2.7.1. Giới thiệu công nghệ đốt chất thải
Đốt chất thải là một quá trình xử lý chất thải có liên quan đến các quá trình đốt cháy của cơ chất có trong chất thải. Thiêu hủy và hệ thống xử lý chất thải nhiệt độ cao khác được mô tả như là quá trình xử lý nhiệt. Đốt chất thải chuyển đổi chất thải thành tro, khí thải và nhiệt. Tro chủ yếu được hình thành bởi
thành phần vô cơ của chất thải. Khí thải phải được làm sạch các chất ô nhiễm khí và hạt trước khi chúng được phân tán vào không khí. Trong một số trường hợp, lượng nhiệt sinh ra bằng cách đốt có thể được sử dụng để tạo ra điện.
Thiêu hủy có thu hồi năng lượng là một trong những công nghệ biến chất thải thành năng lượng như khí hóa, nhiệt phân và phân hủy yếm khí. Công nghệ đốt và khí hóa tương tự về nguyên tắc, các sản phẩm năng lượng từ đốt là nhiệt nhiệt độ cao trong khi khí dễ cháy thường là sản phẩm năng lượng chính từ khí hóa. Đốt và khí hóa cũng có thể được thực hiện mà không cần năng lượng và tái chế phế liệu.
Ở một số nước, lò đốt chỉ được áp dụng trong một vài thập kỷ trước đây và thường không bao gồm công đoạn tách vật liệu để loại bỏ độc hại, cồng kềnh hoặc tái chế vật liệu trước khi đốt. Các cơ sở này có xu hướng gấy râ nhiều nguy cơ sức khỏe của công nhân nhà máy và môi trường địa phương do mức độ trung bình làm sạch khí và kiểm soát quá trình đốt cháy. Hầu hết các cơ sở này đã không tạo ra điện.
Lò đốt giảm khối lượng chất thải rắn chỉ tiêu hủy được khoảng 80-85% và khối lượng so với chất thải nguyên bản (đã được nén hơi trong xe chở rác ), tùy thuộc vào thành phần và mức độ phục hồi của các vật liệu như kim loại từ tro để tái chế. Điều này có nghĩa rằng trong khi đốt không thay thế hoàn toàn chôn lấp , nó làm giảm đáng kể khối lượng cần thiết để xử lý. Xe chở rác thường làm giảm khối lượng chất thải trong một máy nén tích hợp trước khi chuyển giao chất thải cho lò đốt. Ngoài ra, tại các bãi chôn lấp, khối lượng rác thải được nén có giảm khoảng 70% bằng cách sử dụng một máy nén thép, dù với một chi phí năng lượng đáng kể. Ở nhiều nước, phương pháp đơn giản là nén chất thải, được coi như một thực tế phổ biến tại các bãi chôn lấp.
Đốt trong một số trường hợp là phương pháp thích hợp, có lợi ích đặc biệt mạnh mẽ để xử lý một số loại chất thải trong các lĩnh vực như chất thải lâm sàng và một số chất thải nguy hại mà tác nhân gây bệnh và độc tố có thể bị phá hủy bởi nhiệt độ cao.
Đốt chất thải là đặc biệt phổ biến ở các nước như Nhật Bản, nơi đất đai là một nguồn tài nguyên khan hiếm. Đan Mạch và Thụy Điển cũng đã sử dụng năng lượng tạo ra từ việc tiêu huỷ chất thải trong hơn một thế kỷ, trong quá trình địa hóa, nhiệt và năng lượng hỗ trợ cho sưởi ấm. Năm 2005, tiêu huỷ chất thải sản xuất tạo ra 4,8% lượng tiêu thụ điện và 13,7% tổng tiêu thụ nội địa nhiệt ở Đan
Mạch. Một số nước châu Âu khác chủ yếu dựa vào đốt để xử lý rác thải đô thị, đặc biệt là Luxembourg , Hà Lan, Đức và Pháp.
Các lò đốt rác đầu tiên cho xử lý chất thải đã được xây dựng trong Nottingham bởi Manlove, Alliott & Co Ltd vào năm 1874 với một thiết kế bằng sáng chế của Albert Fryer . Các lò đốt rác đầu tiên của Mỹ được xây dựng vào năm 1885 trên đảo Thống đốc New York, NY. Cơ sở đầu tiên ở Cộng hòa Séc được xây dựng vào năm 1905 tại Brno.
2.7.2. Phân loại công nghệ đốt
Lò đốt là một lò để đốt chất thải. Lò đốt hiện đại bao gồm thiết bị giảm thiểu ô nhiễm như khói làm sạch khí. Có nhiều loại khác nhau của thiết kế nhà máy đốt rác: Lò đốt di động, lò cố định, lò quay, và lò tầng sôi.
