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 - 700oC) 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 hơi của nguyên liệu trong quá trình nhiệt phân,Chất xúc tác, Áp suất.
5) Trong các yếu tố này, nhiệt độ nhiệt phân và tốc độ nâng nhiệt là yếu tố chính để quyết định toàn bộ kết cấu của hệ thống từ công tác thiết kế đến công tác chế tạo, bao gồm cả công tác xác định dạng lò phản ứng, dạng buồng cấp nhiệt, phƣơng án cấp nhiệt, số lƣợng và dạng thiết bị trong công đoạn xử lý các sản phẩm nhiệt phân…
6) Nhiệt độ nhiệt phân và tốc độ nâng nhiệt tối ƣu sẽ tránh lãng phí trong công tác chế tạo (nhƣ lựa chọn vật liệu chế tạo lò phản ứng, kết cấu buồng cấp nhiệt,…) cũng nhƣ trong vận hành hệ thống (nhƣ xác định nhiệt độ phù hợp sẽ làm giảm chi phí nhiên liệu, điện vận hành hệ thống…). Nhiệt độ nhiệt phân (và tốc độ nâng nhiệt) chính là yếu tố ảnh hƣởng lớn nhất, quan trọng nhất của quá trình nhiệt phân xử lý phế thải da thuộc. Chất lƣợng, khối lƣợng, hiệu suất của các sản phẩm dạng rắn, lỏng, khí của quá trình nhiệt phân đều chịu tác động từ yếu tố này.
7) Dải nhiệt độ nhiệt phân cho phế thải da thuộc sau khi nghiên cứu khảo sát là 180-300 độ C, thời gian hơi nhiệt phân ở vùng phản ứng 5-10 giây, tốc độ nâng nhiệt 5-15 độ C/phút.
8) Cần tiến hành thí nghiệm nhiệt phân để xác định rõ các chế độ công nghệ nhiệt phân phù hợp với phế thải da thuộc cần xử lý.
38
CHƢƠNG 2 THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
2.1. Đối tƣợng nghi n cứu
Đối tƣợng nghiên cứu đƣợc lựa chọn là phế thải da thuộc của Công ty Cổ phần Xây dựng và Giầy da Hồng Việt - huyện Xuân Trƣờng - tỉnh Nam Định. Đây là một trong những nhà máy tƣ nhân gia công xuất khẩu giày da lớn nhất của Nam Định [2,3]. Hiện nay, nhà máy có lƣợng cán bộ công nhân viên dao động trong khoảng 400-600 ngƣời, sử dụng công nghệ ép-dán trong gia công sản xuất giầy da xuất khẩu. Sản phẩm chính của nhà máy là mũ giày các loại theo đơn hàng nƣớc ngoài. Sau quá trình gia công, sản phẩm đƣợc đóng kiện và chuyển đi p dán đế giày, đóng gói phụ kiện tại các công ty khác.
Hình 2.1 : Hiện trạng sản xuất của Công ty Cổ phần Xây dựng và Giầy da Hồng Việt - huyện Xuân Trường - tỉnh Nam Định
Lƣợng chất thải rắn từ quá trình gia công sản xuất của công ty trong khoảng 50-80 kg/ngày. Phần lớn chất thải rắn của nhà máy là các loại bavia da thuộc, vải,
39
xốp... từ quá trình gia công sản xuất mũ giày. Chất thải rắn đƣợc phân loại ở từng dây chuyền sản xuất.
Hình 2.2 : Hiện trạng chất thải rắn của Công ty Cổ phần Xây dựng và Giầy da Hồng Việt - huyện Xuân Trường - tỉnh Nam Định
Hình 2.3: Bãi đổ hở phế thải sản xuất của công ty CP Xây dựng và Giầy da Hồng Việt.
Hiện nay, do tỉnh Nam Định chƣa có nhà máy xử lý chất thải rắn công nghiệp, giá vận chuyển và xử lý ngoài tỉnh quá cao nên Công ty Cổ phần Xây dựng và Giầy da Hồng Việt đang phải đổ hở lƣợng chất thải rắn này ở các khu đất trống
40
trong khuôn viên công ty. Điều này ảnh hƣởng lớn đến diện tích đất sử dụng, mất mỹ quan nghiêm trọng cho công ty. Bên cạnh đó, do không đƣợc chôn lấp đúng quy cách nên một phần chất thải rắn đã bắt đầu phân hủy, gây ra mùi hôi thối, thu hút ruồi muồi chuột bọ, ảnh hƣởng nghiêm trọng đến môi trƣờng làm việc và dân cƣ xung quanh. Sau khi tận dụng các phế liệu có thể tái sử dụng, nhu cầu cấp thiết của công ty là xử lý lƣợng phế thải da thuộc lớn đã lƣu trữ và vẫn đang tiếp tục phát sinh hàng ngày.
