33

Bảng 3.4 Cường độ dòng điện cho phép phụ thuộc vào đường kính điện cực 33

Bảng 3.5 Chỉ tiêu kỹ thuật của điện cực grafit 35

Bảng 3.6 Điện áp tối thiểu sinh hồ quang dựa vào vật liệu làm điện cực 38

Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật chính của Lò đốt rác Hồ quang điện NTK 79

Bảng 4.1 Lượng không khí cần thiết để đốt cháy 100 kg rác 54

Bảng 4.2 Thành phần và lượng sản phẩm cháy khi đốt cháy 100 kg chất thải nguy hại 55

Bảng 4 3 Bảng cân bằng nhiệt buồng sơ cấp 62

Bảng 4.4 Lượng không khí, lượng và thành phần sản phẩm cháy tạo thành khi đốt 3,846 m 3 khí hỗn hợp 67

Bảng 5 1 Thông số kỹ thuật chính của Lò đốt rác Hồ quang điện NTK 79

1.1 MỞ ĐẦU

CHƯƠNG I MỞ ĐẦU

Việt Nam đang trong tiến trình công nghiệp hóa, hiện đạihóa đất nước mạnh mẽ đồng thời là sự kéo theo phát thải lượnglớn rác thải (sinh hoạt, công nghiệp, y tế) và chất thải nguy hạivới độc tính cao; tác động tiêu cực đến sức khỏe con người vàmôi trường sống Theo ước tính của Tổng cục Môi trường (BộTài nguyên và Môi trường) đến năm 2015, tổng lượng chất thảiphát sinh tại Việt Nam là 35 triệu tấn/năm trong đó lượng chấtthải rắn đô thị phát sinh chủ yếu tập trung ở hai đô thị lớn là Hà

Nội và TP Hồ Chí Minh (Nguồn Cục Quản lý chất thải và Cải thiện môi trường, Tổng cục môi trường năm 2014)

Đối với chất thải nguy hại, lượng phát sinh trên toàn quốckhoảng 800.000 tấn/năm chiếm tỷ lệ 20÷30% trong tổng lượngchất thải công nghiệp chủ yếu trong các ngành cơ khí, điện, điện

tử hoá Chất thải rắn nguy hại đáng lưu ý phát sinh tại khu vựcnông thôn là bao bì phân bón, thuốc bảo vệ thực vật với nhiềuthành phần nguy hại cho môi trường và sức khoẻ con người.Ước tính mỗi năm tại khu vực nông thôn ở nước ta phát sinhhơn 14.000 tấn bao bì hoá chất bảo vệ thực vật, phân bón cácloại Theo kết quả điều tra, thống kê của Bộ Tài nguyên và Môitrường và báo cáo của Ủy ban nhân dân các tỉnh, thành phốtrực thuộc Trung ương về các điểm tồn lưu do hóa chất bảo vệthực vật từ thời kỳ bao cấp, chiến tranh, không rõ nguồn gốc hoặcnhập lậu, tính đến tháng 6 năm 2015 trên địa bàn toàn quốcthống kê được 1.562 điểm tồn lưu do hóa chất bảo vệ thực vậttrên địa bàn 46 tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương Căn cứtheo QCVN 54:2013/BTNMT của Bộ Tài nguyên và Môi trường

về ngưỡng xử lý hóa chất bảo vệ thực vật hữu cơ theo mụcđích sử dụng đất thì hiện có khoảng 200 điểm ô nhiễm tồn lưu

do hóa chất bảo vệ thực vật có mức độ rủi ro cao gây ô nhiễmmôi trường nghiêm trọng và đặc biệt nghiêm trọng, ảnh hưởng

đến môi trường và sức khỏe cộng đồng (Theo Báo cáo hiện trạng môi trường Quốc gia giai đoạn 2011-2015)

Riêng tại TP Hồ Chí Minh trong năm 2016, tổng khốilượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh khoảng 3.037.800tấn/năm, trung bình 8.300 tấn/ngày; chất thải y tế phát sinh8.126 tấn/năm, trung bình 22,3 tấn/ngày; tỷ lệ thu gom, xử lý

sinh chất thải nguy hại dưới 600 kg/năm (không phải đăng ký chủ nguồn thải) chưa đượcthống kê nên lượng chất thải nguy hại thực tế sẽ cao hơn nhiều Tuy nhiên, việc thu gom,vận chuyển, xử lý chất thải nguy hại tại TP Hồ Chí Minh có hơn 30 đại lý thu gom, vậnchuyển và 12 cơ cở được cấp phép xử lý chất thải nguy hại nhưng tổng công suất tiếpnhận xử lý chất thải nguy hại của các cơ sở này mới được 251 tấn/ngày (71.824 tấn/năm).Trong khi đó các nhà máy này không chỉ phục vụ nhu cầu xử lý chất thải nguy hại chocác chủ nguồn thải trên địa bàn thành phố mà còn tiếp nhận xử lý của các chủ nguồn

thải của các tỉnh thành khác để xử lý như Bình Dương, Đồng Nai, Tây Ninh,…(Theo Báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường năm tháng 11 năm 2016).

Việc xử lý ô nhiễm môi trường do rác thải nguy hại gây ra đang đặt ra nhu cầu cấpbách về công nghệ xử lý ô nhiễm và bảo vệ môi trường, nhất là tình trạng biến đổi khíhậu ngày càng nặng nề đặc biệt là ở Việt Nam Hơn nữa, trong nhiệm vụ chiến lượcquốc gia nhằm ứng phó biến đổi khí hậu đã nêu rõ cần phát triển khoa học – công nghệ

tiên tiến trong ứng phó khí hậu nhằm đạt mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính (Chiến lược quốc gia về biến đổi khí hậu, năm 2011).

1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Với tình hình hiện tại, khi lượng chất thải rắn nguy hại ngày một tăng cao thì việcgiải quyết một khối lượng lớn rác đang là một vấn đề thách thức và khó khăn tại ViệtNam, vì hiện tại chưa có một phương án xử lý nào mang tính tối ưu bởi chất thải chứacác halogen hữu cơ hay các hợp chất hữu cơ khó phân hủy POPs (Persistent OrganicPollutants) tồn đọng với số lượng lớn, độc tính cao… Các loại thuốc trừ sâu, thuốc diệt

cỏ, trong đó đặc biệt nguy hiểm là nhóm hữu cơ khó phân hủy (như aldrin, chlordane,DDT…) là những hợp chất hữu cơ độc đứng đầu bảng danh sách 12 loại độc chất nguyhại Tại Việt Nam, ước tính vẫn còn ít nhất 2/3 lượng PCBs được sản xuất đang được

sử dụng như trong các thiết bị điện cũ, tại các bãi chôn chất thải (Tài liệu hội thảo của

Western).

Tuy nhiên, hiện tại vẫn có một số phương pháp xử lý đối với loại chất thải ô nhiễmnày như: khử hóa học pha khí (GPCR); khử clo xúc tác bazơ (BCD); solvat hóa điện tử(SET); khử Natri; thuỷ tinh hoá tại chỗ (ISV); công nghệ sinh học; plasma… hay đồng

xử lý trong lò nung xi măng tỏ ra không thích hợp và hiệu quả Trong khi đó nhữngnghiên cứu triển khai ứng dụng trên thế giới cho thấy biện pháp và xử lý triệt để và hiệuquả hơn đối với chất thải chứa các halogen hữu cơ và hợp chất hữu cơ khó phân hủy làbiện pháp thiêu đốt ở nhiệt độ cao, có kiểm soát trong các lò đốt rác chuyên dụng và hợpchuẩn Xử lý rác bằng phương pháp đốt trong lò đốt rác tiêu chuẩn có nhiều tiềm năng

và ưu điểm hơn so với các phương pháp khác như: xử lý triệt để mọi loại chất thải dạng

rắn và lỏng có thể cháy được; giảm thể tích chất thải đến 95%; thời gian xử lý nhanhngay trong lò đốt rác; có thể thực hiện ngay tại chỗ hay trong các khu quy hoạch không

xa nguồn thải giảm bớt chi phí và rủi ro trong quá trình vận chuyển Mặt khác, nếu tậndụng được lượng nhiệt dư tỏa ra từ quá trình đốt rác để phát điện, sinh hơi nước quánhiệt hay gia nhiệt cho các quá trình sấy… thì hiệu quả kinh tế của quá trình xử lý này

sẽ tăng lên

Ở Việt Nam, những năm gần đây có rất nhiều lò đốt rác trong nước và nhập khẩutham gia xử lý rác bằng phương pháp thiêu đốt đối với rác thải nguy hại Do phươngpháp này đòi hỏi công nghệ cao, kiểm soát chế độ, chi phí vận hành cao và đặc biệt làđơn giá xử lý cao, chính vì vậy nhà nước đã sớm ban hành văn bản để quản lý, hướngdẫn sử dụng và vận hành lò đốt rác như QCVN 30:2012/BTNMT Trong đó, quy địnhđối với điều kiện đốt cháy chất thải nguy hại thông thường thì nhiệt độ đốt thứ cấp trên1.050°C Tuy nhiên, hiện tại ở Việt Nam chưa có công nghệ Lò đốt rác nào được cấpphép xử lý đốt chất thải rắn có hàm lượng halogen hữu cơ vượt ngưỡng chất thải nguyhại có nhiệt độ buồng đốt thứ cấp trên 1.200°C Tiêu chí này đòi hỏi công nghệ của Lòđốt phải đáp ứng được điều kiện vận hành ngặt nghèo đặc biệt là khi đốt nhiên liệu (vìkhi đốt bằng plasma, hồ quang thì nhiệt độ dễ dàng lên đến 2.000÷3.000°C)