Hình thức đơn giản nhất và sớm nhất của xử lý chất thải, về cơ bản bao gồm một đống vật liệu dễ cháy chất đống trên đất trống và đốt cháy. Rác thải sinh hoạt không được khuyến khích và có thể là bất hợp pháp trong khu vực đô thị, nhưng được phép trong các tình huống nhất định ở nông thôn như thanh toán bù trừ đất rừng cho nông nghiệp, nơi gốc cây được bật gốc và bị đốt cháy. Rác sân vườn được phép trong nhiều cộng đồng nông thôn, cùng với số lượng nhỏ các chất thải nông nghiệp trong nước hoặc tạo ra trên các khu vực nông nghiệp, mặc dù còn có khối lượng không lớn nhựa đường, nhựa, hoặc sản phẩm dầu mỏ khác có thể sinh sản ra khói đen dày. Tuy nhiên, đám cháy có thể và đã lan ra không kiểm soát được, ví dụ nếu gió thổi cháy nguyên liệu ra khỏi đống vào xung quanh cỏ cháy hoặc lên các tòa nhà, hoặc các đống chất thải khi cháy có thể sụp đổ, lan rộng khu vực cháy. Ngay cả trong tình trạng không có gió, than hồng nhỏ đốt cháy nhẹ có thể nhấc ra khỏi đống thông qua đối lưu , và thoảng qua không khí vào cỏ hoặc vào các tòa nhà, đốt cháy chúng.
Thùng đốt là một dạng đốt rác phần nào kiểm soát nhiều hơn của tiêu huỷ chất thải tư nhân, có chứa các vật liệu cháy bên trong một thùng kim loại, với một kim loại lưới trên ống xả. Thùng ngăn chặn sự lây lan của vật liệu cháy trong điều kiện gió, và là chất dễ cháy được giảm, chúng chỉ có thể giải quyết xuống thùng. Lưới sắt xả giúp ngăn ngừa sự lây lan của than hồng đang cháy. Thường thép với lỗ thông hơi không khí cắt hoặc khoan xung quanh tạo cơ sở cho lượng không khí lưu thông. Theo thời gian, nhiệt độ rất cao của đốt làm cho kim loại bị ôxi hóa và rỉ sét, và cuối cùng là thùng tự được tiêu thụ bởi hơi nóng và phải được thay thế. Các sản phẩm cellulose/giấy khô nói chung là sạch sẽ,
quá trình không nhìn thấy khói, nhưng nhựa trong rác thải sinh hoạt tạo ra mùi cay và khói. Hầu hết các cộng đồng đô thị cấm thùng đốt, và các cộng đồng nông thôn nhất định có thể có quy định cấm. Tại Hoa Kỳ, đốt nông thôn tư nhân với số lượng nhỏ của hộ gia đình, chất thải nông nghiệp thường được phép, miễn là nó không phải là một mối phiền toái cho người khác, không gây ra nguy cơ cháy như trong điều kiện khô, và ngọn lửa không sản xuất dày đặc , khói độc hại. Tuy nhiên, một số ít các bang, chẳng hạn như New York, Minnesota và Wisconsin, có luật hoặc quy định hoặc cấm hoặc quy định nghiêm ngặt mở đốt do lo ngại về tác động sức khỏe.
Nhà máy đốt điển hình cho chất thải rắn đô thị là một lò đốt di động. Lò đốt di động cho phép sự chuyển động của chất thải qua buồng đốt được tối ưu hóa để cho phép một quá trình đốt cháy hiệu quả hơn và đầy đủ. Một lò di động có thể xử lý lên đến 35 tấn chất thải một giờ, và có thể hoạt động 8.000 giờ mỗi năm. Kế hoạch để kiểm tra và bảo trì trong khoảng thời gian khoảng một tháng. Chất thải được đưa vào bởi một cần cẩu chất thải thông qua họng ở một đầu lò đốt, từ đó chuyển xuống trên những thanh thép giảm dần vào pittro ở đầu kia. Ở đây, tro được loại bỏ thông qua một khóa nước. Một phần của khí đốt (khí đốt chính) được cung cấp thông qua lò từ bên dưới. Luồng không khí này cũng có mục đích làm mát chính nó. Khí đốt thứ cấp được cấp vào lò ở tốc độ cao thông qua vòi phun trên những thanh thép. Nó tạo điều kiện đốt cháy hoàn toàn khí thải bằng cách trộn tốt hơn và lượng dư oxy. Trong nhiều bước lò đốt, khí đốt thứ cấp được đưa vào trong một buồng riêng biệt ở cuối buồng đốt sơ cấp. Theo Chỉ thị về thiêu hủy chất thải của châu Âu, các nhà máy đốt rác phải được thiết kế để đảm bảo rằng các khí thải đạt tới nhiệt độ ít nhất là 850°C trong 2 giây để đảm bảo tiêu hủy hết các chất hữu cơ độc hại. Để tuân thủ với điều này ở tất cả các lần, một hệ phụ trợ được tạo ra (thường được thúc đẩy bởi dầu), được bắn vào lò trong trường hợp nhiệt trị của chất thải trở nên quá thấp để đạt đến nhiệt độ này. Các khí thải này sau đó được làm lạnh trong các bộ quá nhiệt, trong đó nhiệt được chuyển giao cho hơi nước, làm nóng hơi nước lên khoảng 400°C ở áp suất 40 bar cho tuabin máy phát điện. Tại thời điểm này, khí thải có nhiệt độ khoảng 200°C, và tiếp tục được đưa đến hệ thống ống khói làm sạch khí.
