Phân loại hệ thống thiết bị nhiệt phân

Các hệ thống thiết bị nhiệt phân xử lý chất thải hữu cơ liên tục đƣợc hoàn thiện và giới thiệu trên khắp thế giới. Các hệ thống này có quy mô rất đa dạng từ hệ thống công suất nhỏ cho đến các hệ thống vừa và lớn nhƣ các Pilot, các nhà máy xử lý. Tuy nhiên, đƣợc phát triển nhiều nhất các hệ thống nhiệt phân quy mô nhỏ và vừa. Hệ thống thiết bị nhiệt phân có thể xử lý chất thải theo dạng mẻ hoặc liên tục. Công suất xử lý thƣờng đƣợc phân thành các cấp sau:

- Công suất nhỏ: < 30 kg/mẻ;

- Công suất trung bình: 30 – 100 kg/mẻ hoặc <5 tấn/ngày;

- Công suất lớn: > 5 tấn/ngày (thƣờng ở công suất 50-100 tấn/ngày).

Hệ thống thiết bị nhiệt phân thƣờng đƣợc chế tạo ở dạng module, kết cấu hệ thống gồm hai cụm thiết bị chính là cụm thiết bị lò phản ứng nhiệt phân và cụm thiết bị xử lý tách sản phẩm:

- Cụm thiết bị lò nhiệt phân: bao gồm các thiết bị chính nhƣ máy cắt liệu, bộ

28

- Cụm thiết bị xử lý tách sản phẩm: bao gồm các thiết bị phân ly dạng tách pha

rắn – khí, tách pha khí - lỏng, thiết bị ngƣng dầu giải nhiệt, hệ thống tháp hấp thụ rửa khí, các bồn và khoang chứa sản phẩm, hệ thống đƣờng ống và van. Trong các thiết bị này, lò phản ứng nhiệt phân là thiết bị quan trọng nhất trong toàn bộ hệ thống. Lò phản ứng nhiệt phân hoạt động tối ƣu sẽ giúp hiệu suất xử lý đạt năng suất cao nhất, thời gian xử lý và mức độ tiêu thụ nhiên liệu thấp nhất. Ngoài ra, chất lƣợng các sản phẩm dạng rắn, lỏng, khí của quá trình nhiệt phân cũng đƣợc nâng cao. Hiện nay, có 3 dạng lò phản ứng nhiệt phân chính gồm:

- Thiết bị lò phản ứng dạng cố định theo mẻ: áp dụng cho công suất nhỏ và vừa;

- Thiết bị lò phản ứng dạng quay nằm ngang: áp dụng cho công suất vừa và lớn;

- Thiết bị lò phản ứng dạng trục vít: áp dụng cho công suất nhỏ và vừa.

a. Thiết bị lò phản ứng dạng cố định

Thiết bị lò phản ứng dạng cố định thƣờng đƣợc áp dụng cho các hệ thống xử lý chất thải công suất nhỏ và vừa, hoạt động theo mẻ.

Hình 1.4. Hệ thống thiết bị nhiệt phân dạng lò đứng cố định công suất 50 tấn/ngày (Hãng Advanced Biorefinery)[16]

Cấu tạo chính của lò phản ứng gồm buồng đốt cấp nhiệt, lò phản ứng, cửa

29

gạch chịu lửa hoặc sử dụng các vật liệu bảo ôn. Lò phản ứng nhiệt phân dạng cố định là lò phản ứng nhiệt phân thông dụng nhất hiện nay.

b. Thiết bị lò phản ứng nhiệt phân dạng quay

Đây là dạng lò phản ứng nhiệt phân đƣợc ứng dụng nhiều trong dải công suất vừa và lớn đƣợc sử dụng nhiều tại châu Á, đặc biệt là Trung Quốc và Ấn Độ.

