7 TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI
2.3.5 Lị đốt tầng sơi (tháp đốt tầng sơ i/ Fluid – Bed Furnace)
Lị đốt làm việc ở chế độ tĩnh. Đặc điểm của lị chứa một lớp cát dày 40 – 50cm nhằm: nhận nhiệt và giữ nhiệt cho lị đốt, bổ sung nhiệt cho rác ướt. Lớp cát được giĩ thổi xáo động làm chất thải rắn bị tơi ra, xáo động nên theo cháy dễ dàng. Chất thải lỏng khi bơm vào lị sẽ bám dính lên bề mặt các hạt cát nĩng đang xáo động, nhờ vậy sẽ bị đốt cháy cịn thành phần nước sẽ bay hơi hết.
Quá trình đốt tầng sơi:
Giĩ thổi mạnh vào dưới lớp vỉ đỡ cĩ lỗ nên giĩ sẽ phân bố đều dưới đáy lị làm lớp đệm cát cùng các phế liệu rắn, lỏng được thổi tơi, tạo điều kiện cháy triệt để. Khoang phía dưới tháp (trên vỉ phân bố giĩ), là khu vực cháy sơ cấp nhiệt độ buồng đốt từ 850 – 9200C, cịn khoang phía trên phình to hơn là khu vực cháy thứ cấp cĩ nhiệt độ cháy cao hơn (990 – 11000
C) nhằm đốt cháy hồn tồn chất thải. Trong đĩ đốt tầng sơi cần duy trì một lượng cát nhất định tạo một lớp đệm giữ nhiệt ổn định và hỗ trợ cho quá trình sơi của lớp chất thải đưa vào đốt. Khí thải sau đĩ được làm nguội và cho qua hệ thống xử lý trước khi qua ống khĩi thải ra mơi trường [10]. Lị đốt tầng sơi được thể hiện trong hình 2.5
Hình 2.5 Lị đốt tầng sơi 2.3.6 Lị đốt chất thải lỏng (Liquid – Waste Incineration):
Chất thải nguy hại dạng lỏng được đốt trực tiếp trong lị đốt bằng cách phun vào vùng ngọn lửa hay vùng cháy của lị phụ thuộc vào nhiệt trị chất thải. Lị được duy trì nhiệt độ khoảng 10000C. Thời gian lưu của chất thải lỏng trong lị từ vài phần giây đến 2.5 giây.
Dịng lịng được phun vào với áp lực cao, vận tốc lớn và sẽ phân thành những phần tử phun nhỏ. Hơi sẽ cấp nhiệt và cĩ khuynh hướng làm giảm độ nhớt của chất lỏng. Khi độ nhớt giảm thì hiệu quả đốt sẽ tăng lên. Độ nhớt là một trong những chỉ tiêu quan trọng trong lị đốt chất thải lỏng. Độ nhớt chất thải càng cao thì càng khĩ đốt.
Điều kiện cấp khí: tại buồng sơ cấp thì cấp khí để đốt hơi chất lỏng hữu cơ. Tại buồng thứ cấp, cấp khí dư và luơn giữ ngọn lửa hướng về phía tường lị và phải giảm nhiệt độ chung cho tồn hệ thống khi cần thiết. Nhưng phải hạn chế sự va chạm của ngọn lửa vào tường lị vì sẽ tạo ra nguy cơ ăn mịn và thất thốt năng lượng. Do đĩ khi thiết kế lị phải lưu ý tránh sự va đập. Sự cấp khí sơ cấp khơng chỉ là cấp khí cháy mà
cịn tạo sự xáo trộn bên trong lị, cung cấp dịng khí tương đối thấp lên bề mặt chịu nhiệt của lị, giữ cho nhiệt độ tại bề mặt chịu nhiệt luơn thấp hơn tại tâm lị đốt. Yêu cầu: cấp 5 – 30% khí dư (tổng 2 buồng lị)
Loại, hình dáng, kích cỡ của lị đốt chất thải lỏng phụ thuộc vào tính chất của rác, thiết kế của béc phun, tường lị và điều kiện cấp khí.