Các loại cũ và đơn giản của lò đốt là một ô cố định trên một hố tro thấp hơn, với một phần mở ở phía trên hoặc bên cạnh để tải và một mở ở một bên để loại bỏ các chất rắn, sự đốt cháy này có thể được gọi là clanhke. Nhiều lò đốt nhỏ trước đây được tìm thấy trong nhà chung cư hiện nay đã được thay thế bằng máy ép chất thải.
Các lò quay được sử dụng ở các thành phố và các nhà máy công nghiệp lớn. Thiết kế lò này có 2 buồng: một buồng đốt chính và buồng đốt thứ cấp. Buồng nhỏ trong một lò đốt rác quay bao gồm một vật liệu chịu lửa lót ống hình trụ nghiêng. Các lớp lót chịu lửa bên trong phục vụ như là lớp hy sinh để bảo vệ cấu trúc lò. Lớp vật liệu chịu lửa này cần phải được thay thế theo thời gian. Xi lanh trên trục của nó tạo điều kiện cho chuyển động của chất thải. Trong buồng chính, có sự chuyển đổi một phần của chất thải rắn để khí, thông qua sự bay hơi, chưng cất, phá hủy và phản ứng đốt cháy một phần. Buồng thứ cấp để hoàn thành các phản ứng đốt cháy giai đoạn khí. Các clanhke tràn ra vào cuối của hình trụ. Tro chuyển xuống dưới thông qua sàng lò.
2.7.3. Sử dụng nhiệt phát sinh từ lò đốt
Nhiệt được sản xuất bởi một lò đốt có thể được sử dụng để tạo ra hơi nước mà sau đó có thể được sử dụng cho một tuabin để sản xuất điện. Số lượng điển hình của năng lượng ròng có thể được sản xuất mỗi tấn rác thải đô thị là khoảng 2/3 MWh điện và 2 MWh sưởi ấm. Như vậy, đốt khoảng 600 tấn mỗi ngày chất thải sẽ sản xuất khoảng 400 MWh điện năng mỗi ngày (17 MW năng lượng điện liên tục trong 24 giờ) và 1200 MWh năng lượng sưởi ấm mỗi ngày.
2.8. CÁC LOẠI LÒ ĐỐT CHẤT THẢI 2.8.1. Lò Quay 2.8.1. Lò Quay
Hệ thống lò quay dung trong xử lý chất thải bao gồm: - Bộ phận nạp liệu
- Bộ phận cấp khí - Lò quay
- Buồng đốt thứ cấp - Thiết bị gom tro
- Hệ thống xử lý khí thải - Ống khói
Lò Quay bao gồm buồng đốt hình trụ, bên trong có lót gạch chịu lửa trên các bánh răng truyền chuyển động, lò quay với tốc độ 3- 5 vòng/phút theo trục của nó. Độ nghiêng của lò từ 3- 5o theo chiều từ đầu nhập nhiên liệu đến đầu tháo tro và do vậy chất thải có thể chuyển động theo phương ngang và theo phương bán kính của lò. Trong lúc di chuyển, chất thải cũng đồng thời được đốt cháy tại
phần cuối của lò, tro được tháo ra và đồng thời khí thải tiếp tục đi vào buồng đốt thứ cấp đang được duy trì ở nhiệt độ cao hơn để hoàn thành quá trình thiêu hủy chất thải.
2.8.2. Lò đứng 2 cấp
Lò đứng 2 cấp bao gồm một buồng đốt sơ cấp và một buồng đốt thứ cấp. Hai buồng đốt này có thể bố trí theo chiều ngang hoặc dọc. Nếu bố trí theo chiều dọc, thì buồng đốt thứ cấp ở phía trên và thông thường đó là loại lò đốt có kiểm soát không khí.
Đối với các lò đốt có công suất nhỏ, chất thải nạp vào buồng đốt sơ cấp, còn tro xỉ được tháo ra khi đã tích lũy với số lượng lớn gây ảnh hưởng đến chế độ hoạt động của lò. Đối với các lò có công suất lớn, chất thải được nạp vào và tro được lấy ra liên tục nhờ hệ thống cơ khí. Buồng đốt thứ cấp có nhiêm vụ đốt tiếp để tiêu hủy hoàn toàn thành phần hữu cơ hiện diện trong khí thải buồng sơ cấp
2.8.3. Lò tầng sôi
Lò tầng sôi có cấu tạo có cấu tạo hình trụ, tường bằng gạch chịu lửa bên trong có sử dụng một tầng vật liệu đang “sôi” của cát hoặc nhôm, đá vôi, vật liệu gốm… mà tại đó quá trình đốt cháy diễn ra. Thiết bị ngoại vi quan trọng nhất của lò là quạt thổi khí, vừa có chức năng tạo tầng sôi vừa có nhiệm vụ cấp khí cháy cho lò. Trong trường hợp cần xử lý khí thải của lò phải trang bị thêm quạt ly tâm. Chất thải được nạp trực tiếp và bên trên hoặc bên trong của tầng sôi tùy thuộc vào độ ẩm của bùn. Với chất thải có độ ẩm cao cần phải nạp liệu về phía trên so với tang sôi để đảm bảo thời gian và hiệu quả tách ẩm và trường hợp này cần diện tích bề mặt tầng sôi, dẫn đến yêu cầu về diện tích tiết diện lò phải lớn. Ngược lại, tiết diện lò có thể nhỏ hơn nếu chất thải nạp vào bên trong tầng sôi.
Do đặc điểm cấu tạo, chất thải sau khi nạp vào lò tầng sôi đạt được sự tiếp xúc mãnh liệt với không khí để thực hiện quá trình thiêu đốt hiệu quả, các thành phần cháy được và tách hết độ ẩm. nhiệt độ tầng sôi thường dao động trong khoảng 1300- 1500oK, tùy thuộc vào trạng thái vật lý của chất thải được đốt. Thời gian lưu của không khí trong lò khá lớn từ 3-6 giây.
Tro còn lại sau khi đốt sẽ trộn lẫn với vật liệu tầng sôi, một phần theo dòng khí thải ra ngoài. Với chất thải chứa các muối kim loại tro sau khi đốt thường gây ra hiện tượng kết tụ tầng sôi, kéo theo sự kết hợp chúng thành các hạt
rắn lớn dễ dàng lắng tụ, dẫn đến giảm hiệu quả sử dụng tầng sôi và hiệu suất làm việc của lò.
2.8.4. Lò hồng ngoại
Lò hồng ngoại (lò điện/lò bức xạ điện) là hệ thống bao gồm một băng tải chứa chất thải di chuyển bên trong buồng đốt sơ cấp dài, được duy trì ở áp suất âm nhờ quạt hút. Khí đi ra khỏi buồng nung tiếp tục qua buồng đốt thứ cấp, còn chất thải sau khi nung được băng tải vận chuyển ra ngoài, dẫn đến bộ phận chứa tro.
Băng tải có cấu tạo dưới dạng liên tục được làm bằng hợp kim chịu nhiệt cao (1300- 1600oF). Lớp chịu nhiệt của hệ thống lò hồng ngoại được làm bằng vật liệu gốm thay vì gạch chịu lửa nhằm hạn chế mức độ tản nhiệt của lò.
Chất thải được nạp vào buồng đốt sơ cấp từ miệng nạp xuống băng tải, tạo thành một lớp bùn dày khoảng 2,5 cm trên mặt băng tải. Tốc độ băng tải được lựa chọn sao cho chất thải được tiêu hủy mà không phải đảo trộn. Chính điều này làm giảm nồng độ bụi trong khí thải đầu ra. Không khí được cấp vào lò theo chiều ngược với chiều băng tải để tận dụng nhiệt chất thải.
Nhiệt lượng cung cấp cho lò qua cac tấm nhiệt hồng ngoại bố trí phía trên của băng tải, duy trì nhiệt độ trong lò 1600oF. Do sử dụng năng lượng điện, nên trong khí thải không có thêm các sản phẩm cháy như khi sử dụng nhiên liệu hóa thạch.
2.8.5. Lò kiểm soát không khí (lò nhiệt phân)
Nguyên lý hoạt động của lò chủ yếu là quá trình trình kiểm soát không khí cấp vào lò. Trong buồng đốt sơ cấp lượng khí được cấp bằng 10- 80% nhu cầu cần thiết theo tính toán lý thuyết, khí sinh ra từ phản ứng này bao gồm có các khí