Hình 1.5: Sơ đồ hệ thống thiết bị nhiệt phân thông dụng trên thế giới với dạng lò quay [17]

Hình 1.6: Lò phản ứng nhiệt phân dạng quay do Trung Quốc chế tạo [33]

Ƣu điểm của dạng lò phản ứng này là xử lý đƣợc chất thải rắn có kích thƣớc lớn nhƣ lốp xe ô tô… mà không cần phải xử lý kích thƣớc. Đƣờng kính lò phản ứng nhiệt phân dạng quay thƣờng ở khoảng 2-3m với công suất xử lý 1,5 – 7 tấn/giờ.

c. Lò phản ứng nhiệt phân dạng trục vít

Lò phản ứng nhiệt phân dạng trục vít là dạng lò phản ứng ít thông dụng nhất. Ƣu điểm của dạng lò phản ứng này là khả năng vận hành liên tục. Chất thải rắn

30

nguồn gốc hữu cơ đƣợc nạp vào lò tự động với công suất xử lý ổn định. Dạng lò phản ứng này có nhƣợc điểm lớn là tiêu hao năng lƣợng điện cho các động cơ trục vít. Do đó, hầu nhƣ hƣớng nghiên cứu ứng dụng lò phản ứng này ít đƣợc phát triển.

Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống lò phản ứng nhiệt phân dạng trục vít và nh hệ thống lò phản ứng nhiệt phân dạng trục vít (Hãng Northern Poultry Cluster Ltd)[13]

d. Cụm thiết bị xử lý tách sản phẩm

Các thiết bị đƣợc ứng dụng gồm:

- Thiết bị phân ly tách pha rắn khỏi pha khí, pha lỏng khỏi pha khí: Thông dụng là thiết bị cyclone có đƣờng kính 0,1-0,3m.

- Thiết bị giải nhiệt ngƣng tụ gián tiếp:

Chủ yếu là các thiết bị ngƣng tụ ống chùm nằm ngang giải nhiệt bằng nƣớc, ống chùm thẳng đứng giải nhiệt bằng nƣớc, kiểu ống lồng ống, hoặc làm mát bằng không khí…

- Thiết bị hấp thụ ngƣng tụ trực tiếp

Chủ yếu là dạng tháp hấp thụ hình trụ có thể sử dụng ô đệm.

1.7. Kinh nghiệm nghi n cứu ứng dụng công nghệ và thiết bị nhiệt phân xử lý chất thải rắn nguồn gốc hữu cơ tr n thế giới

Công nghệ nhiệt phân xử lý chất thải rắn nguồn gốc hữu cơ đã đƣợc nghiên cứu và phát triển từ lâu trên thế giới. Dƣới áp lực về một cuộc khủng hoảng nhiên liệu sắp xảy ra trên toàn thế giới cũng nhƣ những tác động xấu đến môi trƣờng của

31

việc xử lý chất thải rắn nguồn gốc hữu cơ theo các phƣơng pháp truyền thống nhƣ chôn lấp, thiêu đốt,… các nhà khoa học trên thế giới đều coi hƣớng công nghệ nhiệt phân khí hóa xử lý chất thải rắn nguồn gốc hữu cơ nhƣ một hƣớng công nghệ tối ƣu có thể giải quyết phần lớn các vấn đề trên. Kết quả khảo sát cho thấy có 3 xu hƣớng chính trong nghiên cứu phát triển ứng dụng công nghệ và thiết bị nhiệt phân xử lý chất thải rắn nguồn gốc hữu cơ bao gồm:

- Nhiệt phân xử lý cao su phế thải;

- Nhiệt phân xử lý nhựa, nilon phế thải;

- Nhiệt phân xử lý chất thải rắn nguồn gốc hữu cơ (nhƣ biomass, da thuộc...)

a. Nhiệt phân xử lý cao su phế thải

Từ năm 2000 đến nay, các cơ sở nhiệt phân, hóa khí, hóa lỏng lốp xe phế thải và phế thải khác trên toàn thế giới đang hoạt động dƣới sự kiểm soát chặt chẽ từ các tiêu chuẩn, quy chuẩn môi trƣờng. Sản phẩm thu đƣợc từ quá trình nhiệt phân, khí hóa, hóa lỏng bao gồm điện, hóa chất, nhiên liệu dạng lỏng và than. Các nƣớc đi đầu trong ứng dụng công nghệ nhiệt phân xử lý phế thải cao su hiện nay là Mỹ, Trung Quốc, Anh, Nga, Đức.

