Đồ án Nhiệt phân xử lý nhựa phế thải giới thiệu đến các bạn các khái niệm về nhựa, nhựa phế thải, nhiệt phân, quá trình và thiết bị nhiệt phân nhựa phế thải thành nhiên liệu, phân phối sản phẩm của quá trình nhiệt phân,... Với các bạn chuyên ngành Công nghệ - Môi trường thì đây là tài liệu tham khảo hữu ích.
Đoàn Thị Lâm. MSSV: 20103538 MỤC LỤC PHẦN MỘT: MỞ ĐẦU PHẦN HAI: TỔNG QUAN A- Các khái niệm về nhựa, nhựa phế thải INhựa IICác vấn đề phát sinh từ chất dẻo B- Nhiệt phân ICác khái niệm về nhiệt phân chất dẻo IILịch sử phát triển và tình hình nhiệt phân nhựa phế thải IIIƯu, nhược điểm của phương pháp nhiệt phân C- Q trình và thiết bị nhiệt phân nhựa phế thải thành nhiên liệu ICác khái niệm về nhiệt phân nhựa phế thải IICơ sở hóa học của q trình nhiệt phân nhựa phế thải IIIXúc tác cho q trình nhiệt phân nhựa phế thải IVThiết bị nhiệt phân và phương thức vận hành VẢnh hưởng của nhiệt phân và sản phẩm phụ của q trình nhiệt phân VITinh chế các sản phẩm của q trình nhiệt phân D- Phân phối sản phẩm của q trình nhiệt phân IĐộ chuyển hóa, hiệu suất sản phẩm lỏng, thành phần cốc IICác đặc tính của sản phẩm lỏng, khí IIIPhân bố nhiệt độ sơi của các phân đoạn lỏng IVKết luận E- So sánh cracking xúc tác với cracking nhiệt F- Ảnh hưởng của các thơng số vận hành INhiệt độ IILượng xúc tác IIIThời gian IVThành phần ngun liệu nhựa phế thải G- Các khía cạnh về thiết kế I Thiết kế bể nhiệt phân IITốc độ khuấy IIIĐặc điểm của đầu đốt IVTháp chưng cất VMáy ly tâm VIBình rửa PHẦN BA: CÁC Q TRÌNH, CƠNG NGHỆ NHIỆT PHÂN THỬ Đồ án chun ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 1 Trang 5 8 11 11 11 13 16 27 32 34 35 37 38 39 41 41 43 44 45 46 47 47 47 49 49 49 49 50 51 Đồn Thị Lâm. MSSV: 20103538 NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG TRONG CƠNG NGHIỆP 1- Nhà máy thử nghiệm cho năng suất 1 galơng/ngày 2- Cơng nghệ nhiệt phân nhựa ThermoFuel 3- Công nghệ PolymerEngineering 4- Công nghệ Hitachi 5- Công nghệ Reectech 6- Công nghệ Veba 7- Công nghệ BP 8- Cơng nghệ Fuji 9- Cơng nghệ BASF 10- Cơng nghệ từ đại học Hunan 11- Mơ tả q trình nhiệt phân nhựa trong một tổ hợp cơng nghiệp PHẦN BỐN: TÍNH TỐN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ 1- Các số liệu từ thực nghiệm 2- Tính tốn cân bằng vật chất cho tồn hệ thống 3- Tính tốn năng lượng tiêu thụ PHẦN NĂM: KẾT LUẬN Tài liệu tham khảo Đồ án chun ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 2 51 53 56 60 62 65 65 66 66 67 68 73 73 74 75 77 79 Đồn Thị Lâm. MSSV: 20103538 PHẦN MỘT: MỞ ĐẦU Từ những năm 1970, vấn đề khan hiếm năng lượng và ơ nhiễm mơi trường trở nên ngày càng nghiêm trọng hơn. Thêm nữa, sự bùng nổ của ngành cơng nghiệp chất dẻo kéo theo một lượng khổng lồ chất thải nhựa bị đẩy vào mơi trường. Từ những túi đựng ta sử dụng hằng ngày như túi bim bim, túi kẹo, túi đựng thực phẩm… cho tới tất cả những đồ vật xung quanh ta như máy tính, hộp đựng mỹ phẩm, bút, điện thoại, xe máy, xe đạp… đều có mặt chất dẻo. Nhựa phế thải có thể được xử lý bằng phương pháp tái sử dụng, đốt hoặc chơn lấp. Nhưng như ta đã biết, có những loại nhựa có thể phân hủy sau vài tuần, vài tháng, vài năm nhưng cũng có những loại nhựa phải mất cả trăm năm để các vi sinh vật có thể phân hủy. Nếu đốt thì những loại nhựa như PVC sẽ tạo khí HCl có tính axit cao và dioxin gây ung thư. Việc xử lý một lượng khổng lồ chất thải nhựa mà khơng gây ơ nhiễm mơi trường là một