Cấu tạo của lị đốt chất thải lỏng như trong hình 2.6
Hình 2.6 Lị đốt chất thải lỏng 2.3.7 Lị đốt nhiệt phân tĩnh
Nguyên lý hoạt động của lị chủ yếu dựa vào quá trình kiểm sốt khơng khí cấp vào lị. Khi V (lượng khơng khí cấp tức thời) < V0 (lượng khơng khí tính tốn trên lý thuyết) (vùng thiếu khí) thì nhiệt độ tăng khi lưu lượng khí tăng. Khi V > V0 (vùng dư khí) thì nhiệt độ sẽ giảm khi lưu lượng khí cấp vào lị tăng. Dựa vào quan hệ giữa lượng khơng khí được cấp cho quá trình đốt và nhiệt độ buồng đốt để kiểm sốt quá trình đốt.
Trong buồng đốt sơ cấp lượng khơng khí – V, chỉ được cấp bằng 20 – 70% nhu cầu cần thiết – V0. Nhiệt độ lị đốt sơ cấp được kiểm sốt từ 400 – 9500
C. Khí bao gồm cĩ hỗn hợp các khí cháy (khí gas) và hơi nước sẽ được dẫn lên buồng thứ cấp và khí gas sẽ được đốt tiếp trong buồng thứ cấp.
Ở buồng thứ cấp lượng khơng khí cung cấp dư để đốt cháy hồn tồn khí gas. Khí thải tiếp tục được làm sạch (khử bụi, khí acid …) bằng các thiết bị xử lý trước khi thải ra mơi trường. Nhiệt độ làm việc ở buồng thứ cấp trên 10000C. Khi đốt chất thải nguy hại nhiệt độ phải đảm bảo trên 11000C trong thời gian lưu cháy 2 giây.
Lị tĩnh rất kín, đặc biệt ở tại nơi nạp rác, điều này đảm bảo cho 1 quá trình nhiệt phân tốt nhất với 1 ít giĩ nạp vào buồng sơ cấp. Cấu tạo lị đốt nhiệt phân tĩnh được thể hiện trong hình 2.7
Hình 2.8 Hệ thống lị đốt nhiệt phân tĩnh cĩ kiểm sốt ơ nhiễm
Ưu điểm:
- Các quá trình sấy, hố khí, cháy, đốt cặn carbon xảy ra trong buồng nhiệt phân trong điều kiện thiếu khí, khơng cần sự xáo trộn rác cho nên sẽ giảm được lượng bụi phát sinh đáng kể.
- Nếu kiểm sốt được chế độ nhiệt phân thì buồng nhiệt phân chính là nguồn cung cấp năng lượng cho buồng thứ cấp, sẽ tiết kiệm được nhiên liệu.
- Quá trình diễn ra ở nhiệt độ thấp (so với đốt) do vậy tăng tuổi thọ của vật liệu chịu lửa do đĩ giảm chi phí bảo trì. Việc bảo trì cũng dễ dàng hơn do lị khơng cĩ bộ phận xoay nên ít bị mài mịn. Tuổi thọ của vật liệu chịu lửa cao vì các vật liệu này khơng bị hư hại bởi các mảnh cứng của rác lúc rơi xuống (trong lúc nạp).
- Các cấu tử cĩ thể thu hồi được tập trung trong bã rắn hoặc nhựa để thu hồi. - Vấn đề lắp đặt lị tĩnh thì chỉ cần 1 khoảng khơng gian nhỏ
Nhược điểm:
- Một số thành phần trong chất thải lúc nạp liệu để đốt cĩ thể bị giữ lại bởi bã thải (do nhựa hắc ín), tro cũng cần được chơn lấp an tồn.
- Chất thải cĩ phản ứng thu nhiệt khơng nên đốt trong lị nhiệt phân. - Thời gian đốt lâu hơn so với cơng nghệ đốt lị quay.
Cơng nghệ đốt theo nguyên lý nhiệt phân là một cơng nghệ tiên tiến bởi cĩ nhiều ưu điểm hơn so với các cơng nghệ khác. Ở Mỹ, hiệu ứng nhiệt phân đã ứng dụng nhiều trong các quá trình cơng nghiệp, tuy nhiên mãi tới những năm 1960 mới dần được ứng dụng trong lĩnh vực đốt chất thải nhưng cũng chưa gặt hái được thành cơng nhiều so với một số nước Châu Âu.