Theo QCVN 30:2012/BTNMT trường hợp thiêu đốt chất thải nguy hại chứa cácthành phần halogen hữu cơ vượt ngưỡng chất thải nguy hại: nhiệt độ đốt ≥ 1.200°C sẽ

bẻ gãy liên kết mạch vòng bền vững, xử lý triệt để các chất thải nguy hại Các nghiêncứu trước đây cho thấy, hiệu quả thiêu hủy chất thải nguy hại chứa các thành phầnhalogen hữu cơ vượt ngưỡng chất thải nguy hại trong lò đốt rác phải thỏa mãn ba yếu tố

“T” của quá trình thiêu đốt: Nhiệt độ đốt (Temperature), Thời gian lưu khí (Time) vàCường độ xáo trộn rối (Turbulence)

Theo nghiên cứu tại Aerosol & Particulate Research Laboratory cho thấy ở cùngmột hiệu quả xử lý khí thải, nhiệt độ cao buồng đốt càng cao (1.500°C) thì có thời gianlưu càng thấp (0,001 giây) so với nhiệt độ thấp (1.100°C) thì cần thời gian lưu cần đến

1 giây Tuy nhiên, thời gian lưu liên quan tỷ lệ thuận với thể tích buồng đốt do đó, dựavào kết quả của nghiên cứu này có thể thấy việc tận dụng nhiệt độ siêu cao (trên 1.500°C)của ngọn lửa hồ quang điện để giảm thể tích buồng đốt thứ cấp sẽ mang lại nhiều lợi ích

về kinh tế trong đầu tư, vận hành và hiệu quả xử lý

Dựa theo các nghiên cứu trên thế giới về khả năng xử lý triệt để chất thải nguy hại

ở nhiệt độ cao, đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ phát nhiệt hồ quang cho buồng đốt thứ cấp của lò đốt chất thải rắn nguy hại” được chọn để làm luận văn nghiên cứu và thiết

kế tại Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường, nếu đề tài được nghiên cứu thành

công và được áp dụng trong thực tiễn sẽ là bước ngoặt cho việc áp dụng hồ quang điệncho buồng thứ cấp cho lò đốt chất thải nguy hại đem lại chi phí tối ưu nhất cho việc xử

lý các chất thải rắn khó phân hủy

1.3 MỤC TIÊU, NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

buồng đốt thứ cấp của lò đốt rác; xác định vật liệu làm điện cực hồ quang và biện phápbảo vệ đầu điện cực cho ngọn lửa cháy ổn định, liên tục, hoạt động trong thời gian dài;

− Xác định các thông số cơ bản của ngọn lửa hồ quang: U, I, nhiệt độ, công suất nhiệt;

nhằm xử lý chất thải chứa hàm lượng halogen hữu cơ vượt ngưỡng chất thải nguy hại theoQuy chuẩn Việt Nam;

− Áp dụng và hoàn thiện công nghệ phát nhiệt bằng Hồ quang điện vào quá trình xử lý chấtthải ô nhiễm, đặc biệt là bằng phương pháp đốt phân cấp

1.4 TÍNH KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI

Kết quả nghiên cứu của đề tài cho thấy khả năng tạo được hồ quang điện có nhiệt

độ siêu cao bằng phương pháp, thiết bị đơn giản với chi phí thấp (so với các phươngpháp plasma ) phù hợp điều kiện xử lý rác hiện tại của Việt Nam;

Đóng góp cơ sở lý thuyết cho việc phát triển nghiên cứu về công nghệ lò đốt rác

xử lý các loại chất thải nguy hại chứa Dioxin, Furans các hợp chất hữu cơ bền POPsnhằm bảo vệ môi trường ở Việt Nam trong tương lai Đồng thời mở ra một hướng mớitrong việc nghiên cứu, đào tạo, ứng dụng và phát triển công nghệ Hồ quang điện trongcác lĩnh vực xử lý môi trường đối với các loại chất thải nguy hại khác

1.5 Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Thông qua kết quả nghiên cứu giúp đánh giá được lợi ích từ việc xử lý chất thảinguy hại bằng lò hồ quang điện, giảm chi phí xử lý, xử lý triệt để tính nguy hại của chấtthải, không chiếm dụng nhiều đất cho chôn lấp, giải quyết một lượng lớn rác thải nguyhại, giảm thiểu ô nhiễm môi trường phục vụ phát triển kinh tế xã hội bền vững

Kết quả nghiên cứu có thể được dùng để định hướng thiết kế cho các công trìnhcấp cao xử lý chất thải nguy hại với công suất lớn, giải quyết một vấn đề lớn về việc xử

lý chất thải tại nguy hại khó phân hủy tại Việt Nam

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 2.1 HIỆN TRẠNG CHẤT THẢI NGUY HẠI TẠI VIỆT NAM

2.1.1 Chất thải nguy hại từ hoạt động sản xuất công nghiệp

Xử lý chất thải nguy hại đang là một vấn đề bức xúc trong công tác bảo vệ môitrường tại Việt Nam hiện nay Quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá mạnh mẽ củanước ta, lượng chất thải cũng liên tục gia tăng, tạo sức ép rất lớn đối với công tác bảo

vệ môi trường Theo thống kê từ báo cáo của các địa phương cho thấy tổng lượng CTNHphát sinh trên toàn quốc hiện nay khoảng 800.000 tấn/năm Ước tính trong CTR côngnghiệp, lượng CTNH chiếm tỷ lệ khoảng 20 – 30% Tỷ lệ này thay đổi tùy loại hìnhcông nghiệp, trong đó ngành cơ khí, điện, điện tử, hóa chất là những ngành có tỷ lệCTNH cao Ngoài ra, một nguồn phát sinh CTNH là từ các vụ vi phạm pháp luật trongnhập khẩu phế liệu làm nguyên liệu sản xuất Một số tổ chức, cá nhân lợi dụng việc nhậpkhẩu phế liệu đã đưa CTNH chủ yếu là phế liệu kim loại, nhựa, săm lốp cao su thải, vỏôtô, tàu biển chưa làm sạch tạp chất, ắc quy chì thải, sản phẩm điện tử đã qua sử dụng(màn hình máy tính, bản mạch điện tử thải, ) về Việt Nam Các địa bàn trọng điểm diễn

ra hoạt động này là tuyến biên giới phía Bắc (Cao Bằng, Lạng Sơn, Lào Cai), Tây Nam(Tây Ninh, Kiên Giang) và các cửa khẩu đường biển (tại Hải Phòng, Quảng Ninh và Tp

Hồ Chí Minh) Theo thống kê của Tổng cục Hải quan, số lượng các vụ vi phạm nhậpkhẩu CTNH trái phép có diễn biến phức tạp, cụ thể: năm 2011 phát hiện 17 vụ với khốilượng CTNH thu giữ là 573 tấn, năm 2012 phát hiện 30 vụ với khối lượng thu giữ 3.868tấn và tính đến tháng 7/2013 phát hiện 13 vụ với khối lượng CTNH thu giữ là 323 tấn

(Theo Báo cáo hiện trạng môi trường năm 2015)

2.1.2 Chất thải nguy hại từ hoạt động nông thôn

Đối với CTR phát sinh từ khu vực sản xuất ở nông thôn, đáng lưu ý là các loạiCTR như bao bì phân bón, thuốc BVTV và CTR phát sinh từ nhóm làng nghề tái chếphế liệu (kim loại, giấy, nhựa) với nhiều thành phần nguy hại cho môi trường và sứckhỏe con người Ước tính mỗi năm tại khu vực nông thôn ở nước ta phát sinh hơn 14.000tấn bao bì hóa chất BVTV, phân bón các loại

Theo kết quả điều tra, thống kê của Bộ Tài nguyên và Môi trường và báo cáo của

Ủy ban nhân dân các tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương về các điểm tồn lưu do hóachất BVTV từ thời kỳ bao cấp, chiến tranh, không rõ nguồn gốc hoặc nhập lậu (sau đâygọi tắt là điểm ô nhiễm môi trường do hóa chất BVTV tồn lưu), tính đến tháng 6 năm

2015 trên địa bàn toàn quốc thống kê được 1.562 điểm tồn lưu do hóa chất BVTV trênđịa bàn 46 tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương Căn cứ theo QCVN 54:2013/BTNMT

của Bộ Tài nguyên và Môi trường về ngưỡng xử lý hóa chất BVTV hữu cơ theo mụcđích sử dụng đất thì hiện có khoảng 200 điểm ô nhiễm tồn lưu do hóa chất BVTV cómức độ rủi ro cao gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và đặc biệt nghiêm trọng, ảnhhưởng đến môi trường và sức khỏe cộng đồng.