Hình 1.8 Hệ thống nhiệt phân lốp xe phế thải dạng cố định của công ty ROI-Mỹ [15]

Tại Mỹ và các nƣớc châu Âu khác, các nghiên cứu ứng dụng chủ yếu tập trung vào hệ thống thiết bị nhiệt phân xử lý cao su phế thải dạng quy mô lớn công suất từ 50-200 tấn/ngày đi kèm với một hệ thống chƣng cất phân đoạn sản phẩm

32

dầu nhiệt phân để tạo thành các sản phẩm có giá trị thƣơng mại cao nhƣ xăng, dầu DO, dầu FO... Các hệ thống nhiệt phân công suất nhỏ và vừa đƣợc ứng dụng ở dạng di động, dễ dàng di chuyển đến các khu vực cần xử lý. Ngƣợc lại, ở các nƣớc châu Á nhƣ Trung Quốc, Hàn Quốc, Ấn Độ... hệ thống nhiệt phân xử lý cao su phế thải thƣờng ở dạng các cơ sở xử lý quy mô nhỏ. Duy nhất có Nhật Bản là phát triển hoàn thiện hệ thống xử lý nhiệt phân quy mô lớn và chủ yếu là sản xuất điện năng. Các hãng nghiên cứu tại Trung Quốc tập trung sâu vào hệ thống nhiệt phân dạng lò quay và sử dụng dầu nhiệt phân làm nhiên liệu cho lò hơi, lò đốt...[27,31] Khả năng tồn tại và phát triển của các nhà máy sử dụng công nghệ nhiệt phân trong xử lý phế thải phụ thuộc rất nhiều vào những vấn đề kinh tế, chi phí đầu tƣ cơ sở, yêu cầu nguyên liệu và khả năng thu gom nguyên liệu, và vấn đề cấp ph p đầu tƣ. Tuy vậy, công nghệ nhiệt phân xử lý phế thải cao su là ứng dụng nhiệt phân khá hoàn thiện, đang đƣợc phát triển và hoạt động mạnh ở các nƣớc trên thế giới.

Hình 1.9: Nhà máy nhiệt phân lốp xe phế thải, chất thải rắn hệ thống thu sản phẩm than nhiệt phân tại Burgau, Đức của công ty WasteGen UK(Anh)và công ty Technip (Đức)[30]

b. Nhiệt phân xử lý nhựa, nilon phế thải

Công nghệ nhiệt phân xử lý nhựa, nilon phế thải đã đƣợc phát triển và nghiên cứu mạnh mẽ trong những năm gần đây. Trong đó, Nhật Bản là nƣớc đi đầu trong

33

công tác nghiên cứu ứng dụng công nghệ nhiệt phân xử lý nhựa phế thải. Tất cả các hãng thiết bị, công ty xử lý chất thải rắn của Nhật Bản đều đang tập trung phát triển công nghệ này. Tiêu biểu nhƣ NipponSteel, Ebara Alstom, Mitsui, Takuma, Siemens, Hitachi Zosen... Hiện nay, các nghiên cứu ứng dụng nhiệt phân nhựa phế thải đang tập trung vào hƣớng xử lý hỗn hợp nhựa phế thải.

Hình 1.10: Ảnh 4 tầng thao tác của hệ thống nhiệt phân nhựa phế thải KIER (Hàn Quốc) công suất 12 tấn/ngày(từ trái sang phải – tầng 3,4 và tầng 1,2)[14]

