1.4. Công nghệ tận thu năng lƣợng từ rác
1.4.2. Biến đổi nhiệt hóa
1.4.2.1. Phương pháp đốt trực tiếp khối rác
Có 2 phƣơng pháp đốt trực tiếp khối rác nhằm tận dụng năng lƣợng. Phân gia súc, phân ngƣời Đạm và các chất dinh dƣỡng khác đƣợc hoàn trả lại cho đất, bùn góp phần cải tạo đất Hầm ủ biogas Chất thải của hầm ủ Nhiên liệu Chạy động cơ Nhiệt và thắp sáng Phát điện Chế phẩm từ cây trồng,
chất thải sinh hoạt Hầm ủ biogas
Một là: Đốt trực tiếp để đun nấu hoặc sƣởi ấm... theo cách cổ truyền, khơng có các biện pháp xử lý khí thải, khơng có hệ thống thu hồi năng lƣợng, khối chất thải nhƣ rơm, rạ, thân cây... đƣợc đốt và nhiệt sử dụng trực tiếp.
Hai là: Đốt rác qua hệ thống lò đốt hiện đại. Tại đây, nhiệt đƣợc thu hồi nhằm để phát điện hoặc làm nóng các nồi hơi. Có hệ thống kiểm sốt ơ nhiễm, kiểm sốt lƣợng tro bay. Một số đặc điểm của nhà máy đốt rác thải WTE sinh nhiệt phát điện:
Nhiệt tạo ra biến thành hơi nƣớc có thể đƣợc sử dụng trong hệ thống sƣởi ấm. Hơi nƣớc áp suất cao quay các cánh quạt của tuabin phát điện để sản xuất điện.
Tro sau khi đốt có thể chứa nồng độ cao các kim loại khác nhau và các hóa chất độc hại trong chất thải ban đầu [14].
Nguyên lý cơ bản của quá trình đốt
Ngun lý chung của tồn bộ q trình đốt là oxi hóa chất thải ở nhiệt độ cao với sự có mặt của oxy. Để hạn chế tới mức tối đa sự ơ nhiễm bầu khơng khí, đảm bảo cháy hết, giảm tối đa các chất khí đặc biệt là Dioxin, Fural và HCl, các chất không cháy, tro, xỉ thì nhiệt độ trong lị đốt chất thải đạt 1100-1200oC đối với chất thải nguy hại và phải đạt ≥ 900oC đối với chất thải sinh hoạt.
Để đạt đƣợc hiệu quả cao, quá trình cháy phải tuân thủ nguyên tắc 3T: Nhiệt độ - Độ xáo trộn - Thời gian lƣu cháy (Temperature - Turbulence - Time)
Nhiệt độ: Phải đảm bảo đủ cao để phản ứng xảy ra nhanh và hồn tồn, khơng tạo khí dioxin, đạt hiệu quả xử lý tối đa [14].
Độ xáo trộn: Để tăng cƣờng hiệu quả tiếp xúc giữa CTR cần đốt và chất oxi hóa.
Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống đốt rác thải thu hồi năng lƣợng [19]
1.4.2.2. Tạo dạng nhiên liệu giàu năng lượng
Một xu hƣớng xử lý chất thải rắn đang đƣợc quan tâm tại Việt Nam là tạo thành một dạng nhiên liệu rắn (refuse derived fuel - RDF) từ các thành phần có thể đốt đƣợc trong chất thải rắn nhƣ giấy, plastic, gỗ, vải... RDF chứa năng lƣợng trong một đơn vị thể tích cao hơn so với chất thải bình thƣờng, có thể đƣợc vận chuyển và tồn trữ dễ dàng; có thể đƣợc đốt trực tiếp hoặc đốt cùng than trong các ứng dụng cơng nghiệp; và có giá thành tƣơng đối thấp với nhiệt trị tƣơng đối cao. Với những tính năng này, RDF có tiềm năng lớn lao trong thay thế than đá, là một loại nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trƣờng. Hiện tại, ở Việt Nam đang chế tạo RDF - biomass, ngồi ra Cơng ty TNHH Thủy lực máy còn chế tạo RDF từ rác thải và hiện tại đang triển khai tại huyện Duy Tiên - Hà Nam và Sơng Cơng - Thái Ngun. Đó là cơng nghệ MBT-CD 08
Một số đặc điểm của công nghệ MBT-CD08 [3]:
Hố chứa Tro đƣa đi
chôn lấp Nồi hơi
Rửa khí Lọc tay áo Quạt Ống khói
Trạm cân
Cần trục
Nhà máy điện
- Chất cháy đƣợc tái chế thành viên nhiên liệu (Bao gồm tất cả các vật chất cháy đƣợc. Khơng cịn xà bần).