Khối lƣợng phế thải da thuộc (dạng bavia) cần xử lý trung bình khoảng 35- 50 kg/ngày, cao điểm có thể đến 100 kg/ngày.
Sau khi đƣợc tƣ vấn công nghệ xử lý, Công ty Cổ phần Xây dựng và Giầy da Hồng Việt đã chấp thuận phƣơng án xử lý bằng công nghệ nhiệt phân nhiệt độ thấp tái chế phế thải giày da thành sản phẩm dạng nhiên liệu.
2.2. Mẫu thí nghiệm nhiệt phân
Mẫu thí nghiệm nhiệt phân phế thải da giầy đƣợc thu gom từ Công ty Cổ phần Xây dựng và Giầy da Hồng Việt - huyện Xuân Trƣờng - tỉnh Nam Định. Các mẫu thí nghiệm là bavia da thuộc từ các công đoạn gia công sản xuất giày da.
Phân tích thành phần phế thải da thuộc (% khối lƣợng):
- Độ ẩm: 7,1%
- Chất bay hơi: 67,0%
- Tro: 9,6%
Phân tích thành phần hóa học của phế thải da thuộc (% khối lƣợng):
- Thành phần C: 44,3%
- Thành phần H: 3,1% - Thành phần N: 14,2% - Thành phần S: 1,8% - Thành phần khác(Cr...): 36,6%
41
Hình 2.4: Mẫu thí nghiệm nhiệt phân phế thải da giầy
2.3. Phƣơng pháp nghi n cứu
2.3.1. Mục tiêu thí nghiệm
- Nhiệt phân mẫu thí nghiệm phế thải da;
- Xác định điểm nhiệt độ nhiệt phân bắt đầu thu đƣợc sản phẩm dạng lỏng (dầu nhiệt phân) với mẫu thí nghiệm trên;
- Xác định khoảng nhiệt độ nhiệt phân thu đƣợc nhiều sản phẩm dạng lỏng (dầu nhiệt phân) với mẫu thí nghiệm trên;
- Xác định các thông số công nghệ khác trong quá trình nhiệt phân với mẫu thí nghiệm trên (áp suất, tốc độ nâng nhiệt, thời gian…);
- Thông qua các kết quả thí nghiệm để lựa chọn nghiên cứu thiết kế hệ thống thiết bị nhiệt phân, trong đó quan trọng nhất là dạng thiết bị lò phản ứng nhiệt phân và buồng cấp nhiệt phù hợp với công suất xử lý 30-50 kg/mẻ và tính chất của đối tƣợng nhiệt phân trong điều kiện Việt Nam.
2.3.2. Yêu cầu thiết bị thí nghiệm
- Bình phản ứng nhiệt phân cần đạt công suất 1-2 kg/mẻ với nguyên liệu là các loại phế thải da thuộc;
- Vật liệu chế tạo cần chịu nhiệt cao, chống ăn mòn hóa chất, áp suất trong bình từ 1-3 atm;
42
- Bình phản ứng nhiệt phân cần có van an toàn để khí nhiệt phân thoát ra trong trƣờng hợp cần thiết;
- Buồng cấp nhiệt cần đảm bảo cung cấp đủ nhiệt lƣợng để nhiệt độ trong bình phản ứng nhiệt phân có thể lên đến 700 độ C và có khả năng điều khiển đƣợc chế độ nhiệt độ nhiệt phân và tốc độ nâng nhiệt theo các giá trị khác nhau định trƣớc;
- Hệ thống điều khiển hệ thống thiết bị thí nghiệm nhiệt phân cần có tính năng hoạt động tự động hoặc bằng tay, điều khiển đƣợc nhiệt độ, tốc độ nâng nhiệt theo các giá trị đặt trƣớc;
- Các đầu đo nhiệt độ tại bình phản ứng nhiệt phân và buồng cấp nhiệt có đồng hồ hiển thị tại tủ điện, đồng hồ đo áp suất. Ngoài ra, cần trang bị nút dừng khẩn cấp.