Ở Châu Âu cĩ một số cơng ty hàng đầu về thiết kế chế tạo các loại lị đốt sử dụng hiệu ứng nhiệt phân như: cơng ty Thyssen của Đức với lị đốt tầng sơi, Del Monego của Ývới lị đốt thùng quay, HOVAL với lị nhiệt phân tĩnh, BIC của Bỉ … Trong đĩ lị HOVAL đã cĩ mặt trong nhiều dự án đốt rác cơng nghiệp và rác y tế ở nước ta như: lị HOVAL tĩnh của cơng ty Novatis - sản xuất TBVTV; lị GG42-HOVAL của cơng ty Mơi trường Đơ thị Tp.HCM, đốt rác y tế tập trung. Tại khu vực phía Nam cĩ khoảng 30 lị đốt chế tạo trong nước cũng theo nguyên lý nhiệt phân tĩnh.
Xử lý chất thải bằng phương pháp đốt theo nguyên lý nhiệt phân khơng cịn mới đối với thế giới, nhưng do mỗi loại chất thải cĩ thành phần và tính chất khác nhau địi hỏi phải cĩ quy trình vận hành phù hợp, mới đạt hiệu quả đốt chất thải cũng như hiệu quả kinh tế cho việc xử lý.
2.3.8 Một số loại lị đốt khác
2.3.8.1 Hệ thống đốt hồng ngoại (Infrared – Furnace)
Hệ thống cấp khí được thiết kế tại phần cuối của dây chuyền, lượng khí cấp dư từ 20 – 30%. Cung cấp nhiệt bởi hệ thống cấp nhiệt hồng ngoại bên trong lị đốt ở phía trên dây chuyền.
Hình 2.9 Lị đốt hồng ngoại
2.3.8.2 Lị đốt sử dụng vỉ lị đốt - ống lăn và đốt rác bằng điện một chiều
Cấu tạo lị đốt gồm vỉ đốt - ống lăn, lị đốt rác, hệ thống khí thổi rác.
Vỉ đốt - ống lăn là kỹ thuật đốt rác hiện đại đang được sử dụng tại hơn 200 nhà máy đốt rác trên thế giới. Để bảo đảm chắc chắn sự vận chuyển rác trong lị, hệ thống này được bố trí theo độ dốc 200. Rác nằm đọng giữa các ống lăn sẽ bị nhào trộn, do đĩ các quá trình sấy khơ, bốc cháy và đốt rác sẽ xảy ra một cách triệt để. Rác bị đốt cháy dần dần trong khi nhào trộn và vận chuyển trên vỉ lị đốt ống lăn. Để lị đốt cĩ nhiệt độ cao, lượng khí thổi phun vào để đốt rác phải khơng được dư thừa mà phải vừa đủ. Tùy theo tình trạng cháy trong lị, lượng khí nĩng này luơn được tự động điều chỉnh. Hệ thống tự động điều chỉnh làm việc trên cơ sở liên tục nhận được đo hàm lượng khí thải ra khỏi lị.
Nhiệt độ cao phía trên vỉ lị đốt địi hỏi thành lị và vỉ đốt ống lăn phải cĩ khả năng chịu nhiệt rất cao. Để giải quyết yên cầu này vỏ ống lăn được tạo thành do nhiều miếng lắp ghép lại. Khi ống lăn quay, phía trên ống lăn bị đốt nĩng, trong khí đĩ phía dưới lại được làm nguội nhờ luồng khí thổi từ phía dưới phun vào. Tất cả những đặc
điểm kết cấu và vận hành này làm cho ống lăn bền bỉ chịu nhiệt và đơn giản lắp ráp, thay thế.
Ngồi ra, cịn sử dụng chất thải nguy hại làm nhiên liệu: đây là phương pháp tiêu huỷ chất thải bằng cách đốt cùng với nhiên liệu thơng thường khác để tận dụng nhiệt cho các thiết bị thu hồi nhiệt: nồi hơi, lị nung, lị luyện kim, lị nấu thuỷ tinh. Lượng chất thải bổ sung vào lị đốt cĩ thể chiếm 12 – 25% tổng lượng nhiên liệu.