thách thức lớn với tất cả các quốc gia trên thế giới. Cơng nghệ nhiệt phân đã được nghiên cứu và áp dụng trong nhiều ngành cơng nghiệp từ rất lâu, đặc biệt là cơng nghiệp dầu mỏ. Vấn đề bùng nổ chất thải nhựa và khan hiếm năng lượng đã khiến cho q trình nhiệt phân nhựa phế thải nhằm thu hồi nhiên liệu lỏng ngày càng được chú ý hơn. Tuy nhiên, việc áp dụng cơng nghệ nhiệt phân để xử lý nhựa phế thải mới chỉ được nghiên cứu và phát triển trong thời gian gần đây, chủ yếu là ở các nước có ngành cơng nghiệp phát triển. Cơng nghệ nhiệt phân thuộc nhóm cơng nghệ nhiệt – hóa và là một trong những giải pháp cơng nghệ hiện có tốt nhất ( Best Available Technology – BAT) được các tổ chức mơi trường trên thế giới khuyến cáo sử dụng thay thế cho phương pháp chơn lấp khi xử lý một lượng lớn chất thải rắn đơ thị (Municipal Solid Waste) nói chung và chất thải nhựa nói riêng. Bản chất của cơng nghệ nhiệt phân là q trình phân hủy xảy ra ở điều kiện nhiệt độ phù hợp, có thể có hoặc khơng có xúc tác, khơng có Oxy, sản phẩm tạo thành gồm cả phần rắn, lỏng và khí. Trong đó phần lỏng là phần có giá trị thương phẩm cao nhất, thường dùng làm nhiên liệu. Với mục tiêu hình thành hướng giải pháp tích cực cho xử lý nhựa phế thải, cơ chế và cơng nghệ nhiệt phân nhựa ngàng càng được nghiên cứu sâu rộng và áp dụng rộng rãi ở các nước phát triển. Là một nước đang phát triển, Việt Nam với dân số hiện tại lên tới 80 triệu cũng phát thải một lượng khổng lồ chất thải rắn trong đó có nhựa phế thải. Việc xử lý đốt và chơn cất hiện tại còn rất Đồ án chun ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 3 Đồn Thị Lâm. MSSV: 20103538 nhiều bất cập. Chưa kể vấn đề khan hiếm nhiên liệu cũng là trở ngại đặt ra khiến ta phải tìm đến các giải pháp xử lý vừa thân thiện với mơi trường, vừa cung cấp nguồn nhiên liệu thay thế cho dầu mỏ. Thành cơng trong nghiên cứu q trình nhiệt phân xử lý nhựa phế thải sẽ mở ra hướng đi mới, hình thành giải pháp xử lý chất thải mang lại sản phẩm có giá trị sử dụng mà lại góp phần bảo vệ mơi trường Đồ án chun ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 4 Đồn Thị Lâm. MSSV: 20103538 PHẦN HAI : TỔNG QUAN A – Các khái niệm về nhựa, nhựa phế thải I- Nhựa “Chất dẻo” (plastics) là tên gọi chung cho nhóm các vật liệu tổng hợp hoặc tự nhiên chứa các chuỗi cao phân tử, các chuỗi cao phân tử này chỉ chứa hoặc chứa chủ yếu ngun tố Cacbon. Thơng thường các khái niệm “chất dẻo”, “polyme” hay “nhựa” được sử dụng gần như tương đương nhau. Theo Society of Plastics Industry, trích trong Brady and Clauser, mục [1] thì một chất được coi là chất dẻo khi nó “nằm trong một nhóm lớn các chất mà tồn bộ thành phần hoặc một phần là tổ hợp của Cacbon với Oxy, Hydro, Nitơ và các ngun tố vơ cơ hoặc hữu cơ; có trạng thái cuối là rắn; và ở giai đoạn nào đó trong q trình sản xuất, dưới tác dụng của nhiệt hoặc áp suất hoặc cả hai nó ở dạng lỏng, do đó có thể tạo thành sản phẩm có nhiều hình dạng khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng” Chất dẻo được chế tạo từ các monome. Nghĩa là nó là một khối có cấu trúc lặp đi lặp lại các đơn phân tử, được tạo ra nhờ nhiều q trình hóa học khác nhau như: Q trình trùng hợp các monome (cùng loại hoặc khác loại) sử dụng xúc tác hoặc peroxyt làm chất khơi mào. Ví dụ: trùng hợp etylen, propylen hoặc đồng trùng hợp butadien + styren Q trình đa trùng ngưng các monome khác nhau. Ví dụ: các axit