- Chất vô cơ đƣợc tái chế thành gạch xỉ (bao gồm tất cả các vật chất không cháy đƣợc . Khơng cịn thủy tinh sành sứ hay đất cát).
- Tách loại tự động tới 98 % nylon ra khỏi rác hỗn hợp (bán tái chế nhựa). Tách loại tự động 100% kim loại ra khỏi rác hỗn hợp (bán tái chế kim loại )
- Một số lƣợng rất rất ít rác độc hại nhƣ pin cũng đƣợc tách từ tự động, đóng rắn thành khối cùng với kim loại sẽ đƣợc tiêu hủy trong lò nấu thép.
- Sử dụng rất ít cơng nhân tiếp xúc trực tiếp với rác trong dây chuyền : 4- 6 ngƣời/dây chuyền phân loại.
- Xử lý & tái chế triệt để 100% rác đầu vào. Không chôn lấp.
- Nƣớc rác đƣợc thu vào bể xử lý và đƣợc dùng để hồi ẩm cho tháp sử lý sinh học nên khơng có nƣớc rỉ rác
- Khí thải đƣợc hút thu tự động trên tồn dây chuyền xử lý, đƣợc xử lý hóa học – Khơng phát tán ra ngồi
- Một số lƣợng nhỏ lốp cao su, giày da đƣợc nghiền nhỏ & tái chế thành các tấm cao su trải sàn công nghiệp.(hoặc đốt tận dụng nhiệt sấy khô viên nhiên liệu) Tất cả các vật chất có trong rác thải đƣợc xử lý và tái chế 100% thành các sản phẩm hữu ích. (khơng cịn % nào phải chơn lấp)
Hình 1.3. Sơ đồ cơng nghệ MBT-CD08 [3]
Nguyên liệu tái chế (kim loại, nylon) Tiền xử lý cơ học - Xé bao - Tách lọc thủ công - Giảm kích cỡ, sàng - Tuyển từ Khu tiếp nhận Thành phần có thể cháy (giấy, da, nhựa...)
Chất hữu cơ < 40 mm Thành phần không cháy (gạch, đá, thủy tinh Xử lý sinh học Kết hợp (MRF và composting) - Bổ sung hợp lý các thành phần (ẩm độ, C/N, độ rỗng) - Tạo mùn ổn định về mặt sinh học Xử lý cơ học
Sản xuất nhiên liệu - Máy cắt 2 trục
- Bổ sung phụ gia (dẫn cháy, chất khử khô). - Máy ép thủy lực - Sấy giảm ẩm Sản xuất gạch - Nghiền - Bổ sung phụ gia - Máy ép thủy lực KHU XỬ LÝ TÁI CHẾ
Sản xuất nhiên liệu - Năng lƣợng tái tạo (>4000 Kcal/kg) - Ít khí, khói thải SẢN PHẨM Gạch các loại - Giá thấp cung cấp xây dựng dân dụng tại chỗ -
Theo ghi nhận từ các viên nhiên liệu tại sản xuất từ rác thải huyện Duy Tiên - tỉnh Hà Nam, dịng vật chất trong sản phẩm RDF
Hình 1.4. Dịng vật chất trong RDF [3]
Hình 1.5. Nhiệt trị trong sản phẩm RDF (CD-08) và một số nhiên liệu khác [3]
1.4.2.3. Khí hóa
Một cách tổng qt, q trình khí hóa là q trình đốt CTR trong điều kiện thiếu oxy. Mặc dù phƣơng pháp này đã đƣợc phát hiện vào thế kỷ 19 nhƣng việc áp dụng để xử lý CTR chỉ đƣợc thực hiện trong thời gian gian gần đây.
Khí hóa là một kỹ thuật đốt có hiệu quả về mặt năng lƣợng, đƣợc áp dụng với mục đích giảm thể tích chất thải và thu hồi năng lƣợng. Q trình khí hố là q trình
đốt CTR chứa hàm lƣợng cacbon cao nhằm tạo ra nhiên liệu đốt giàu cacbon monoxide, hydrogen, và một vài hydrocacbon no (chủ yếu là CH4). Nhiên liệu đốt này có thể sử dụng cho động cơ đốt trong, tua bin chạy bằng khí, nồi hơi…
Q trình khí hóa gồm 5 phản ứng cơ bản sau: C + O2 = CO2 (tỏa nhiệt)
C + H2O = CO + H2 (thu nhiệt) C + CO2 = 2CO (thu nhiệt)
C + 2H2 = CH4 (tỏa nhiệt) CO + H2O = CO2 + H2 (tỏa nhiệt)
Nhiệt để duy trì quá trình lấy từ các phản ứng toả nhiệt, trong khi các thành phần dễ cháy đƣợc tạo ra bởi phản ứng thu nhiệt. [38]
Khi hệ thống đƣợc vận hành ở áp suất khí quyển với khơng khí đƣợc dùng làm chất oxy hố, thì sản phẩm cuối cùng của hệ thống khí hố là hỗn hợp khí cháy có nhiệt trị thấp bao gồm H2, CH4, CO2, CO và khí hidrocacbon, trong đó: 10% CO2, 20% CO, 15% H2 , 2% CH4 theo thể tích, cịn lại là khí N2.
Tuy nhiên, một thách thức lớn cho cơng nghệ khí hóa chất thải là để đạt đƣợc hiệu quả tích cực cho sản xuất điện. Hiệu suất chuyển đổi khí tổng hợp sang năng lƣợng điện bị hạn chế bởi việc tiêu thụ điện năng đáng kể trong tiền xử lý chất thải, tiêu thụ một lƣợng lớn oxy tinh khiết và làm sạch khí.
Một số q trình khí hóa chất thải đã đƣợc nghiên cứu nhƣng vẫn chƣa đƣợc xây dựng và thử nghiệm, chỉ có một số ít đã đƣợc thực hiện nhƣ các nhà máy chế biến chất thải thực sự và hầu hết thời gian kết hợp với nhiên liệu hóa thạch.
Một nhà máy ở Chiba, Nhật Bản xử lý chất thải công nghiệp từ năm 2000 bằng cách sử dụng quá trình Thermoselect nhƣng chƣa có tài liệu nào chứng minh sản xuất năng lƣợng từ quá trình này [33].
Hình 1.6. Hệ thống khí hóa sinh khối cơng nghệ Nexterra [32]
Tại Mỹ, một nhà máy khí hóa sinh khối đã đƣợc phê duyệt tại DeKalb Country, Georgia vào ngày 14 tháng 6 năm 2011 và ở Green Bay Wisconsin sẽ cung cấp điện cho hơn 4.000 ngôi nhà [40].
1.4.2.4. Nhiệt phân
Nhiệt phân là quá trình phân hủy hay biến đổi hóa học CTR bằng cách nung trong điều kiện khơng có oxy và tạo ra sản phẩm cuối cùng của quá trình biến đổi chất thải rắn là các chất ở dạng rắn, lỏng và khí. Nó là một lựa chọn đang đƣợc thử nghiệm cho công nghệ WTE [14]. Nguyên lý vận hành của quá trình nhiệt phân gồm 2 giai đoạn:
Giai đoạn 1 là q trình khí hóa, chất thải đƣợc gia nhiệt để tách các thành phần dễ bay hơi nhƣ khí cháy, hơi nƣớc... ra khỏi thành phần cháy khơng hóa hơi và tro.
Giai đoạn 2 là quá trình đốt các thành phần bay hơi ở điều kiện phù hợp để tiêu hủy hết các cấu tử nguy hại.
Nhiệt phân bằng hồ quang - plasma: thực hiện q trình đốt ở nhiệt độ cao (có thể đến 10.000oC) để tiêu hủy chất thải có tính độc cực mạnh. Sản phẩm là khí H2 và CO, khí axit và tro.