CHƢƠNG BA
TỔNG QUAN LÝ THUYẾT CƠNG NGHỆ ĐỐT CHẤT THẢI THEO NGUYÊN LÝ NHIỆT PHÂN
3.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN
Nhiệt phân là quá trình phân huỷ chất thải ở nhiệt độ cao trong điều kiện thiếu oxy. Phản ứng quan trọng nhất trong quá trình nhiệt phân là bẻ gãy mạch liên kết C-C, khơng cĩ xúc tác, chúng tạo thành những gốc tự do và cĩ đặc tính chuỗi, nhiệt độ càng tăng sự cắt mạch càng sâu. Sản phẩm thu được gồm các chất ở dạng khí, lỏng và rắn. Ở nhiệt độ cao các sản phẩm dạng lỏng một mặt bị hố hơi và mặt khác lại tiếp tục bị nhiệt phân cắt mạch tạo thành các sản phẩm đơn giản hơn. Chất rắn (cặn Carbon) hay sản phẩm cốc hố thu được là do sự phân hố hydrocarbon đến C tự do.
Quá trình nhiệt phân là quá trình thu nhiệt, tốc độ nhiệt phân phụ thuộc vào nhiệt độ, thành phần, cấu trúc chất thải và chế độ cấp khí.
Phản ứng nhiệt phân chất thải rắn được mơ tả một cách tổng quát như sau: Chất thải Các chất bay hơi hay khí gas + cặn rắn
Trong đĩ: khí gas gồm: CxHy, H2, COx, NOx, SOx và hơi nước.
Cặn rắn: carbon cố định + tro
Quá trình nhiệt phân và biến đổi sản phẩm cháy thể hiện trong hình 3.1 và hình 3.2
Hình 3.1. Quá trình nhiệt phân Hình 3.2. Biến đổi sản phẩm cháy
Nhiệt độ bắt đầu quá trình nhiệt phân của một số chất: than non từ 300 – 4000 C, gỗ từ 225 – 3250C, lignin từ 300 – 5000C. Nhiệt độ bắt đầu cháy khí gas từ 400 – 6000C.
3.2 CÁC GIAI ĐOẠN CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH ĐỐT CHẤT THẢI TRONG LỊ NHIỆT PHÂN TRONG LỊ NHIỆT PHÂN
3.2.1 Tại buồng sơ cấp
Đốt thiếu oxy, các quá trình xảy ra gồm:
Sấy khơ (bốc hơi nước) chất thải: chất thải được đưa vào buồng đốt sẽ thu nhiệt
từ khơng khí nĩng của buồng đốt, nhiệt độ của chất thải đạt trên 1000
C, quá trình thốt hơi ẩm xảy ra mãnh liệt, khi nhiệt độ tiếp tục tăng sẽ xảy ra quá trình nhiệt phân chất thải và tạo khí gas.
Quá trình phân huỷ nhiệt tạo khí gas và cặn carbon: chất thải bị phân huỷ nhiệt
sinh ra khí gas, tức là các hợp chất hữu cơ phức tạp tạo thành các chất đơn giản như: CH4, CO, H2… Thực tế, với sự cĩ mặt của oxy và khí gas trong buồng nhiệt phân ở nhiệt độ cao đã xảy ra quá trình cháy, nhiệt sinh ra lại tiếp tục cấp cho quá trình nhiệt phân, như vậy đã sinh ra quá trình “tự nhiệt phân và tự đốt sinh năng lượng” mà khơng cần địi hỏi phải bổ sung năng lượng từ bên ngồi (khơng cần tiến hành cấp nhiệt qua béc đốt), do vậy đã tiết kiệm năng lượng. Thơng qua quá trình kiểm sốt chế độ cấp
Khoảng thơng giĩ
Khơng khí sơ cấp Tro
Ơxi hĩa than Chuyển thành than Nhiệt phân Sấy khơ Ghi đỡ CO + H2 + CxHy+ N2 +H2O Sản phẩm Khơng khí thứ cấp 15 21 0 15% O2 CO2 CO % th ể tíc h
Đodọc theo đường khí đi (chiều dày lớp chất thải)
khí và diễn biến nhiệt độ buồng sơ cấp sẽ đánh giá được giai đoạn: sấy, khí hố và đốt cặn trong buồng nhiệt phân.
Quá trình nhiệt phân chất thải rắn thường bắt đầu từ 2500
C – 6500C, thực tế để nhiệt phân chất thải người ta thường tiến hành ở nhiệt độ từ 425 – 7600
C. Khi quá trình nhiệt phân kết thúc, sẽ hình thành tro và cặn carbon, do vậy người ta cịn gọi giai đoạn này là carbon hố.
3.2.2 Tại buồng thứ cấp
Quá trình đốt dư khí oxy: khí gas sinh ra từ buồng sơ cấp, được đưa lên buồng thứ cấp để đốt triệt để. Tốc độ cháy phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ chất cháy trong hỗn hợp khí gas. Khi đã cháy hết 80 – 90% chất cháy (khí gas) thì tốc độ phản ứng giảm dần.
3.2.3 Quá trình tạo tro xỉ
Giai đoạn cuối mẻ đốt, nhiệt độ buồng đốt nâng tới 9500C để đốt cháy cặn carbon, phần rắn khơng cháy được tạo thành tro xỉ. Các giai đoạn của quá trình cháy thực tế khơng phải tiến hành tuần tự, tách biệt mà tiến hành gối đầu, xen kẽ nhau.
Lị nhiệt phân coi như cĩ 2 buồng phản ứng nối tiếp nhau với 2 nhiệm vụ: buồng sơ cấp làm nhiệm vụ sản xuất khí gas, cung cấp cho buồng thứ cấp để đốt triệt để chất hữu cơ. Chất lượng khí gas tạo thành phụ thuộc vào bản chất của chất thải được nhiệt phân cũng như điều kiện nhiệt phân ở buồng sơ cấp. Kiểm sốt được mối quan hệ giữa buồng sơ cấp và buồng thứ cấp đồng nghĩa với việc kiểm sốt được chế độ vận hành lị đốt đạt hiệu quả như mong muốn.
3.3 CÁC NGUYÊN TẮC CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH CHÁY
Quá trình cháy tuân thủ theo nguyên tắc “3T”: nhiệt độ - độ xáo trộn - thời gian lưu cháy.
Nhiệt độ (Temperature): nhiệt độ buồng đốt phải đủ cao để phản ứng cháy
xảy ra nhanh và hồn tồn, đạt hiệu quả xử lý tối đa. Nếu nhiệt độ quá cao, lưu lượng của khí sinh ra quá lớn, ảnh hưởng đến thời gian lưu khí trong buồng thứ cấp cĩ nghĩa
là làm giảm sự tiếp xúc giữa khơng khí và khí gas, sản phẩm khí thải sẽ cĩ khĩi đen, nồng độ các chất ơ nhiễm như CO, THC trong khí thải cao. Nếu nhiệt độ khơng đủ cao phản ứng sẽ xảy ra khơng hồn tồn và sản phẩm khí thải cũng cĩ khĩi đen. Vì vậy, nếu nhiệt độ quá cao cũng như quá thấp thì sẽ làm giảm hiệu quả cháy. Đối với việc vận hành lị đốt chất thải theo nguyên lý nhiệt phân thì yếu tố nhiệt độ cĩ ý nghĩa rất quan trọng là cơ sở cho quá trình vận hành cũng như quá trình kiểm sốt lị đốt.
Độ xáo trộn (Turbulance): để tăng hiệu quả tiếp xúc giữa chất cháy và chất
oxy hố, cĩ thể đặt các tấm ngăn trong buồng đốt hoặc tạo gĩc nghiêng thích hợp giữa dịng khí với béc phun để tăng khả năng xáo trộn.
Độ xáo trộn cĩ thể đánh giá thơng qua yếu tố xáo trộn:
F = 100% * [lượng khơng khí lý thuyết]/[lượng khơng khí tổng cộng] Trong đĩ: F: yếu tố xáo trộn.
F: càng gần 100% thì hiệu quả xử lý càng cao.