34

c. Nhiệt phân xử lý chất thải rắn nguồn gốc hữu cơ

Đi đầu trong công tác nghiên cứu công nghệ nhiệt phân xử lý chất thải rắn hữu cơ hiện nay là các nƣớc phát triển nhƣ Mỹ, Đức, Nhật Bản... Nhiệt phân CTR hữu cơ tùy theo từng loại chất thải sẽ cho các sản phẩm chính tƣơng tự nhƣ: Khí nhiệt phân, than nhiệt phân và dầu nhiệt phân. Phần lớn các ứng dụng nhiệt phân CTR hữu cơ đều tập trung cho sản phẩm dạng khí hoặc sử dụng ngay hơi nhiệt phân nóng làm nhiên liệu cho lò hơi công suất lớn để phát điện. Đặc biệt là tại Nhật Bản, hầu nhƣ tất cả các nhà máy xử lý CTRSH công suất lớn đều ứng dụng công nghệ nhiệt phân với sản phẩm chính là điện năng. Đối với ứng dụng công nghệ nhiệt phân biomass nhƣ vỏ cây, gỗ vụn chứa nhiều dầu, hoặc các chất thải nông nghiệp có khối lƣợng lớn, không cần công tác phân loại nhƣ lõi ngô, rơm rạ, bã mía, vỏ trấu..., sản phẩm chính là thu dầu nhiên liệu (bio-oil). Hệ thống thiết bị nhiệt phân xử lý CTR hỗn hợp thƣờng gồm các thiết bị chính: Lò phản ứng; Buồng cấp nhiệt; Ngƣng tụ gián tiếp; Ngƣng tụ trực tiếp; Ngƣng phân đoạn. Mô hình hệ thống đƣợc các nhà nghiên cứu tham khảo ứng dụng nhiều có dạng giống nhƣ hệ thống nhiệt phân biomass của hãng Mitsui, Nhật Bản.

Hình 1.12: Sơ đồ hệ thống thiết bị nhiệt phân biomass hãng Mitsui (Nhật Bản)[18]

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nhiệt phân với dạng phế thải da thuộc từ quá trình gia công sản xuất giầy da trên thế giới chủ yếu hiện nay vẫn đang đƣợc tiến hành. Các kết quả nghiên cứu chính đều xuất phát từ những thiết bị phòng thí nghiệm của các trƣờng đại học lớn tại các nƣớc phát triển nhƣ Nga, Mỹ, Đức, Nhật.

35

Một số các modun thiết bị thực nghiệm công nghệ nhiệt phân xử lý phế thải da thuộc đƣợc nghiên cứu chế tạo với công suất thấp chủ yếu tại Ấn Độ, Thổ Nhĩ Kỳ… và đều cho các sản phẩm dạng nhiên liệu: khí nhiệt phân, than nhiệt phân và dầu nhiệt phân. Các nghiên cứu này đang cố gắng đƣa ra một chế độ công nghệ thích hợp với nhiệt độ nhiệt phân thấp nhằm thu đƣợc lƣợng sản phẩm dầu nhiệt phân lớn nhất.

1.8. Kinh nghiệm nghiên cứu ứng dụng công nghệ và thiết bị nhiệt phân xử lý chất thải rắn nguồn gốc hữu cơ trong nƣớc lý chất thải rắn nguồn gốc hữu cơ trong nƣớc

Hiện nay, các phƣơng pháp xử lý chất thải rắn đang đƣợc áp dụng tại Việt Nam đang xuất hiện ngày càng nhiều những hạn chế và tác hại to lớn đến môi trƣờng xung quanh. Các nhà quản lý môi trƣờng Việt Nam đang gặp rất nhiều khó khăn khi đối mặt với hiện trạng ô nhiễm nghiêm trọng từ các bãi chôn lấp chất thải rắn trong khi bắt đầu cạn kiệt quỹ đất sử dụng để làm bãi chôn lấp chất thải rắn mới. Các nhà máy, cơ sở xử lý chất thải rắn hầu nhƣ đều sử dụng phƣơng pháp đốt tiêu hủy, hoặc chôn lấp. Các lò đốt rác từ các nhà máy này do hoạt động quá tải và chi phí vận hành quá cao nên gây áp lực tài chính lớn lên các chủ đầu tƣ, chính vì vậy, hầu nhƣ các thiết bị xử lý khí thải lò đốt đều không đƣợc đầu tƣ trong xử lý vì mục đích giảm chi phí hoạt động. Theo xu hƣớng phát triển công nghệ của thế giới hiện nay, các nhà khoa học Việt Nam đã và đang tập trung nghiên cứu hàng loạt các dạng công nghệ xử lý chất thải rắn tiên tiến khác nhau nhằm khắc phục những nhƣợc điểm của các phƣơng pháp xử lý cũ. Phƣơng pháp nhiệt phân nhiệt độ thấp chất thải rắn hữu cơ là một trong những phƣơng pháp đang đƣợc các nhà khoa học Việt Nam tập trung nghiên cứu phát triển mạnh trong thời gian gần đây. Đây là phƣơng pháp đƣợc đánh giá cao về hiệu suất xử lý, mức độ thân thiện với môi trƣờng và đặc biệt là khả năng tái chế nguồn chất thải rắn hữu cơ thành các dạng nhiên liệu thô. Các nghiên cứu nổi bật của các nhà khoa học Việt Nam về công nghệ thiết bị nhiệt phân xử lý chất thải rắn nguồn gốc hữu cơ cũng theo 3 xu hƣớng chính là: Nhiệt phân phế thải cao su; nhựa phế thải và biomass.

36

1.9. Kết luận chƣơng 1

Từ phân tích tổng quan về công nghệ nhiệt phân xử lý CTR đi đến kết luận:

1) Các nhà khoa học trên thế giới đều coi hƣớng công nghệ nhiệt phân nhiệt độ thấp (200 - 700^oC) xử lý chất thải rắn nguồn gốc hữu cơ nhƣ một hƣớng công nghệ tối ƣu. Quá trình nhiệt phân diễn ra trong môi trƣờng không có (hoặc có ít) oxy, không gây phát thải ô nhiễm thứ cấp nhƣ các phƣơng pháp truyền thống trong xử lý chất thải rắn: chôn lấp, thiêu đốt,… Dƣới áp lực về một cuộc khủng hoảng nhiên liệu hóa thạch, công nghệ nhiệt phân chất thải rắn có nguồn gốc hữu cơ, giúp thu hồi nhiên liệu: dầu, than và khí..;

2) Xử lý phế thải da thuộc từ quá trình gia công sản xuất giầy da là đang là vấn đề nổi cộm tại Việt Nam. Xử lý bằng phƣơng pháp chôn lấp hoặc đốt thiêu hủy khi không kiểm soát chặt chẽ sẽ gây ảnh hƣởng nghiêm trọng đến sức khỏe con ngƣời và môi trƣờng xung quanh. Có thể áp dụng công nghệ nhiệt phân nhiệt độ thấp để xử lý phế thải da thuộc nhằm tạo thành các sản phẩm nhiên liệu mà không gây các tác hại đến con ngƣời và môi trƣờng;

3) Kết quả khảo sát về xu hƣớng nghiên cứu công nghệ thiết bị nhiệt phân trong và ngoài nƣớc cho thấy các hệ thống thiết bị nhiệt phân có quy mô rất đa dạng từ hệ thống công suất nhỏ (<30kg/mẻ) cho đến các hệ thống vừa (<5 tấn/mẻ) và lớn (>5tấn/mẻ) nhƣ các Pilot, các nhà máy xử lý. Hệ thống thiết bị nhiệt phân thƣờng đƣợc chế tạo ở dạng module, kết cấu hệ thống gồm hai cụm thiết bị chính: Cụm thiết bị lò phản ứng nhiệt phân (cụm quan trọng nhất) và cụm thiết bị xử lý tách sản phẩm.

4) Cơ chế quá trình nhiệt phân nhiệt độ thấp chất thải rắn hữu cơ là cơ chế quá trình cracking nhiệt. Sự hình thành các sản phẩm nhiệt phân dạng rắn, lỏng, khí phụ thuộc lớn vào các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình nhiệt phân. Các yếu tố ảnh hƣởng chính đến quá trình nhiệt phân bao gồm: Nhiệt độ nhiệt phân và tốc độ nâng nhiệt, Cấu trúc, thành phần hóa học, kích thƣớc của nguyên liệu nhiệt phân, Thời gian lƣu hơi nhiệt phân, Dạng lò phản ứng và

37

hệ thống thiết bị, Sự tồn tại của oxy trong lò phản ứng, Trạng thái lỏng và