- Bình phản ứng nhiệt phân thí nghiệm, hệ thống đƣờng ống vận chuyển, các van an toàn, đầu nối đƣờng ống, thiết bị ngƣng tụ cần đƣợc lắp kín, đảm bảo không bị rò rỉ khí nhiệt phân hoặc để không khí bên ngoài lọt vào trong.
2.4. Thiết kế chế tạo thiết bị thí nghiệm nhiệt phân
2.4.1. Sơ đồ công nghệ hệ thống thiết bị thí nghiệm nhiệt phân
Hình 2.5: Sơ đồ công nghệ hệ thống thiết bị thí nghiệm nhiệt phân phế thải da thuộc
43 1. Van an toàn;
2. Bộ phận cấp nhiệt; 3. Vỏ buồng cấp nhiệt; 4. Bình phản ứng nhiệt phân;
5. Đầu đo nhiệt độ bình phản ứng nhiệt phân; 6. Tủ điện điều khiển;
7. Nƣớc trong thiết bị ngƣng tụ;
8. Thiết bị ngƣng tụ dạng ống thẳng đứng; 9. Bình thu dầu ngƣng tụ.
2.4.2. Mô tả chi tiết hệ thống thiết bị thí nghiệm nhiệt phân
Buồng cấp nhiệt của hệ thống thí nghiệm đƣợc thiết kế dạng thân hình trụ bằng thép không rỉ SUS 304, bên trong có lớp vật liệu chịu nhiệt Samốt A có tác dụng giữ nhiệt cho lò phản ứng. Độ dày lớp vật liệu cách nhiệt đến 60mm đảm bảo giữ nhiệt trong khoảng không gian nâng nhiệt với nhiệt độ đến 8000C. Bộ phận cấp nhiệt: Bao gồm 04 vòng điện trở công suất 1.600W mỗi vòng đƣợc cuốn xung quanh mặt trong của buồng cấp nhiệt đảm bảo tốc độ nâng nhiệt từ 5.0 – 20 độ C/phút. Nhiệt độ nâng có thể lên đến 8000C trong không gian nâng nhiệt giữa vỏ buồng và thân bình phản ứng. Tốc độ nâng nhiệt và nhiệt độ trong lò đƣợc kiểm soát và điều chỉnh bởi đầu đo nhiệt độ và hệ thống thiết bị điện điều khiển. Khoảng cách giữa bộ phận cấp nhiệt và thành bình phản ứng = 30mm, đảm bảo quá trình truyền nhiệt ổn định cho lò phản ứng mặt khác đảm bảo an toàn điện cho hệ thống. Để tránh nguy cơ cháy nổ do việc gia tăng nhiệt độ, áp suất, vỏ lò có bố trí các lỗ nhỏ thoát không khí. Thân bình phản ứng nhiệt phân đƣợc thiết kế dạng hình trụ tròn có nắp bằng thép không rỉ SUS304. Nắp bình nhiệt phân đƣợc thiết kế dạng bích tròn, trên nắp bố trí lắp đầu đo nhiệt, đƣờng ống van an toàn và phễu thu hơi nhiệt phân. Để làm kín nắp và thân bình nhiệt phân, giữa hai chi tiết này có bố trí gioăng làm kín bằng amiang. Thiết bị ngƣng tụ có tác dụng thu sản phẩm dƣới dạng lỏng với nguyên tắc làm lạnh hơi nhiệt phân do trao đổi nhiệt với nƣớc làm mát. Kết cấu gồm có 05 ống trao đổi nhiệt thẳng đứng làm bằng thép không gỉ, hơi nhiệt
44
phân đi bên trong ống. Bên ngoài là bình ngƣng chứa nƣớc làm mát tuần hoàn. Nƣớc trong bình đƣợc kiểm soát bằng van lƣu lƣợng nƣớc điều chỉnh bằng tay đảm bảo nhiệt độ nƣớc vào từ 25 đến 300C, nƣớc ra từ 45 đến 500
C. Bình thu dầu làm bằng thép không rỉ SUS304 với dung tích 1,5 lít đủ chứa lƣợng dầu tối đa cho mỗi mẻ thí nghiệm. Dƣới đáy hộp thu dầu bố trí van xả để lấy dầu nhiệt phân.