hữu cơ lưỡng chức với cồn hoặc các amin Q trình cộng hợp các đơn phân hoạt động Trong các q trình trên thì q trình đầu tiên với nhóm các monome đã liệt kê tạo thành nguồn ngun liệu hấp dẫn cho các q trình nhiệt phân Các monome quan trọng là etylen, propylen, butadien có độ tinh khiết rất cao. Ba sản phẩm này thu được từ q trình cracking nhiệt hay nhiệt phân naphtha, Đồ án chun ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 5 Đồn Thị Lâm. MSSV: 20103538 gasoil nhẹ hoặc LPG (propan và butan) và được tinh chế ở nhiệt độ thấp, áp suất cao, tạo thành các hóa chất có độ tinh khiết cao Một điều quan trọng cần phải cân nhắc trong thực tiễn đó là khi cho thêm các ngun tử khác loại vào monome như Clo trong monome Vinyl Clorua sẽ gây khó khăn cho các q trình nhiệt phân và q trình tách loại nhựa phế thải bằng các phương pháp cơ học (là giai đoạn tiền xử lý của q trình nhiệt phân) như tuyển chìm/nổi, tuyển nổi bọt, tách sau khi đã định tính dựa trên quang phổ thu/phát hoặc phân loại tĩnh điện sau khi nạp điện ma sát Trước khi tạo thành các sản phẩm nhựa, chất dẻo tạo thành hầu như đều được pha thêm các phụ gia khác nhau về đặc tính và thành phần. Những phụ gia này được cho vào để tăng cường khả năng gia cơng, tăng độ ổn định và các đặc tính cơ khí khác, tùy thuộc vào ứng dụng định trước. (Ví dụ: nếu sản phẩm thường xun để ngồi trời thì cần gia cơng sao cho chống được tia tử ngoại, chống oxy hóa và chịu được nhiệt độ cao). Những loại phụ gia thường được sử dụng là: Chất chống oxy hóa (1%) Chất ổn định nhiệt và ổn định quang (5%) Chất làm dẻo (40%) Chất làm tăng khả năng chịu va đập (10%) Chất tạo màu (5%) Chất làm chậm quá trình cháy (15%) Chất chống mốc Chất tạo độ xốp (2%) Chất làm đầy (40%) (Con số đi kèm trên đây là lượng tối đa được cho vào theo thống kê, tính theo % khối lượng) [1] Các phụ gia khác được dùng là chất chống tạo khối, chất làm trong, chất chống tĩnh điện, chất ổn định sinh học, chất tạo khí hóa học, chất lưu hóa, phụ gia Đồ án chun ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 6 Đồn Thị Lâm. MSSV: 20103538 làm tăng độ bền trùng hợp và phụ gia gia cơng, chất bơi trơn, chất khử hoạt tính kim loại, chất làm sáng quang học, chất biến tính, chất cường hóa, chất hạn chế tạo vẩn và dư huy (phát quang còn dư), chất thấm ướt… Trong các loại chất dẻo thì PVC hấp thụ lượng phụ gia nhiều nhất Sự có mặt của những chất này, cũng như các hóa chất khác được sử dụng trong giai đoạn đầu và cuối của q trình trùng hợp là một nhân tố phức tạp trong tái chế ngun vật liệu (còn gọi là tái chế hóa học, trong trường hợp giới hạn hơn gọi đơn giản là nhiệt phân) và q trình cracking nhiệt phân nhựa phế thải. Sự phức tạp này gây ra do đặc tính, hàm lượng và tác động của các phụ gia này tới q trình nhiệt phân. Các ảnh hưởng có thể có tới sản phẩm của phản ứng và máy móc là tương đối khó đốn biết, đặc biệt với các loại nhựa phế thải khơng rõ nguồn gốc và thành phần. Người ta phân loại chất dẻo dựa trên nhiều tiêu chí. Ví dụ: Thành phần hóa học. Liên quan trực tiếp tới đặc tính của monome và phương pháp trùng hợp. Theo đó chất dẻo lại được chia nhỏ ra thành các loại khác như: polyme của các olefin, của vinyl, của styren, của các amit, este, nhựa epoxy, polyme của các Cacbonat, của Uretan… Cấu trúc hóa học. Ví dụ: cấu trúc thằng (như polyetylen đặc), cấu trúc nhánh (polyetylen lỗng), mạng lưới liên kết ngang và ba chiều (chất dẻo nhiệt rắn, cao su) Độ cứng: đàn hồi được, dẻo, cứng Ứng dụng: chất dẻo dùng trong dân dụng hay kỹ thuật, chất dẻo thơng thường hay chun biệt Phương pháp gia cơng: đúc khn kiểu phụt, ép trồi, thổi màng, đúc thổi, ép nóng, đúc, cán láng… và nhiều cơng nghệ khác II – Các vấn đề phát sinh từ chất dẻo Sản lượng chất dẻo được sản xuất trên tồn thế giới ngày càng tăng kéo theo lượng chất thải phát sinh cũng tăng lên. Dù chỉ được tạo ra trong thời gian ngắn nhưng chúng tồn tại rất lâu. Thời gian tồn tại này tính bằng hàng tuần (với bao bì đóng gói), tới hàng tháng (màng bọc trong nơng nghiệp) và hàng năm (với ơ Đồ án chun ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 7 Đồn Thị Lâm. MSSV: 20103538 tơ, sản phẩn gia dụng, nội thất), thậm chí lên tới cả thế kỷ (với một số phụ tùng điện nước). Nhiều loại phụ tùng xây dựng (ống phân phối nước, ván lát sàn, mái che và khung cửa sổ) thời gian tồn tại của chúng vẫn chưa được định rõ 1- Khía cạnh an tồn Chất dẻo thường được cho là vơ hại và được loại trừ ngay từ đầu trong danh mục các chất thải độc hại (ở Belgium – 1976 và ở Netherlands – 1977). Chỉ trừ các chất dẻo dùng để đóng gói các hợp chất độc hại như thuốc trừ sâu Tuy vậy, nhựa phế thải vẫn tồn tại những chất gây hại như các phụ gia chứa Animon, Cadimi, chì, kẽm hoặc Crom hóa trị 6 và các chất làm dẻo. Các chất làm chậm q trình cháy có chứa Brom khi giải phóng vào mơi trường là điều cần được đặc biệt lưu tâm và là vấn đề gây tranh cãi khi xử lý các sản phẩm nhựa WEE và ASR 2- Khía cạnh mơi trường Việc nhiệt phân nhựa phế thải gây ra vài tác động nhỏ tới mơi trường. Về mặt lý thuyết các vấn đề này có thể chia nhỏ thành: Thu thập, vận chuyển ngun vật liệu Tiền xử lý Q trình nung và nhiệt phân Các sản phẩm nhiệt phân Phân loại chất dẻo thường được làm bằng tay và có thể gây dị ứng hoặc gây ra các vấn đề về sức khỏe. Đáng chú ý là, chất thải nhựa khơng phải là khơng có mùi, vốn dĩ khí tách ra từ q trình lưu trữ và gia cơng đã được khử mùi (như trong hệ thống khí hóa của hãng Ube Industries). Một phần các sản phẩm nhiệt phân là hóa chất độc lại Chất thải nhựa phát sinh do q trình sản xuất, biến đổi và tiêu thụ. Ở hai phạm trù đầu tiên việc phân loại nguồn gốc, nhận biết và tái chế khá đơn giản. Các khái niệm phân loại đơn giản ở hai phạm trù này khơng còn hữu ích đối với q trình tái chế sau sử dụng. Lúc này các sản phẩm nhựa bị phân tán cả về Đồ án chun ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 8 Đồn Thị Lâm. MSSV: 20103538 mặt địa lý và chức năng, chưa kể đến việc bị lẫn các phụ gia khơng rõ danh tính hoặc bị pha trộn, nhiễm bẩn bởi các hợp chất khác. Lúc này rất khó để thu gom chúng lại với một mức giá phải chăng Tái chế cơ học, tức tái sử dụng vật liệu nhựa thành các ứng dụng tương tự (tái chế vòng kín) là phương án tái chế nhựa phế thải cho giá trị cao nhất. Sự suy giảm các tính chất cơ học gây hạn chế cho việc tái chế. Nhựa phế thải khi đó được tái chế thành các sản phẩm có ứng dụng đơn giản hơn, đơi khi đơn giản là làm đồ gỗ thấp cấp, dùng trong các trang thiết bị đơ thị, như ghế dài cơng viên chẳng hạn Q trình tái chế biến đổi chất dẻo thành các monome, hỗn hợp các chất hóa học hoặc tạo thành khí tổng hợp và khí nén B – Nhiệt phân I – Khái niệm về nhiệt phân chất dẻo Nhiệt phân, hay còn gọi là hỏa phân là q trình phân hủy nhiệt và hóa học, thơng thường sẽ tạo ra các phân tử nhỏ hơn. Về mặt ngữ nghĩa học, khái niệm nhiệt phân thích hợp hơn hỏa phân do lửa (hỏa) ngụ ý đến sự tồn tại của oxy và do đó ngụ ý sự tồn tại của các hợp chất trung gian chứa oxy. Tuy nhiên, trong hầu hết các q trình nhiệt phân, khơng khí bị loại trừ vì lý do an tồn, vì chất lượng và hiệu suất sản phẩm. [1] Q trình nhiệt phân có thể được tiến hành ở nhiều mức nhiệt độ khác nhau với thời gian phản ứng, áp suất khác nhau và dưới sự có mặc hoặc thiếu các chất khí hoặc chất lỏng hoặc động và dưới sự có mặt của xúc tác. Q trình nhiệt phân nhựa có thể tiến hành ở nhiệt độ thấp (600oC). Thơng thường q trình được tiến hành dưới áp suất khí quyển. Tuy nhiên nếu sản phẩm mong muốn khơng bền nhiệt, dễ bị tái trùng hợp (như trong q trình nhiệt phân cao su chẳng hạn) thì q trình nhiệt phân sẽ được tiến hành dưới áp suất thấp nhờ máy hút chân khơng hoặc chất pha lỗng (ví dụ: hơi nước) Q trình nhiệt phân polyme sinh ra các chất khí (syngas), lỏng (tar) và chất rắn (char) với hàm lượng biến đổi tương đối rộng. Những sản phẩm này có thể được dùng làm nhiên liệu, chất hóa dầu và các monome. Tùy thuộc vào các Đồ án chun ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 9 Đồn Thị Lâm. MSSV: 20103538 polyme và hỗn hợp polyme làm ngun liệu và các điều kiện vận hành mà sản phẩm tạo ra biến đổi rất lớn. Thơng thường cả sản phẩm khí và lỏng đều là hỗn hợp của nhiều hợp chất khác nhau. Sản phẩm rắn (char) thường chứa các chất làm đầy, chất nhuộm và tro Q trình nhiệt phân bao gồm việc bẻ gãy các liên kết và thường là q trình thu nhiệt, do đó việc đảm bảo nguồn cung nhiệt cho chất phản ứng là vấn đề cơ bản và mấu chốt. Q trình oxy hóa giúp cung cấp nguồn nhiệt nội tại nhưng các sản phẩm nhiệt phân khi đó sẽ bị lẫn các sản phẩm của q trình oxy hóa hoặc sản phẩm của q trình cháy Nhựa polyolefin chỉ chứa Cacbon và Hydro và các phụ gia như phụ gia chống oxy hóa và chất ổn định UV. Hơn nữa, sự có mặt của các ngun tố khác loại như Clo và Brom là điều khơng mong muốn, vì các ngun tố này phân tán khắp ba pha của sản phẩm (khí, lỏng, rắn), làm giảm khả năng tiêu thụ và giá trị của mỗi sản phẩm. Việc nghiên cứu cách loại trừ các ngun tố này là vấn đều chính trong phát triển các q trình xử lý cho nhựa hỗn tạp II – Lịch sử phát triển và tình hình nhiệt phân nhựa phế thải 1- Trên thế giới Xét trên khía cạnh cơng nghiệp, việc nhiệt phân chất dẻo rất được quan tâm kể từ thời điểm bùng nổ sản xuất chất dẻo với quy mơ lớn trong những năm 1960. Cơng nghệ cracking nhiệt áp dụng cho nhựa phế thải đã được phát minh từ đầu những năm 1970. Người ta phát hiện ra rằng, ở nhiệt độ cao, mạch Cacbon có thể bị bẻ gãy, tạo thành nhiều monome khác nhau, các nhóm phân tử hoạt động và nhiều loại phân tử nhỏ khác. Nhờ đó có thể thu được các sản phẩm lỏng với tỷ lệ H/C tương đối cao. Cơng nghệ và cơ chế cracking nhiệt được nghiên cứu sâu rộng, và một loạt các q trình cracking nhiệt ra đời như q trình United Carbon, q trình của đại học Hamburg, BP… các q trình này đã được phát triển và đưa vào cơng nghiệp hóa. Q trình cracking nhiệt có ưu điểm là giá thành thấp và vận hành đơn giản. Tuy nhiên nhược điểm của nó là tiêu tốn năng lượng, độ chuyển hóa và hiệu suất thấp, những yếu tố này đã cản trở sự phát triển của q trình cracking nhiệt. Để làm tăng chất lượng và hiệu suất phần nhiên liệu lỏng, rất nhiều nhà nghiên cứu đã tiến hành các thử nghiệm với nỗ lực tìm ra loại xúc tác thích hợp. Những xúc tác được sử dụng sẽ làm giảm năng lượng tiêu thụ, làm tăng hiệu suất xử lý, nâng cao độ chọn lọc của Đồ án chun ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 10 Đồn Thị Lâm. MSSV: 20103538 Cơng nghệ này cho phép hàm lượng Clo trong sản phẩm thấp hơn 5ppm và nó chỉ xử lý được hỗn hợp nhựa có tối đa 2% PVC trong thành phần. Cơng nghệ BP được đưa vào ứng dụng trong cơng nghiệp từ năm 1997 Đặc điểm khác nhau lớn nhất giữa cơng nghệ này với các cơng nghệ khác nằm ở thiết bị phản ứng. Ban đầu nó là một thiết bị tầng rĩnh. Trong cơng nghệ BP, người ta sử dụng thiết bị tầng giả sơi. Thiết bị tầng cát giả sơi này giúp đảm bảo nhiệt độ trong thiết bị đồng đều nhờ vào kích cỡ hạt và đặc tính giả sơi của cát. Trong các cơng nghệ truyền thống, do nhựa truyền nhiệt kém nên khó đạt được nhiệt đồng đều trong khối nhựa, điều này dẫn tới việc thời gian phản ứng phải dài. Mặt khác, sau khi nhựa phế thải được nấu chảy, nó thường bám vào bề mặt thiết bị phản ứng (do khả năng chảy của hỗn hợp lỏng nóng này rất kém). Cơng nghệ BP đã giải quyết thành cơng tất cả các vấn đề này, và đã thiết lập thành cơng q trình sản xuất liên tục dầu lỏng từ nhựa phế thải. [2] 8- Cơng nghệ Fuji Cơng nghệ Fuji là cơng nghệ 2 bước điển hình (hình 26) Hình 26 – Sơ đồ khối cơng nghệ Fuji Nhựa phế thải được biến đổi thành xăng, kerosen và dầu diesel nhờ q trình nhiệt phân và reforming sử dụng xúc tác ZSM5. Sau khi được nghiền, nhựa phế thải sẽ được đưa vào một bể nung chảy (nhờ một máy đùn). Tại đây hỗn hợp nhựa sẽ được trộn với phần nhựa chưa được cracking (nhựa này được đưa trở lại từ lò cracking nhiệt). Sau đó hỗn hợp sẽ được nung đến 280 – 300oC trong bể nung rồi đi vào lò cracking nhiệt, tại lò này hỗn hợp được nhiệt phân sẽ đi vào thiết bị reforming xúc tác và được biến đổi thành xăng, kerosen và dầu Đồ án chun ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 70 Đồn Thị Lâm. MSSV: 20103538 diesel, hiệu suất đạt 80 – 90%. Cơng nghệ này có các đặc điểm sau: thứ nhất, người ta dùng một máy trộn ly tâm, máy này làm tăng mạnh q trình truyền nhiệt và khuấy trộn khối chất lỏng nóng chảy do nó bơm tuần hồn khối nhựa nóng lỏng từ thiết bị cracking nhiệt tới bể nung chảy và ngược lại. Thứ hai, cơng nghệ này dùng phương pháp tuần ồn thay vì khuấy trộn cơ học. Đây là điểm khác biệt lớn nhất giữa cơng nghệ này với các cơng nghệ khác. [2] 9- Cơng nghệ BASF Cơng nghệ BASF có nhiều điểm giống với cơng nghệ Fuji. Nó cũng gồm 2 bước và cũng u cầu lượng PVC trong ngun liệu 3500C) cho ra các sản phẩm nhẹ, nhiệt độ càng cao thì lượng sản phẩm nhẹ càng cao. Theo một nghiên cứu của giáo sư Yuan Xing Zhong thuộc khoa Khoa học và Kỹ thuật mơi trường của Đại học Hunan, Changsha, tỉnh Hunan, Trung Quốc (bài báo: Converting waste plastics into liquid fuel by pyrolysis: development in China) thì ta thu được bảng cân bằng vật chất ứng với ngun liệu đầu khác nhau như sau: Đồ án chun ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 77 Đồn Thị Lâm. MSSV: 20103538 Giả sử q trình của ta là q trình cracking PE thì cân bằng vật chất như sau: 2- Tính tốn cân bằng vật chất cho tồn hệ thống Giả sử dây chuyền sản xuất liên tục 24/24 giờ. Thời gian cho các cơng việc: bảo dưỡng, sửa chữa, vệ sinh… trong một năm dự kiến là 20 ngày. Do đó thời gian làm việc của dây chuyền trong 1 năm là: 365 – 20 = 345 (ngày) Hay 345.24 = 8280 giờ/năm Năng suất thiết bị: giả sử thiết bị của ta xử lý 40000 tấn PE/năm Năng suất thiết bị là: Do đây là PE phế thải nên ta giả sử trong thành phần của nhựa phế thải này có 90% PE, còn lại là bụi bẩn, tạp chất, phụ gia… 10% khơng phải là PE này được loại bỏ trong giai đoạn tiền xử lý. Như vậy lượng ngun liệu PE cần xử lý trong 1 giờ là: 4830,918.90% = 4347,8262 (kg/h) Lượng tạp chất, phụ gia là: 4830,918 – 4347,8262 = 483,0918 (kg/h) Đồ án chun ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 78 Đồn Thị Lâm. MSSV: 20103538 Theo như lưu trình cân bằng vật chất, ta tính được lượng sản phẩm ra như sau: Khí dầu hỏa : 0,02.4347,8262 = 86,9565 (kg/h) Xăng dạng khí: 0,46. 4347,8262 = 2000,0001 (kg/h) Dầu diesel dạng khí: 0,34. 4347,8262 = 1478,2609 (kg/h) Dầu cặn lỏng: 0,18. 4347,8262 = 728,6087 (kg/h) Ta có bảng cân bằng vật chất sau: Lượng vật chất đi vào Thành phần Lượng vật chất đi ra Kg/h Thành phần Kg/h PE 4347,8262 Khí dầu hỏa 86,9565 Bụi bẩn, tạp chất, phụ gia… 483,0918 Xăng dạng khí 2000,0001 Dầu diesel dạng khí 1478,2609 Dầu cặn lỏng 782,6087 Bụi bẩn, tạp chất, phụ gia… Tổng 483,0918 Tổng 4830,918 4830,918 3- Tính tốn năng lượng tiêu thụ Nhiệt u cầu có phản ứng cracking xúc tác thấp hơn nhiều so với phản ứng cracking nhiệt, ngồi ra khơng cần cung cấp thêm nhiệt khi gia nhiệt cho tầng xúc tác vì lượng khí tạo thành trong chính phản ứng sẽ cung cấp nhiên liệu cho q trình đốt, cấp nhiệt này. Do vậy, ở đây để đơn giản hóa ta tính cân bằng Đồ án chun ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 79 Đồn Thị Lâm. MSSV: 20103538 nhiệt lượng cho phản ứng cracking nhiệt. Ngun liệu của ta là PE, sau khi phân giải và ngưng tụ, PE được chuyển hóa thành nhiên liệu lỏng (một hỗn hợp xăng và dầu diesel) và khí nhiên liệu. Một lần nữa để đơn giản hóa việc tính tốn, ta lấy khối lượng phân tử trung bình của PE là 8,75.104 và độ khử trùng hợp trung bình là 3125. Ở đây khí nhiên liệu là C3H8, xăng là C8H18, dầu diesel là C16H34 và cặn dầu là C30H62. Giả sử với 1kg ngun liệu đầu PE, tổng năng lượng cần cho q trình được tính tốn như sau: Với Q là năng lượng u cầu cho cả q trình cracking (kJ), ni là số phân tử của cấu tử i (mol), Hi là entanpi của cấu tử i (kJ.mol1) Bằng phương pháp tích phân, giáo sư Yuan Xinh Zhong thuộc đại học Hunan đã tính được: dưới điều kiện áp suất 101203Mpa, nhiệt độ 200 – 3000C, entanpi tổng cần cho q trình cracking 1kg PE là 2124,7kJ.kg1. Vậy với năng suất tổ hợp là cracking 4347,8262 kg/h ta cần lượng nhiệt là: 4347,8262. 2124,7 = 9237826,3270 (kJ/h) Đồ án chun ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 80 Đồn Thị Lâm. MSSV: 20103538 PHẦN NĂM: KẾT LUẬN Như vậy, ưu điểm chính của phương pháp nhiệt phân xử lý nhựa phế thải là cho phép xử lý nhựa chưa được phân loại, chưa được làm sạch. Nhờ đó mà những chất thải nhựa bị nhiễm bẩn nặng như màng bọc nơng nghiệp (loại này đơi khi chứa tới 20% chất bẩn hoặc đất) có thể được xử lý mà khơng gặp nhiều khó khăn. Những loại nhựa khó tái chế khác như màng đa lớp, hỗn hợp polyme cũng có thể dễ dàng xử lý mà khơng gặp nhiều trở ngại như các phương pháp truyền thống như chơn lấp hoặc đốt, đồng thời lại ít gây ảnh hưởng tới mơi trường. Với các tiêu chuẩn ngày càng ngặt nghèo hơn về vấn đề xử lý nhựa phế thải, sự khan hiếm năng lượng hóa thạch, hai yếu tố này sẽ ngày càng thúc đẩy đầu tư và nghiên cứu vào q trình nhiệt phân, khơng chỉ ở các nước có nền khoa học, cơng nghiệp phát triển mà ở cả các nước đang phát triển. Bản thân em nhận thấy đây là một đề tài mới mẻ và rất hấp dẫn. Sau 15 tuần, nhờ sự hướng dẫn tận tình của cơ giáo, PGS.TS Phạm Thanh Huyền, em đã hồn thành được bản đồ án: Tổng quan về q trình nhiệt phân nhựa phế thải, Đồ án chun ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 81 Đồn Thị Lâm. MSSV: 20103538 tính tốn cân bằng vật chất và năng lượng cho q trình nhiệt phân xử lý 30 000 tấn PE/năm. Trong q trình em đã đạt được những kết quả sau: 1- Đưa ra được cơ chế của phản ứng khử trùng hợp polyme, các loại xúc tác sử dụng, đặc tính và ưu nhược điểm của từng loại xúc tác 2- Đưa ra các loại lò nhiệt phân phổ biến, sơ đồ, phương thức và phạm vi sử dụng của từng loại lò 3- Phần lưu trình cơng nghệ đã đưa ra được 11 cơng nghệ điển hình, được áp dụng phổ biến hiện nay ở các nước phát triển, sơ đồ, ưu nhược điểm của từng cơng nghệ 4- Nêu ra các thơng số ảnh hưởng tới q trình vận hành và tới sản phẩm 5- Phần tính tốn đã tính tốn được về cơ bản cân bằng vật chất và năng lượng cần cung cấp cho tồn q trình Do trong q trình tìm hiểu có nhiều trở ngại do tài liệu tính tốn chi tiết rất ít, và do khả năng và thời gian có hạn nên khơng thể tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy em rất mong cơ thơng cảm và chỉ bảo để em rút kinh nghiệm cho q trình làm đồ án tốt nghiệp sắp tới. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn cơ, em thật sự trân trọng sự tận tâm và nhiệt tình của cơ với sinh viên. Được làm đồ án cùng cơ là một may mắn đối với em! Hà Nội, tháng 12 – 2014 Sinh viên thực hiện: Đồn Thị Lâm Đồ án chun ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 82 Đồn Thị Lâm. MSSV: 20103538 Tài liệu tham khảo [1] Introduction to feedstock recycling of Plastics – A.BueKens [2] – Converting waste plastics into liquid fuel by pyrolysis: Developments in China – Yuan Xingzhong [3] Nghiên cứu cơng nghệ và thiết bị nhiệt phân ứng dụng trong xử lý chất thải có nguồn gốc hữu cơ – TS. Dương Văn Long, giám đốc Trung Tâm Cơng Nghệ và Thiết Bị Mơi Trường – Viện Nghiên cứu Cơ khí [4] Process and Equipment for conversion of Waste Plastics into Fuels – Alka Zadgaonka Đồ án chun ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 83 Đồn Thị Lâm. MSSV: 20103538 [5] – Catalytic degradation of Plastic Waste to Fuel over microporous Materials – George Manos [6] Catalytic upgrading of Plastic Wastes – J.Aguado, D.P Serrano and J.M Escola [7] Overview of commercial Pyrolysis processes for Waste Plastics – John Scheirs [8] – Introduction of Premium Oil Products from Waste Plastic by Pyrolysis and Hydroprocessing – S.J.Miller Đồ án chuyên ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 84 ... Tuy nhiên trong những năm gần đây, có vài q trình nhiệt phân nhựa đã được hồn thiện để khắc phục những hạn chế này. C – Q trình và thiết bị nhiệt phân nhựa phế thải thành nhiên liệu I- Các khái niệm về nhiệt phân nhựa phế thải Đồ án chun ngành kỹ sư Hóa Dầu... IV- Thiết bị nhiệt phân và phương thức vận hành 1- Nhiệt phân gián đoạn (theo mẻ): Thiết bị nhiệt phân gián đoạn dùng cho q trình nhiệt phân sử dụng xúc tác để nhiệt phân nhựa phế thải như trong hình 10... Cơ sở hóa học của q trình nhiệt phân nhựa phế thải Đối với q trình cracking nhiệt, cracking nhựa phế thải sẽ phá vỡ các liên kết trùng hợp chỉ bằng tác động của nhiệt. Các loại phế thải dùng làm ngun liệu