2.1.3 Chất thải nguy hại từ hoạt động y tế

CTNH y tế chứa các tác nhân vi sinh, chất phóng xạ, hóa chất, các kim loại nặng

và các chất độc gây đột biến tế bào là dạng chất thải có thể sẽ gây những tác động tiềmtàng tới môi trường và tới sức khỏe cộng đồng, đặc biệt là những người phải tiếp xúctrực tiếp Chỉ tính riêng trên địa bàn Hà Nội, qua khảo sát của Sở Y tế, lượng CTNH y

tế từ hoạt động khám chữa bệnh của các cơ sở y tế trên địa bàn thành phố trong năm

2.2 CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI

2.2.1 Đặc điểm chất thải chứa halogen hữu cơ và hợp chất hữu cơ khó phân

bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học Nhóm này là những phi kim điểnhình, chúng là những chất oxy hóa mạnh bao gồm các nguyên tố hóa học là F, Cl,

Br, I,… khả năng oxy hoá giảm dần từ F đến I Trong nhóm Halogen, tính chất vật líbiến đổi có quy luật (trạng thái tập hợp, màu sắc, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độsôi ) Flo không tan trong nước vì nó phân huỷ nước rất mạnh, các Halogen kháctan ít trong nước và tan nhiều trong một số dung môi hữu cơ

Tính chất hoá học của nhóm Halogen: vì lớp electron ngoài cùng có cấu hìnhtương tự nên các Halogen có nhiều điểm giống nhau về tính chất hoá học của đơnchất cũng như về thành phần và tính chất của các hợp chất Halogen có ái lựcelectron lớn Nguyên tử Halogen X với 7 electron lớp ngoài cùng dễ dàng thuthêm 1 electron để tạo thành ion âm X – có cấu hình electroncủa khí hiếm liền

kề trong bảng tuần hoàn Các Halogen đều có âm độ điện lớn: độ âm điện của Flo(3,98) là lớn nhất trong tất cả các nguyên tố hoá học, từ Flo đến Clo, Brôm và Iốt bán kính nguyên tử tăng dần và độ âm điện giảm dần

Halogen hữu cơ hay các chất thải hữu cơ ô nhiễm bền khó phân hủy POPs(Persistent Organic Pollutants) là các hợp chất hữu cơ cấu tạo gồm các nguyên tửcacbon (C), hydro (H) và clo (Cl) Chúng là những chất thải nguy hại, chứa hàmlượng halogen hữu cơ cao bao gồm ba nhóm quan trọng: (1) PCBs(Polychlorinated Biphenyl): dầu biến thế, tụ điện, ắc quy, chất bôi trơn, sản xuấtnhựa…; (2) Dioxin và Furans: phát sinh từ lò đốt chất thải, sản xuất thuốcBVTV; (3) DDT (dichloro diphenyl trichlorothane): sử dụng thuốc BVTV 666,aldrin, chlordane… Cấu trúc chung của ba nhóm chính thuộc POPs:

PCBs (PolyChlorinated Byphenyls):

PCB là một trong 22 nhóm chất hữu cơ khó phân hủy (POPs) được quy địnhtrong Công ước Stockholm, sẽ được dừng sử dụng vào năm 2020 và tiêu hủy antoàn vào năm 2028 tại Việt Nam PCB là từ viết tắt của một nhóm hợp chất thơmcủa halogen được tạo thành khi thay thế từ 1 đến 10 nguyên tử hiđro trong phân tửbiphenyl bằng các nguyên tử clo PCB có 10 đồng đẳng và 209 cấu tử, trong đó

130 cấu tử được đưa vào sản xuất thương mại

PCB không sinh ra trong tự nhiên mà do con người sản xuất thành các sản phẩmcông nghiệp, dưới nhiều tên thương mại khác nhau như Aroclor, Askarel Theo thống

kê, trong giai đoạn từ 1930 đến 1993, có 11 nước gồm: Mỹ, Đức, Liên Xô cũ, Anh,Pháp, Nhật, Ý, Tây Ban Nha, Tiệp Khắc, Trung Quốc, Phần Lan đã sản xuất hơn 1,3triệu tấn PCB, trong đó Mỹ là nước sản xuất nhiều nhất (641 nghìn tấn), sau đó là cácnước: Đức (159 nghìn tấn), Liên Xô cũ (142 nghìn tấn), Pháp (135 nghìn tấn)

Việt Nam không sản xuất PCB mà nhập khẩu PCB thông qua các thiết bị điện,thiết bị công nghiệp và các ứng dụng dân dụng có sử dụng PCB Trong giai đoạn 1960-

1990, Việt Nam đã nhập khẩu từ 27.000 ÷ 30.000 tấn dầu chứa PCB Hiện PCB vẫnđang phát thải, lan truyền và tích tụ trong môi trường, thể hiện qua các kết quả quan trắcvới nồng độ PCB tương đối lớn và tăng dần theo thời gian trong trầm tích sông Nhuệ,

Tô Lịch, Lừ, Sét, Kim Ngưu, hồ Yên Sở, lưu vực sông Sài Gòn - Đồng Nai, tại các khuvực lưu giữ, trong đất nông nghiệp và thực phẩm

PCB đã được sản xuất và sử dụng phổ biến trên thế giới trong công nghiệp và đờisống trong giai đoạn 1930 – 1993 PCB được sử dụng như một chất phụ gia trong một

số ngành công nghiệp như dầu cách điện máy biến thế và tụ điện, dầu thủy lực và dầucắt công nghiệp, sơn, mực in, giấy không chứa carbon, chất dính, chất bôi trơn, chất bịtkín, chất làm dẻo trong PVC và cao su nhân tạo, thuốc trừ sâu, chất chống cháy (trongvải, thảm, bọt polyurethane…) Phần lớn PCB được dùng làm chất cách điện, trong các

tụ điện và máy biến thế Các thiết bị này có thể chứa từ vài mg đến hàng chục nghìn mgPCB trên một kg dầu Sau khi phát hiện tính độc hại của chất này, nhiều nước trên thếgiới đã dừng sản xuất PCB từ những năm 70 thế kỷ trước

PCB là hóa chất có độc tính thuộc nhóm 2A là nhóm có khả năng gây ung thư,được coi là “sát thủ vô hình” với sức khỏe con nguời Con người bị phơi nhiễm PCBqua các con đường tiêu hóa, hô hấp và tiếp xúc qua da Riêng trẻ sơ sinh có thể bị phơinhiễm PCB từ sữa mẹ khi người mẹ bị phơi nhiễm PCB PCB có thể gây ra các ảnhhưởng cấp tính và mãn tính đối với sức khỏe Trong trường hợp cấp tính, cơ quan đầutiên bị PCB gây tổn thương là gan PCB gây thương tổn cấp tính như nổi mụn, cháy da

và bỏng mắt Với trường hợp mãn tính, PCB có thể tồn tại lâu dài trong mô mỡ và tíchlũy trong cơ thể, gây tác hại nghiêm trọng đối với sức khỏe như ung thư, tác động đến

hệ nội tiết (rối loạn nội tiết) và phát triển của trẻ nhỏ (ảnh hưởng đến hệ thần kinh, chỉ

số IQ)

2.2.2 Các công nghệ xử lý chất hữu cơ khó phân hủy hiện nay trên thế giới đang áp dụng và sự bất cập trong điều kiện Việt Nam

2.2.2.1 Công nghệ khử hóa học pha khí (GPCR)

Dùng để xử lý PCBs, Dioxin, Furans và thuốc trừ sâu, được xem là quy trình côngnghệ cao nên đòi hỏi đầu tư và trình độ năng lực thực hành cao Vật liệu và các hóa chấtcần thiết cho quy trình này gồm hydro, nước, xút và nguồn điện Sử dụng hydro ở nhiệt

độ cao sẽ có rủi ro rất cao do đó cần có các biện pháp tổng thể về an ninh và an toàn đốivới hỏa hoạn Ngoài ra, các biện pháp tiền xử lý có thể là nhân tố hạn chế khi cần làmsạch các thiết bị có kích thước lớn, hoặc khi xử lý chất thải chứa asen, thủy ngân có thểtạo ra các hợp chất asen và thủy ngân có tính độc cao Vì vậy khả năng ứng dụng côngnghệ này tại Việt Nam sẽ rất hạn chế do chi phí cao và tính phức tạp của công nghệ

2.2.2.2 Quy trình khử clo xúc tác bazơ (BCD)

Phòng thí nghiệm kỹ thuật giảm thiểu rủi ro của Cơ quan Bảo vệ môi trường Mỹ(EPA) phối hợp với Trung tâm kỹ thuật Naval (NFESC) xây dựng quy trình này để làmsạch các chất lỏng, chất rắn, bùn và trầm tích bị ô nhiễm các hợp chất hữu cơ clorua,đặc biệt là PCBs, Dioxin và Furans Áp dụng quy trình BCD để xử lý DDT, PCB, Dioxin

và Furans đạt hiệu quả cao, tuy nhiên công nghệ này có một số hạn chế như: chất thải

có nồng độ ô nhiễm càng cao thì đòi hỏi thời gian phản ứng càng lâu; phải đảm bảo cácyếu tố như nhân viên vận hành có năng lực cao, có quy trình quản lý và kiểm tra an toànchặt chẽ và có chương trình bảo trì, bảo dưỡng rất tốt, chí phí cao và phức tạp khi vậnhành…

2.2.2.3 Công nghệ solvat hóa điện tử (SET)

Công nghệ này có thể phá hủy các hợp chất hữu cơ chứa halogen, PCBs, thuốc trừsâu, CFC, Dioxin, Furans và các dung môi Clo khác có trong các dạng chất thải khácnhau (đất, trầm tích, bùn, dầu, kim loại, chất lỏng không chứa nước, bê tông), đạt hiệusuất tiêu hủy từ 95 ÷ 99% Tuy nhiên, khi áp dụng công nghệ này, ta có thể gặp một sốkhó khăn như: nếu thiếu chất thử sẽ chỉ phân hủy được một phần chất ô nhiễm; nếu thừachất thử sẽ để lại vệt natri, natri có tính phản ứng mạnh và dễ cháy hoặc thậm chí dễ nổnếu tiếp xúc với oxy hoặc nước; phản ứng SET tỏa nhiệt mạnh nên sẽ là vấn đề đối vớinhà máy lớn; công nghệ SET có tính ăn mòn lớn và có thể sinh ra các phụ phẩm độchại Do có nhiều nhược điểm đặc biệt là các rủi ro liên quan đến an toàn và sức khỏenên công nghệ này khó khả thi để áp dụng tại Việt Nam

2.2.2.4 Khử Natri

Công nghệ khử natri dựa trên nguyên lý tương tự như công nghệ SET Natri kimloại phân tán trong dầu khoáng sẽ phá hủy PCB, natri phản ứng với nguyên tử Clo trongcấu trúc của PCB tạo thành muối và các biphenyl Có thể dùng công nghệ khử natritrong các hệ thống xử lý chất thải cố định hoặc lưu động Dựa trên cùng một nguyên lý

có thể dùng các chất kiềm khác (ngoài natri) để khử clo trong các hợp chất hữu cơ

2.2.2.5 Thủy tinh hóa tại chỗ (ISV)

Phương pháp ISV thích hợp để xử lý đất, cặn bùn trầm tích và các chất thải ônhiễm PCBs, Dioxin, Furans, thuốc diệt cỏ, dầu nhiên liệu Hiệu suất đạt được đến 90%.Nguyên lý hoạt động của ISV là đưa các điện cực than chì lớn vào trong đất, điện phóng

ra từ điện cực này tới điện cực khác xuyên qua đất, nhiệt độ đạt được dao động từ 1.400

÷ 2.000°C biến đất thành dạng nung chảy Các điện cực di chuyển sâu hơn khi đất hóalỏng và tiếp tục nung chảy đất cho đến khi đạt được độ sâu cực đại (ước lượng đạt được

là 9 m) Sau đó, ngắt điện và đất bị rắn hóa thành thủy tinh Các chất ô nhiễm hữu cơ bịchuyển thành khí và được thu gom, vận chuyển để xử lý Hạn chế của công nghệ ISVnằm ở độ dài của điện cực và tính sẵn có của nguồn điện cung cấp Ngoài ra, các hợpchất hữu cơ không bền và sản phẩm đốt có thể thoát ra từ hệ thống xử lý khí thải, do đó

để tránh phát thải các khí nguy hiểm phải làm khô đất trước khi nung chảy, thiết bị phứctạp, trình độ kỹ thuật của người vận hành phải cao và cần tiến hành đo độ thấm từ và tỷtrọng tại địa điểm xử lý, cung cấp đủ cho đất một lượng vật liệu tạo thủy tinh (silicon,oxit nhôm) và kim loại và các vật liệu cần thiết khác (điện cực, máy biến áp để phátđiện, nắp thu khí thải, hệ thống xử lý khí thải, nước) do đó cũng rất khó áp dụng côngnghệ này tại Việt Nam

2.2.2.6 Công nghệ xử lý sinh học

Là việc dùng vi sinh vật để phá vỡ cấu trúc hóa học của các hợp chất hữu cơ làm

ô nhiễm đất Việc quan trọng nhất trong quy trình này là chọn được một sinh vật phùhợp để tiến hành quá trình làm sạch sinh học, các vi sinh vật có thể là vi khuẩn, men,nấm Khi áp dụng công nghệ này cần tìm hiểu kỹ các tác động do độ ẩm, nồng độ, nhiệt

độ, lượng oxy, nguồn thức ăn Phương pháp làm sạch sinh học có thể xử lý đất ngay tạikhu vực ô nhiễm Công nghệ này không phù hợp để xử lý tại các khu vực ô nhiễm thuốctrừ sâu nặng chỉ xử lý được POPs và PCBs hàm lượng thấp, kiểm soát điều kiện xử lýphúc tạp, thời gian xử lý lâu…

phân hủy có mạch vòng gốc benzen chứa Clo như các chất cực độc Dioxin, Furans.Phương pháp đốt rác trực tiếp cổ điển này hiện trên thế giới và ở nước ta đều khôngđược phép áp dụng, đặc biệt là đối với rác công nghiệp nguy hại Rác nguy hại côngnghiệp đòi hỏi phải xử lý bằng phương pháp thiêu đốt nhiều cấp, có kiểm soát khói thảiphải đạt yêu cầu theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về Lò đốt chất thải công nghiệpQCVN 30:2012/BTNMT trước khi thải ra môi trường.

Công nghệ plasma: công nghệ này có thể tiêu hủy được các hợp chất halogen hữu

cơ (bao gồm PCBs, Dioxin, Furans) đạt hiệu suất tiêu hủy đến 99% Nguyên lý hoạtđộng của công nghệ plasma là phóng một vùng lửa điện giữa 2 điện cực, chiếu một dòngđiện qua khí áp suất thấp để tạo plasma, sau đó đưa chất thải vào plasma ở nhiệt độ cóthể lên tới 3.000 ÷ 15.000°C Các hợp chất hữu cơ clo chuyển về trạng thái cơ bản vàtái hợp thành các chất dạng khí Tuy nhiên công nghệ này đòi hỏi thiết bị và vận hànhphức tạp, chi phí điện năng cao do nhiệt độ của dòng plasma quá cao đồng thời khó cóvật liệu chịu nhiệt độ cao của plasma trong thời gian dài Vì vậy cũng chưa thể áp dụngtại Việt Nam trong tương lai gần

Công nghệ đồng thiêu đốt chất thải chứa PCBs trong lò nung xi măng: đồng thiêuđốt các chất thải nguy hại như dầu biến thế chứa PCBs hay các chất thải nguy hại POPs,

… có nhiều ưu điểm như lò có nhiệt độ cao lên đến 1.200°C, thời gian lưu cháy lâu, độxáo trộn cao nên có khả năng phân huỷ hoàn toàn PCBs Nhưng công nghệ này can thiệpvào quá trình sản xuất và chất lượng xi măng thành phẩm, dạng lò quay nên khả năngphát tán Dioxin, Furans ra môi trường xung quanh cao và đặc biệt hiện nay chi phí xử lýPCBs trong các lò nung xi măng rất cao nên khó có khả năng áp dụng trong lò nung ximăng

2.2.3 Một số công trình nghiên cứu công nghệ xử lý

2.2.3.1 Tình hình nghiên cứu Thế giới

Các nghiên cứu trước đây chỉ mới tập trung nghiên cứu vào điều kiện xử lý Dioxin,

Furans hoặc xử lý tro thải của các lò đốt rác còn lẫn Dioxin, Furans bằng các lò đốt plasma hoặc lò hồ quang điện chẳng hạn như sau:

– Nghiên cứu của Gordon McKay về xử lý triệt để Dioxin, Furans trong các lò đốt rác cần 3điều kiện: nhiệt độ trên 1.000°C, thời gian lưu khói trong buồng đốt thứ cấp trên 2 giây

và hệ số rối trên 50.000 và sau đó khói thải phải được làm nguội nhanh xuống nhiệt độ 250

÷ 400°C trước khi vào hệ thống xử lý nhằm tránh sự tái hợp Dioxin, Furans trở lại

– Nghiên cứu của Shin-ichi Sakai và Masakatsu Hiraoka về xử lý Dioxin, Furans và cáckim loại nặng trong tro thải, tro bay áp dụng tại 24 nhà máy xử lý rác sinh hoạt

của Nhật Bản cho thấy áp dụng các công nghệ lò plasma hay lò hồ quang có nhiệt độtrên 1.400°C thì hiệu quả xử lý Dioxin, Furans trong tro trên 99,3%.

− Nghiên cứu tương tự của tác giả Qin Wang và cộng sự cho thấy xử lý tro thải, tro bay củacác lò đốt rác bằng lò plasma có khí Argon bảo vệ đầu anode plasma DC cho thấy hiệuquả xử lý Dioxin, Furans trên 99,95% và tăng hiệu quả bảo vệ đầu plasma rõ rệt

Trên thế giới đã áp dụng nhiều phương pháp, công nghệ khác nhau để xử lý chấtthải nguy hại có thành phần chứa các hợp chất halogen hữu cơ khó phân hủy, tuy nhiêncác công nghệ này thường đòi hỏi kỹ thuật, thiết bị phức tạp, giá thành thiết bị, chi phí

xử lý cao và vận hành phức tạp nên chưa thể áp dụng tại Việt Nam trong điều kiện hiệnnay Vì vậy, công nghệ hiệu quả và triệt để nhất vẫn là phương pháp đốt có kiểm soátnghiêm ngặt trong lò đốt rác

2.2.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Trong tháng 08/2007, Cục Môi trường đã tổ chức hội thảo “Giới thiệu và thamvấn lựa chọn công nghệ xử lý hóa chất POPs tồn lưu tại Việt Nam” Trong hội thảo này,

có 4 mô hình công nghệ được giới thiệu là: sử dụng lò thiêu đốt nhiệt độ thấp, lò đốt ximăng nhiệt độ cao, lò đốt 2 cấp có can thiệp làm lạnh cưỡng bức, công nghệ phân huỷsinh học Tuy có nhiều mô hình được đưa ra, nhưng chưa chọn được mô hình phù hợpnhất để xử lý các chất POPs tại Việt Nam một cách hiệu quả và đảm bảo yêu cầu khônggây phát tán chất độc Dioxin, Furans hay các chất độc hại khác ra môi trường cho đếnnay vẫn chưa tìm ra

Tháng 3/2010, Bộ Công Thương đã phối hợp với Bộ Tài nguyên và Môi trường vàTập đoàn Điện lực Việt Nam khởi động “Dự án quản lý PCBs tại Việt Nam” Dự án doQuỹ Môi trường toàn cầu (GEF) tài trợ, ủy thác qua Ngân hàng Thế giới và được thựchiện trong 5 năm (2010 – 2015) Mục tiêu của dự án là tăng cường năng lực quốc gia vềquản lý PCBs, lưu trữ an toàn PCBs, và tiến tới tiêu hủy, loại bỏ hoàn toàn PCBs để hạnchế rủi ro đối với môi trường và sức khỏe cộng đồng Đây là dự án tiếp nối của hai dự

án ban đầu là Dự án “Trình diễn quản lý và tiêu hủy PCBs - pha chuẩn bị” do Quỹ Môitrường toàn cầu (GEF) tài trợ, ủy thác qua Ngân hàng Thế giới và Dự án “Quản lý vàthải loại PCB trong các hệ thống điện theo cách thân thiện với môi trường” do Cơ quanHợp tác và Phát triển Thụy Sỹ (SDC) tài trợ, thực hiện từ năm 2007

Nghiên cứu của Phạm Ngọc Long trong đề tài: “Nghiên cứu khả năng phân huỷ2,4,5 – T và đặc điểm phân loại của chủng vi khuẩn phân lập từ các bioreactor xử lý đất

nhiễm chất diệt cỏ/dioxin” cho thấy môi trường SH1/5 chứa 200 ppm 2,4,5 – T sau 1tuần, vi khuẩn HR5.1 chỉ phân huỷ 35,7%.

Phạm Văn Thế, với đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của khoáng chất bentonit DiLinh biến tính đến phản ứng phân hủy nhiệt policlobiphenyl” cho thấy nhận được cácvật liệu MB-M và CaO để phân hủy PCBs ở 600°C, thì sản phẩm khí sinh ra đạt hiệusuất phân hủy PCBs đạt tới 96,66% ở 105oC, áp suất 50 mmHg

Các phương pháp truyền thống để xử lý rác chứa các halogen nguy hại vẫn cònmột số hạn chế như: sinh ra dòng ô nhiễm thứ cấp đặc biệt là các chất rất độc như Dioxin,Furans, NOx, hiệu quả xử lý phụ thuộc nhiều điều kiện khác nhau, phạm vi ứng dụnghạn chế, giá thành xử lý cao

2.2.4 Đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Hiện nay vẫn chưa có công nghệ nào phù hợp và đạt chuẩn được áp dụng ở ViệtNam xử lý các chất thải chứa các halogen hữu cơ khó phân hủy POPs (PCBs, Dioxin,Furans, thuốc trừ sâu – bảo vệ thực vật ) một cách triệt để và hiệu quả

Công nghệ thiêu đốt trong Lò đốt rác sử dụng nhiên liệu hiện hành chưa đảm bảo

xử lý được các chất thải chứa các halogen hữu cơ khó phân hủy POPs PCBs, Dioxin,Furans, thuốc trừ sâu – bảo vệ thực vật ), vấn đề là ở chỗ chưa tạo được môi trườngnhiệt độ siêu cao (trên 1.200°C) và vận hành với chi phí có thể chấp nhận được để xử lýchúng

Theo tiêu chuẩn thiêu hủy các halogen hữu cơ khó phân hủy trong lò đốt của EPA thì điều kiện thiêu đốt cần đáp ứng phải là: nhiệt độ thiêu đốt ổn định từ 1.100 ÷1.200°C, thời gian lưu khí trong vùng phản ứng không thấp hơn 2 giây và lượng oxy dư(trong khói thải sau buồng đốt) phải trên 3% hoặc trong điều kiện: nhiệt độ thiêu đốt ổnđịnh từ 1.500 ÷ 1.600°C, thời gian lưu khí trong vùng phản ứng không thấp hơn 1,5 giây

US-và lượng oxy dư (trong khói thải sau buồng đốt) phải trên 2% thì hiệu quả thiêu hủy cácPOPs là hơn 99,999%

Qua việc phân tích những công nghệ, phương pháp xử lý các hợp chất halogenhữa cơ trên đây, ta nhận thấy các giải pháp đó chưa hoàn toàn khả thi và hiệu quả trongđiều kiện kỹ thuật, kinh tế của Việt Nam hiện nay Các giải pháp, công nghệ này vẫncòn những mặt hạn chế như: khó phân hủy triệt để, chi phí nhiên liệu, thiết bị cao, tốnkém; hiệu quả thấp; tốc độ và năng suất xử lý chậm

Do đó, đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ phát nhiệt hồ quang cho buồng đốt thứ cấpcủa lò đốt chất thải rắn nguy hại” là một trong những đề tài nghiên cứu mới cần đượctriển khai phát triển, với những ưu điểm vượt trội của công nghệ xử lý bằng hồ quang

so với những phương pháp xử lý khác thì khả năng ứng dụng phương án này trong xử

lý chất thải rắn nguy hại tại Việt Nam là rất cao

2.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

− Nghiên cứu quá trình phát hồ quang trong buồng đốt thứ cấp, tính toán, lựa chọn các phương pháp duy trì nhiệt độ ổn định trong lò đốt

− Thiết kế hệ phát nhiệt hồ quang cho buồng đốt thứ cấp, tính toán, lựa chọn vật liệu làm điện cực thích hợp trong quá trình lắp hồ quang vào buồng đốt thứ cấp

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ LÒ ĐIỆN HỒ QUANG

3.1.1 Sự phóng điện hồ quang, bản chất vật lý của hồ quang điện

Hồ quang điện thực sự có ích khi được sử dụng trong các lĩnh vực như hàn điện, luyệnthép…những lúc này hồ quang điện cần được duy trì ổn định

3.1.1.2 Bản chất của hồ quang điện

Bản chất của hồ quang điện là hiện tượng phóng xạ với mật độ dòng điện rất lớn

từ nhiệt độ rất cao khoảng từ 5000 – 6000oC, và có điện áp rơi trên cực âm bé chỉ khoảng

10 – 20V và thường kèm theo hiện tượng phát sáng Sự phân bố của điện áp và cường

độ điện trường dọc theo chiều dài hồ quang

Dọc theo chiều dài hồ quang được chia làm ba vùng là: vùng xung quanh cực âm(cách cực âm khoảng 10 – 4 đến 10 – 5cm) vùng này tuy điện áp nhỏ chỉ 8 – 10V nhưngkhoảng cách cũng rất bé nên cường độ điện trường rất lớn cỡ 105 – 106 V/cm Còn vùng

có chiều dài gần hết hồ quang là vùng thân, vùng này có cường độ điện trường chỉkhoảng 10 đến 50 V/cm Vùng còn lại còn được gọi là vùng cực dương có cường độđiện trường lớn hơn vùng thân nhưng các yếu tố xảy ra ở đây theo các lý thuyết hiện đạithì ít ảnh hưởng đến quá trình phát sinh và dập hồ quang nên không được đề cập

3.1.1.3 Điều kiện tạo ra hồ quang điện

− Tạo ra một điện trường đủ mạnh giữa hai điện cực để ion hóa không khí để tạo ra tia lửađiện cường độ điện trường;

− Có thể tạo ra hồ quang điện với hiệu điện thế thấp mà không cần giai đoạn phóng điện hìnhtia Muốn vậy ta cho hai điện cực tiếp xúc với nhau và khi chỗ tiếp xúc nóng lên (dohiệu ứng Joule – Lentz) ta tách hai điện cực ra xa nhau một chút, khi đó ta sẽ được hồquang điện Năm 1802 Petrov bằng cách này với hai thanh than và một bộ bin mạnh lầnđầu tiên được phát hiện ra hồ quang điện Giữa hai thanh than có một cột khí sáng chói,các đầu than nóng đỏ và phát ra ánh sáng chói

làm cực dương (anôt) càng lõm vào, tạo thành một cái hố gọi là miệng hồ quang Hiệuđiện thế giữa hai cực khoảng 50V Hồ quang điện gây ion hóa chất khí, ion dương đập vào

tế quá trình phát sinh hồ quang điện có những dạng ion hóa sau:

− Quá trình phát xạ điện tử nhiệt

− Quá trình tự phát xạ điện tử

− Quá trình ion hóa do nhiệt

b Quá trình phát xạ điện từ nhiệt

Điện cực và tiếp điểm chế tạo từ kim loại, mà trong cấu trúc kim loại luôn tồn tạicác điện tử tự do chuyển động về mọi hướng trong quỹ đạo của cấu trúc hạt nhân nguyên

tử Khi tiếp điểm bắt đầu mở ra lực nén vào tiếp điểm giảm dần khiến điện trở tiếp xúctăng lên chỗ tiếp xúc dòng điện bị thắt lại mật độ dòng tăng rất lớn làm nóng các điệncực (nhất là ở cực âm nhiều e) Bị đốt nóng, động năng của các điện tử tăng nhanh đếnkhi công nhận được lớn hơn công thoát liên kết hạt nhân thì điện tử sẽ thoát ra khỏi bềmặt cực âm trở thành điện tử tự do Quá trình này được gọi là phát xạ điện tử nhiệt

c Quá trình tự phát xạ điện tử

Khi tiếp điểm hay điện cực vừa mở ra lúc đầu khoảng cách còn rất bé dưới tácdụng của điện áp nguồn ngoài thì cường độ điện trường rất lớn, nhất là vùng cực âm cókhoảng cách nhỏ có thể tới hàng triệu V/cm Với cường độ điện trường lớn ở cực âmmột số điện tử có liên kết yếu với hạt nhân trong cấu trúc sẽ bị kéo bật ra khỏi bề mặtcatốt trở thành các điện tử tự do, hiện tượng này gọi là tự phát xạ điện tử Khi có điện

tử tự phát xạ và phát xạ điện tử nhiệt năng lượng được giải phóng rất lớn làm nhiệt độkhu vực hồ quang tăng cao và phát sáng, đặc biệt khi cắt mạch ở điện áp cao và có dòngtải lớn thì hồ quang cháy và phát sáng rất mãnh liệt

d Ion hóa do va chạm

Sau khi tiếp điểm mở ra, dưới tác dụng của nhiệt độ cao hoặc của điện trường lớn(mà thông thường là cả hai) thì các điện tử tự do sẽ phát sinh chuyển động từ cực dươngsang cực âm Do điện trường rất lớn nên các điện tử chuyển động với tốc độ rất cao.Trên đường đi các điện tử này bắn phá các nguyên tử và phân tử khí sẽ làm bật ra cácđiện tử và các ion dương Các phần tử mang điện này lại tiếp tục tham gia chuyển động

và bắn phá tiếp làm xuất hiện các phần tử mang điện khác Do vậy mà số lượng các phần

tử mang điện tăng lên không ngừng, làm mật độ điện tích trong khoảng không gian giữacác tiếp điểm rất lớn, đó là quá trình ion hóa do va chạm

e Ion hóa do nhiệt

Do có các quá trình phát xạ điện tử và ion hóa do va chạm, một lượng lớn nănglượng được giải phóng làm nhiệt độ vùng hồ quang tăng cao và thường kèm theo hiệntượng phát sáng Nhiệt độ khí càng tăng thì tốc độ chuyển động của các phần tử khí càngtăng và số lần va chạm do đó cũng càng tăng lên Khi tham gia chuyển động cũng cómột số phần tử gặp nhau sẽ kết hợp lại phân ly thành các nguyên tử Các nguyên tửkhuếch tán vào môi trường xung quanh, gặp nhiệt độ thấp sẽ kết hợp lại thành phân tử,hiện tượng này gọi là hiện tượng phân ly (phản ứng phân ly thu nhiệt làm giảm nhiệt độcủa hồ quang, tạo điều kiện cho khử ion) Còn lượng các ion hóa tăng lên do va chạm

khi nhiệt độ tăng thì gọi đó là lượng ion hóa do nhiệt Nhiệt độ để có hiện tượng ion hóa

do nhiệt cao hơn nhiều so với nhiệt độ có hiện tượng phân ly Ví dụ không khí có nhiệt

độ phân ly khoảng 40.000oK còn nhiệt độ ion hóa khoảng 80.000oK

Tóm lại, hồ quang điện phát sinh là do tác dụng của nhiệt độ cao và cường độ điệntrường lớn sinh ra hiện tượng phát xạ điện tử nhiệt và tự phát xạ điện tử và tiếp theo làquá trình ion hóa do va chạm và ion hóa do nhiệt Khi cường độ điện trường càng tăng(khi tăng điện áp nguồn), nhiệt độ càng cao và mật độ dòng càng lớn thì hồ quang cháycàng mãnh liệt Quá trình có thoát năng lượng hạt nhân nên thường kèm theo hiện tượngphát sáng chói lòa Nếu tăng áp lực lên môi trường hồ quang thì sẽ giảm được tốc độchuyển động của các phần tử và do vậy hiện tượng ion hóa sẽ giảm

f Quá trình hồ quang tắt

Hồ quang điện sẽ bị dập tắt khi môi trường giữa các điện cực không còn dẫn điệnhay nói cách khác hồ quang điện sẽ tắt khi có quá trình phản ion hóa xảy ra mạnh hơnquá trình ion hóa Ngoài quá trình phân ly đã nói trên, song song với quá trình ion hóacòn có các quá trình phản ion gồm hai hiện tượng sau:

+ Hiện tượng tái hợp: Trong quá trình chuyển động các hạt mang điện là ion dương

và điện tử gặp được các hạt tích điện khác dấu là điện tử hoặc ion dương để trở thànhcác hạt trung hòa (hoặc ít dương hơn) Trong lý thuyết đã chứng minh tốc độ tái hợp tỉ

lệ nghịch với bình phương đường kính hồ quang, và nếu cho hồ quang tiếp xúc với điệnmôi hiện tượng tái hợp sẽ tăng lên Nhiệt độ hồ quang càng thấp tốc độ tái hợp càngtăng

+ Hiện tượng khuếch tán: Hiện tượng các hạt tích điện di chuyển từ vùng có mật

độ điện tích cao (vùng hồ quang) ra vùng xung quanh có mật độ điện tích thấp là hiệntượng khuếch tán Các điện tử và ion dương khuếch tán dọc theo thân hồ quang, điện tửkhuếch tán nhanh hơn ion dương Quá trình khuếch tán đặc trưng bằng tốc độ khuếchtán Sự khuếch tán càng nhanh hồ quang càng nhanh bị tắt Để tăng quá trình khuếch tánngười ta thường tìm cách kéo dài ngọn lửa hồ quang

3.1.3 Nguyên lý hồ quang điện

Hồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực xảy ra trong chất khí ở áp suất thườnghoặc áp suất thấp giữa hai điện cực có hiệu điện thế không lớn Trên thực tế nó là mộtdạng plasma tạo ra qua sự trao đổi điện tích liên tục

Dòng điện chạy qua khí giữa 2 cực chủ yếu là dòng electron (và cả ion âm) đi từcathode đến anode nhưng cũng có một phần là dòng ion dương đi theo chiều ngược lại

Các ion âm và electron tới va chạm vào anot, làm anot nóng lên, nhiệt độ có thể lên đến3.500°C Do đó, anot phát sáng mạnh; tại hầu hết vật liệu bị nóng chảy và thậm chí bayhơi, nên anot bị lõm vào, làm cho mạch điện bị nối tắt Còn các ion dương khi tới đậpvào catot thì cũng làm cho catot duy trì được trạng thái nóng đỏ ban đầu và phat ra cácelectron (phát xạ nhiệt e) Chất khí giữa 2 cực ở nhiệt độ cao nên bị ion hoá và dẫn điệntốt, nhờ đó mà điện trở của khí trong hồ quang điện rất nhỏ Cường độ dòng điện trongmạch có thể khá lớn, đạt hàng chục ampe, hiệu điện thế thấp.

Trong đó: I – Cường độ dòng điện làm việc của lò, A;

R – Điện trở tác dụng của toàn mặt điện, Ω ;

t – Thời gian làm việc của lò, giờ (h);

Trong lò điện hồ quang dòng điện I chuyển từ đầu điện cực qua chùm hồ quang,qua không khí trong lò vào các thành phần rác, còn điện áp UHQ thay đổi giá trị theo cácgiai đoạn đốt rác, điện áp hồ quang chủ yếu phụ thuộc vào điện áp nguồn cung cấp Điện

áp nguồn càng lớn thì điện áp hồ quang càng cao, hồ quang được phát ra càng nhanhcàng mạnh, chùm hồ quang càng dài Trong máy biến áp lò các cuộn sơ cấp được quấnxung quanh lõi sắt từ, cuộn sơ cấp có cấu tạo theo nhiều cấp điện áp, khoảng 2÷31 cấphay lớn hơn phụ thuôc vào tải của lò Khi chuyển đổi cấp điện cần phải căn cứ vào tìnhtrạng nung đỏ liệu, còn cuộn thứ cấp được nối cố định theo hình tam giác (∆) hay hìnhsao (Y)

Khi có dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn sơ và thứ cấp trong lõi sắt từ của biến

áp lò sinh ra một sức điện động cảm ứng E

F: Tiết diện dây dẫn, cm2

B: Đại lượng cảm ứng điện từ, H/cm2

φ : từ thông đi qua lõi sắt từ, Wb

φ= F.B

Vì vậy khí biến điện qua hai cuộn dây tỷ số của điện áp giữa cuộn sơ và cuộn thứ

tỷ lệ với số vòng của hai cuộn dây đó và tỷ lệ nghịch với tỷ số dòng điện sơ và thứ

Trong đó E1 – sức điện động cảm ứng được sinh ra trong cuộn sơ cấp của biến áp

E2 – sức điện động cảm ứng trong cuộn thứ cấp, V;

n1 – số vòng dây trong cuộn sơ cấp;

n2 – số vòng dây trong cuộn thứ cấp;

3.1.5 Hồ quang và tính chất của hồ quang điện trong lò điện

Hồ quang điện là nguồn phát nhiệt chủ yếu trong lò điện, tính chất đặc biệt của hồquang là do cấu tạo mạch điện Trong máy biến áp lò người ta thường nối thêm cuộncảm kháng (drossel) để duy trì hồ quang phát ra ổn định và liên tục nhất là giai đoạnthông điện vào lò

Hồ quang điện là dạng phóng điện bền vững nhất, tạo ra môi trường khí ion hóatrong lò Truyền điện vào chùm hồ quang do các điện tử phóng ra khỏi đầu điện cực chủyếu, còn các ion dương tham gia vào quá trình truyền điện là tương đối yếu Trong môitrường khí, hồ quang điện cân bằng ổn định các ion, nghĩa là tổng lượng các phần tửtích điện âm trong chùm hồ quang cân bằng với tổng lượng các phần tử tích điện dương,nhưng theo độ dài của chùm hồ quang thì sự phân bố phóng điện đó không bằng nhau.Đại đa số các ion dương tập trung thành từng lớp gần cực catot, còn các điện tử tập trung

ở hai đầu điện cực Hồ quang điện mang đầy đủ các tính chất cảm ứng điện (XL = wL)

Hồ quang điện một chiều: Trong lò điện tạo ra hồ quang “nóng” có nhiệt độ cao(>1800oC) khác với hồ quang “nguội”: được ứng dụng trong các loại máy và thiết bịphóng điện Dạng hồ quang đơn giản nhất là hồ quang điện một chiều phát ra giữa haiđiện cực bằng than hoặc bằng grafit

1 – Vết đầu nhọn catot có nhiệt độ,

T k ≥ 3.700 o K, 2 – Vết lõm đầu anot có nhiệ độ T a≥ 4.200 o K, 3 – Phaken hồ quang có T P ≥ 6.000 o K; 4 – Viền đen bụi cacbon; 5 – Vùng ion hóa khí.

Hình 3.2 Quá trình phát hồ quang điện một chiều.

Trong chùm hồ quang, trên cực catot có một đầu nhọn có nhiệt độ Tk≥3700oK,điện tử được phóng ra mang một năng lượng nhiệt rất lớn (Te) làm cho môi trường không

khí bị ion hóa có (Ti) của các ion cao, ngoài ra còn có một số nguyên tử khí mang nhiệt(Ta) Theo thực tế chúng ta có giá trị Te>Ti>Ta Trong môi trường không khí giá trị Tc ,

Ti, Ta không chênh lệch lớn Nhưng trong môi trường chân không thì chúng khác nhaurất xa, đặc biệt trong môi trường chân không sâu có áp suất Pck= 10-4 ÷10 -6 mmHg thì

Trong đó: A – hệ số vật lý, phụ thuộc vào vật liệu làm điện cực;

T – nhiệt độ nung nóng đầu điện cực, oK;

C – hệ số vật lý phụ thuộc vào phương pháp sản xuất điện cực;

E – thế năng của điện trường hay là radian điện áp, V/cm;

Φ – công thoát điện tử, eV;

∆φ – số hiệu chỉnh của ông Vottku (do tác động của điện trường bên ngoài làm giảm bớt công thoát);

K – hằng số Boltzman;

Theo công thức trên chúng ta có kết luận sau:

− Trong quá trình nhiệt động học, phóng điện tử tăng rất mạnh khi nâng nhiệt độ bức xạ củacác đầu điện cực, công sinh ra trong quá trình phóng điện tử luôn luôn nhỏ hơn so vớicông thoát điện tử từ đầu đến cuối điện cực

− Phóng điện tử tự động rất mạnh khi tăng điện áp của điện trường (tăng điện áp ởnguồn) Khi phóng điện tử tự động có một số năng lượng bù cho việc giảm nhiệt độ bức

xạ của điện cực, nghĩa là làm yếu tố quá trình phóng điện tử trong điều kiện nhiệt độnghọc

Bằng phương pháp thực nghiệm ông G.Ariton (Nga) đã xác định được điện áp hồquang thay đổi theo cường độ dòng điện làm việc

Trong đó ∝, β và δ – là các hệ số vật lý phụ thuộc vào nguyên vật liệu và phương pháp sản xuất điện cực.

LHQ – chiêu dài của chùm hồ quang, mm;

IHQ – dòng điện hồ quang, A

Quan hệ giữ điện áp hồ quang và dòng điện làm việc của lò được nêu ở hình:

Hình 3.3 Quan hệ giữ điện áp hồ quang và dòng điện làm việc của lò.

Khi I > 100A thì điện áp hồ quang được tính theo công thức:

U HQ =α +β.L HQ =∆U C −∆U h ,V

∆Uc – Tổng hiệu điện áp trên điện cực catot và anot, V

∆Uh – Tổng hiệu điện áp ở cột hồ quang, V

∝ - Hiệu điện áp giữa cực âm và cực dương, V

Β – radian điện áp trong cột hồ quang, V/cm

Vì vậy điện áp hồ quang không phụ thuộc vào cường độ dòng điện làm việc của lò

mà chỉ phụ thuộc điện áp nguồn cung cấp và bản chất của vật liệu làm điện cực

Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình phát hồ quang:

1 – Nguồn cung cấp năng lượng điện: Máy biến áp lò có dung lượng lớn (kVA) thì cung cấpnguồn hồ quang lớn, các đại lượng điện áp (UHQ) và cường độ dòng điện (IHQ) cao, do đóquá trình phát hồ quang dễ dàng, mạnh và mức độ gián đoạn của hồ quang giảm đáng kể,còn đối với lò điện cỡ nhỏ có nguồn điện cung cấp thấp, hồ quang phát khó khăn và yếu,

do đó kéo dài thời gian xử lý rác

Công suất của hồ quang điện được xác định theo công thức sau:

P HQ = U HQ I.cosϕ

Trong đó: I – cường độ dòng điện làm việc của lò, A;

Ung – điện áp nguồn cung cấp, V;

R – điện trở của toàn mạch, Ω;Vậy

P HQ = (U ng −∆U ).I.cos ϕ, kW

Tăng công suất hồ quang bằng cách tăng cường độ dòng điện làm việc hoặc tăng điện áp hồ quang Nếu tăng dòng điện (I) quá mức thì điện áp hồ quang giảm xuống rấtnhanh (vì ∆U ↑= I ↑ R ) Nếu tăng điện áp hồ quang (U HQ ↑ ) thì phải tăng điện áp nguồn

( U ng ↑ ) và giảm ∆U giảm I hoặc R Nếu tăng điện áp nguồn thì phải thiết kế lại kích

thước và tỷ lệ của cuộn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp lò Nếu giảm I đôi lúc không

đáp ứng cung cấp nhiệt cho quá trình đốt rác ( Q = I 2

.R.t ) Vì vậy cần phải xác định điện

áp nguồn và dòng điện làm việc cao hợp lý

2 – Ảnh hưởng của xỉ: Trong quá trình đốt rác luôn luôn tạo xỉ ngăn cách đầu điện cực với bềmặt rác cần đốt Như vậy nguồn điện hồ quang được phát ra từ đầu điện cực qua khôngkhí, qua lớp xỉ rồi xuống tới kim loại Nhiệt bức xạ của hồ quang vừa cung cấp cho việcnung chảy xỉ, vừa nung nóng lại rác Độ dày của lớp xỉ và tính chất của xỉ cũng ảnh hưởngrất lớn đến nguồn cung cấp hồ quang

3 – Bố trí điện cực không hợp lý: Khi lò chạy bình thường thì hồ quang phát ra đều, liêntục theo các pha Nếu một trong ba pha không phát hồ quang hoặc phát ra yếu thì các phacòn lại phải chịu tải điện, nhiệt rất lớn, kéo dài thời gian đốt rác, tuổi thọ của lò giảm, áo

lò bị cháy mòn cục bộ trầm trọng Vì vậy trong lò điện hồ quang ba pha, điện cực được

bố trí thẳng đứng theo hình tam giác đều Tùy theo dung lượng từng lò

Trong đó: PHQ – Công suất điện của hồ quang, kW;

R – Bán kính phân bố điện cực chung, m

3.1.6 Chế độ nhiệt trong lò

Kích thước lò hợp lý sẽ đảm bảo phân bố nhiệt trong lò tốt Trong lò hồ quang,chùm hồ quang phát ra được tập trung lại với một thể tích rất bé, do đó xem hồ quangnhư là một điểm bức xạ nhiệt lớn 4.000 ÷ 6.000oC với áp lực rất mạnh Đại lượng nhiệt

hồ quang được xác định theo công thức:

Trong đó: PHQ – Công suất điện hồ quang, kW;

R – Khoảng cách từ tâm điện cực tới mặt trong của lò, m;

ϕ - góc tạo nên bởi bán kính R tới đường thẳng góc sát tường.

3.2 HỆ PHÁT NHIỆT HỒ QUANG CHO BUỒNG ĐỐT THỨ CẤP

(3.6)

Trong ngành luyện kim, lò điện hồ quang thường có 2 dạng là lò điện hồ quangtrực tiếp (sử dụng kim loại cần nấu luyện làm điện cực để nấu kim loại) và lò điện hồquang gián tiếp (sử dụng 2 điện cực graphite phóng điện sinh nhiệt nấu chảy kim loại

3.2.1 Phân loại lò hồ quang

Theo cấu tạo và ứng dụng lò hồ quang gồm ba loại: lò hồ quang gián tiếp, lò hồquang trực tiếp và lò hồ quang phủ kín

Lò điện hồ quang trực tiếp

Trong lò này điện năng được chuyển biến thành nhiệt năng ở dạng hồ quang, nhiệtcủa hồ quang phát ra sẽ bức xạ trực tiếp lên kim loại chứa trong lò Ở loại lò này, cácđiện cực được bố trí thẳng đứng theo hình tam giác đều Nguồn điện xoay chiều ba pha

sẽ được được đưa vào lò với công suất điện lớn Trong quá trình làm việc, chế độ điệnkhông ổn định, ảnh hưởng đến các quá trình khác

Theo cấu tạo mạng điện lò hồ quang được chia ra làm hai loại:

Lò có dây đất: Nguồn điện được dẫn từ điện cực than xuống kim loại rồi xuốngdây đất

Ưu điểm: tập trung nhiệt hoàn toàn cho vật liệu nằm dưới điện cực, chế độ điệntương đối ổn định

Nhược điểm: tuổi thọ đáy lò quá thấp thường chỉ đạt 10 – 20 mẻ Hay có hiệntượng rò điện xuống đáy lò, nguy hiểm đối với công nhân đứng thao tác trước lò.

Lò không dây đất: Loại này hiện nay được dùng phổ biến với những ưu điểm sau:

− Điện và nhiệt được lưu chuyển đều khắp mẻ liệu, do đó năng suất lò cao

− Tận dụng được nhiệt lớn, hiệu suất nhiệt 0,7 – 0,75 do đó tổn phí năng lượng điện ít

− Không có hiện tượng dò điện ra ngoài vỏ lò nên đảm bảo an toàn cho công nhân trực tiếp vận hành

Lò điện hồ quang giáp tiếp:

Lò nhỏ, điện cực được bố trí nằm ngang xuyên vào lòng lò Nguồn điện dùng thểmột chiều hoặc xoay chiều Công suất điện đưa vào lò không lớn, chế độ điện tương đối

ổn định Hồ quang điện sinh ra giữa hai điện cực cách xa liệu chứa trong lò, vì vậy nhiệtbức xạ trực tiếp xuống kim loại rất ít Do đó người ta sử dụng lò này để nấu kim loạimàu, kim loại dễ chấy như Cu, Pb, Zn,…

Ưu điểm: dễ điều chỉnh điện cực, chế độ điện và thao tác nấu luyện, cấu tạo đơngiản, gọn nhẹ, dễ khống chế nhiệt độ của kim loại lò

Nhược điểm: Nhiệt độ lò thấp vì vậy không thể nấu luyện thép và hợp kim, tuổithọ lò thấp vì trong quá trình nấu luyện cần quay lò một góc 120 – 180o, lò dễ bị tẩmthực bằng xỉ và kim loại lỏng

Lò hồ quang phủ kín

Hồ quang điện cháy dưới lớp liệu rắn bao quanh điện cực Vật liệu được nung nóng

do nhiệt hồ quang bức xạ trực tiếp trong thể tích kim loại và có tác dụng Joule khi dòngđiện đi qua liệu

Người ta thường dùng loại lò này để luyện các loại ferro hợp kim, công suất điệnđưa vào lò rất lớn có nhiều cấp điện thế Lò làm việc theo chế độ liên tục, nguyên lýgiống như luyện gang lò cao Do đó luôn luôn kín nên công nhân trực tiếp nấu luyện đỡnóng, nhưng khó quan sát và theo dõi quá trình nấu luyện

Hình 3.5 Mô hình lò hồ quang nung

nóng gián tiếp Hình 3.4 Mô hình lò hồ quang nung

nóng trực tiếp.

1 – Than điện cực; 2 – Tường lò; 3 – Ngọn lửa hồ quang; 4 – Vật gia công nhiệt

Trong đề tài luận văn ta sẽ nghiên cứu, thiết kế hệ phát nhiệt hồ quang cho buồngđốt thứ cấp theo lò điện hồ quang gián tiếp sử dụng hai điện cực grafit Loại lò này cóthể sử dụng nguồn điện một chiều, cũng có thể dung nguồn điện xoay chiều Hai cựcnằm ngang sẽ xuyên qua hông của buồng đốt thứ cấp Nhiệt độ trong lò đạt khoảng1.200 ÷1.350oC

3.2.2 Áp dụng hồ quang điện vào buồng đốt thứ cấp

Ưu điểm của lò điện hồ quang:

– Mật độ và công suất nhiệt hồ quang điện cao đến (12 ÷ 15).106 kcal/h: tạo được môi trường có nhiệt độ cao 2.000÷10.000°C;

– Hiệu suất sử dụng nhiệt của Lò Hồ quang cao đến 80%;

– Chi phí đầu tư và phí vận hành, bảo dưỡng thấp;

– Đã được sử dụng phổ biến trong ngành nấu luyện vật liệu

Thuận lợi khi áp dụng hồ quang điện vào buồng đốt thứ cấp đốt rác nguy

hại

:

– Xử lý nhanh chóng và triệt để chất thải nguy hại đặc biệt là chất nguy hại POPs;– Đã ứng dụng có hiệu quả trong công nghệ luyện kim;

– Giảm chi phí lưu giữ chất thải nguy hại;

– Xử lý triệt để chất thải nguy hại, hiệu suất xử lý cao, là giải pháp an toàn đối vớinhóm POPs, đảm bảo về mặt môi trường

– Giá thành đầu tư thấp hơn xử lý bằng lò Plasma hàng chục lần do thiết bị không phức tạp như Plasma; vật tư và vật liệu sẵn có và dễ kiếm;

Khó khăn:

– Chưa áp dụng công nghệ đốt chất thải nguy hại bằng Hồ quang điện;

– Khó khăn trong việc phát và điều chỉnh ngọn lửa Hồ quang ổn định;

– Khó khăn trong việc điều chỉnh công suất phát nhiệt, chế độ nhiệt

Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phát hồ quang điện:

Điều chỉnh công suất nhiệt của hồ quang điện bằng cách thay đổi: điện áp, khoảngcách giữa các điện cực, từ đó làm thay đổi chiều dài ngọn lửa hồ quang và sẽ thay đổicông suất tác dụng của hồ quang

Có thể duy trì công suất nhiệt của hồ quang theo dòng điện hồ quang Ihq, điện áp

hồ quang Uhq để thay đổi công suất hồ quang theo công thức:

Phq = Uhq.I.cosφ mà UHQ = Ung – ΔU và ΔU = I.RMỗi giai đoạn làm việc của lò hồ quang: công suất hồ quang Phq luôn thay đổi chophù hợp với chế độ nhiệt yêu cầu do đó cần thay đổi khoảng cách để theo chế độ nhiệtyêu cầu

Duy trì và điều khiển quá trình phát hồ quang điện:

Bộ điều chỉnh tự động nhằm duy trì: Zhq = Uhq / Ihq = const, là tối ưu thông quahiệu số các tín hiệu dòng và áp:

aIhq - bUhq = bIhq (Z0hq - Zhq)Trong đó: a, b: các hệ số phụ thuộc biến áp, biến dòng;

Z0hq, Zhq: giá trị đặt và giá trị thực của tổng trở của hồ quang;

Các yếu tố chính đề ra cho một bộ điều chỉnh công suất lò hồ quang:

– Đủ nhạy để đảm bảo chế độ làm việc đã cho của lò duy trì dòng điện hồ quang không tụtquá (4 ÷ 5)% trị số dòng điện làm việc Vùng không nhạy của bộ điều chỉnh không quá ±(3 ÷ 6)% trong khi nấu chảy và ± (2 ÷ 4)% trong các giai đoạn khác

– Tốc độ dịch chuyển điện cực có thể đạt tới 2,5 ÷ 3 m/ph

– Nhiệt độ của hồ quang phụ thuộc rất nhiều vào bản chất của nguyên liệu làm điện cực,

vì vậy trong cùng điều kiện, hồ quang của điện cực than graphite có thể đạt nhiệt độ caonhất như bảng sau:

Bảng 3.1 Thế ion hóa và nhiệt độ hồ quang của một số kim loại

Nhiệt độ hồ quang

(°C)C

1010101010

6.0005.2004.8004.4004.000– Thế và dòng của mạch hồ quang có liên hệ với nhau theo công thức:

U = A + (B / I∞) và I∞ = U / (R1 + R2)Trong đó: A và B: là các hằng số;

R1: điện trở plasma hồ quang;

Điều chỉnh công suất: Thay đổi điện áp ra của biến áp lực hoặc bằng sự dịch chuyểnđiện cực để thay đổi chiều dài của ngọn lửa hồ quang và như vậy sẽ thay đổi được điện

áp hồ quang, dòng điện hồ quang và công suất tác dụng hồ quang

Việc điều chỉnh cũng như khống chế tự động khoảng cách điện cực và bề mặt kimloại có thể thực hiện theo 3 phương pháp sau:

+ Phương pháp duy trì dòng hồ quang không đổi Ihq=const;

+ Phương pháp duy trì điện áp hồ quang không đổi Uhq=const;

+ Phương pháp duy trì tổng trở hồ quang không đổi Zhq=Uhq/Ihq=const;

* Phương pháp duy trì dòng hồ quang không đổi I hq =const

Phương pháp này không cho phép mồi hồ quang tự động Ngoài ra khi dòng điệnmột pha nào đó thay đổi sẽ kéo theo hai pha còn lại thay đổi Ví dụ khi hồ quang 3 dây

bị đứt Thì hồ quang làm việc như một phụ tải, một pha với hai pha còn lại nối tiếp vàođiện áp dây, lúc đó các bộ điều chỉnh hai pha còn lại sẽ tiến hành hạ điện cực, mặc dùviệc đó là không cần thiết Phương pháp duy trì lò hồ quang không đổi chỉ dùng cho lò

hồ quang điện một pha và chủ yếu dùng cho lò hồ quang chân không

* Phương pháp duy trì điện áp hồ quang không đổi U hq =const