2.4.3. Tính toán một số thông số thiết bị chính trong hệ thống thiết bị thí nghiệm
nhiệt phân
- Kích thước bình nhiệt phân thiết bị thí nghiệm
Thân bầu nhiệt phân có kết cấu dạng hình trụ tròn, với kích thƣớc đƣợc chọn theo cơ sở lƣợng nguyên vật liệu đƣa vào, cụ thể nhƣ sau:
Khối lƣợng nguyên liệu thí nghiệm mỗi mẻ : m = 0.5 - 1kg. Loại nguyên liệu thí nghiệm:
Phế thải có khối lƣợng riêng = 0.91kg/1dm3
Thể tích chiếm chỗ của nguyên vật liệu: v = m/ = 1.1dm3
Hệ số xếp vật liệu lấy k = 0.4
Thể tích bình phản ứng: V = v/k = 2.75dm3
Ứng với thể tích trên, chọn kích thƣớc cơ bản bầu nhiệt phân : 140 x 250 cm
- Công suất nhiệt
Giả thiết cần nâng 1kg phế thải da thuộc từ 300C lên 7000C trong khoảng thời gian 30 phút. Công suất nhiệt tính theo công thức:
d d dxC x t G Q (W) Trong đó : Gd = 4.2 x 10-4 kg/giây
Cd = 5.168 J/kg. độ là nhiệt dung riêng
670 30 500 td độ Thay vào ta đƣợc: Q = 4.2 x 10 -4 x 5168 x 670 = 4.126 (W)
- Công suất buồng cấp nhiệt
Để bù trừ cho việc thất thoát nhiệt qua không khí và do kết cấu của lò nhiệt phân, chọn công suất buồng cấp nhiệt khoảng 6.000W
45
- Điện trở cho lò đốt
Công suất lò Pl =6.000W, chia làm 4 vùng đều nhau, có Pv =1.500W Điện thế sử dụng U = 220V AC
Nhiệt độ vật nung cao nhất Tvmax= 700oC
Dây điện trở đƣợc cuốn theo dạng lò xo và đƣợc bố trí xung quanh lò
Từ nhiệt độ cao nhất của vật nung Tvmax, chọn dây điện trở chịu đƣợc nhiệt độ Td thỏa mãn điều kiện Td ≥ Tvmax +1000C
Với Tvmax = 700oC, cần chọn dây có nhiệt độ cao hơn 8000C, tra bảng đặc tính vật liệu chế tạo dây điện trở chọn dây loại X20H80 đƣờng kính d là 1,2mm có
Điện trở suất ở 20oC ρ = 1,1Ωmm2/m Hệ số nhiệt điện trở α = 0,035. 10-3 Nhiệt độ nóng chảy 1.4000C
Nhiệt độ làm việc cực đại 1.1500C Nhiệt độ làm việc liên tục 1.0500C Nhiệt độ làm việc gián đoạn 1.0000C
Từ công suất của 1 dây Pv =1.500W và điện áp U =220V ta xác định đƣợc điện trở R theo công thức P U R . 103 2 , Ω
Từ điện trở R, xác định chiều dài dây l theo
S R l . , m Với 4 .d2 S , mm2
Thay các số liệu trên vào ta đƣợc R= 32.3 Ω, l=22.8m. Với dây điện trở có d = 1,2mm ta xoắn thành dây lò xo có : Đƣờng kính vòng xoắn D ≤ 10d Bƣớc xoắn t ≥ 2d Chọn D=12mm, số vòng xoắn D l n = 605 vòng
46
Chọn t =2,4mm chiều dài dây lo xo là L= nt = 1,352m Nhƣ vậy, bố trí dây điện trở nhƣ sau:
Dây lò xo điện trở đƣợc đặt trong 4 rãnh; Chiều cao mỗi rãnh là 250mm kể từ đáy lò; Khoảng cách gữa các rãnh là 80mm.
- Thiết bị điện, điện điều khiển
Yêu cầu thiết kế điện điều khiển: Công suất buồng cấp nhiệt Pmax = 6000W, điện áp làm việc U = 220V AC, nhiệt độ làm việc của bình nhiệt phân Tmax = 700 0C
Nhiệt độ bình nhiệt phân đƣợc đặt trƣớc trong khoảng từ 150-7000C tùy yêu cầu. Phƣơng thức điều khiển PID, với sai số nhiệt độ nồi nấu +- 3% so với nhiệt độ đã đƣợc cài đặt từ trƣớc, bộ phận cấp nhiệt đƣợc chia thành 2 cụm, mỗi cụm 2 bếp có công suất 1.500W đƣợc bố trí xen kẽ để đảm bảo phân bố đều nhiệt lƣợng xung quanh bình phản ứng. Sơ đồ hệ thống điện điều khiển: