7 TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI
3.4.1 Thành phần và tính chất chất thải
Thành phần hĩa học của một số chất thải được đưa ra trong bảng 3.2
Bảng 3.2 Thành phần hĩa học trung bình của một số chất thải
Thành phần Thành phần hĩa học (%KL)
Carbon Hydro Ơxy Nitơ Lƣu huỳnh Khác
Bệnh phẩm* 50.8 9.35 39.85 vết - Giấy 45.4 6.1 44.0 0.3 0.12 - Carton 44.0 5.9 44.6 0.3 0.2 5.0 Plastic 59.8 8.3 19 1.0 0.3 6.0 Vải 55.0 6.6 31.2 4.6 0.15 - Cao su 78 10.0 - - 2.0 10.0 Thực phẩm 41.7 5.8 27.6 2.8 0.25 Rác vườn 49.2 6.5 36.1 2.9 0.35 -
Ghi chú: * bệnh phẩm khơ, khơng tính tro (Nguồn: tài liệu tham khảo [2])
Thành phần hĩa học của chất thải cĩ ảnh hưởng tới quá trình nhiệt phân và đốt chất thải. Dựa vào thành phần hố học của chất thải để tính được nhiệt trị của chất thải và tính tốn lượng khí oxy cần thiết để đốt cháy hồn tồn chất thải cũng như lượng khí thải hình thành (hoặc lưu lượng khí thải), yếu tố này liên quan tới việc tính tốn thời gian lưu cháy khi đốt chất thải.
Dư khí Thiếu khí Cháy yếu Cháy tốt Nhiệt độ Cháy khơng hồn tồn 3.4.2Ảnh hƣởng của hệ số dƣ khơng khí
Hình 3.3 biểu diễn sự ảnh hưởng của khơng khí dư trong quá trình đốt tới nhiệt độ buồng đốt.
Hình 3.3 Đƣờng biểu diễn liên quan giữa nhiệt độ và khơng khí dƣ
Hệ số cấp khí () là tỉ số giữa lưu lượng khơng khí thực tế với lưu lượng khơng khí lý thuyết, hay cịn gọi là hệ số dư khơng khí, cĩ ảnh hưởng tới hiệu quả cháy, là một thơng số rất quan trọng trong quá trình đốt chất thải, đặc biệt là trong cơng nghệ nhiệt phân, đây là yếu tố quan trọng để kiểm sốt chế độ phân huỷ rác. Giá trị tăng hay giảm của cĩ liên quan tới sự tăng hay giảm của nhiệt độ lị đốt. Khi hệ số cấp khí tăng (trong vùng <1 - thiếu khí), sự cĩ mặt của oxy đã gây ra phản ứng cháy, toả nhiệt làm tăng nhiệt độ. Khi cấp oxy vào trong buồng nhiệt phân thì trong buồng nhiệt phân xảy ra quá trình “nhiệt phân và đốt”.
Hình 3.3 cũng cho thấy trong quá trình đốt ta cần cấp dư khí để đảm bảo đốt triệt
để chất thải, vì oxy cấp vào cho sự cháy là oxy khơng khí, trong đĩ cĩ lẫn thành phần nitơ (N2: 79%, O2: 21% (thể tích)), khi ở nhiệt độ cao sẽ xảy ra phản ứng giữa oxy và nitơ. Do đĩ phải tiến hành cấp dư khí, nhưng nếu đưa khơng khí lạnh vào trong lị nhiều sẽ làm nguội lị, nhiệt độ giảm, gây tổn thất nhiệt. Vì vậy các lị đốt hiện nay thường cấp dư khí trong khoảng 1.05 – 1.1%.
Từ bảng 3.3 cho thấy lượng khơng khí cần thiết cung cấp cho quá trình cháy của các chất khác nhau. Mỗi chất được đốt cĩ giá trị khác nhau và lượng khơng khí lý thuyết cung cấp cho quá trình cháy cũng khác nhau. Trong quá trình đốt khơng phải lúc nào ta cũng cĩ thể tính tốn được lượng khơng khí cần cung cấp cho quá trình cháy vì thành phần của chất thải đầu vào luơn biến động, do đĩ cần phải tiến hành kiểm sốt quá trình đốt thơng qua một thơng số khác để quá trình vận hành dễ dàng hơn.
Bảng 3.3 Nhu cầu cấp khí của một số chất thải
Chất thải Lƣợng khơng khí lý thuyết
(m3 khơng khí/ kg chất thải) Polyetylen PET Photoresist Polystyren Polyuretan PVC Giấy Bệnh phẩm Carton Plastic Vải Cao su Thực phẩm Rác vườn 12.3 4.2 5.7 10 6.9 6.2 3.1 3.1 2.3 5.9 4.1 9.2 3.6 3.3
(Nguồn: tài liệu tham khảo [13])
3.4.3Nhiệt trị
Nhiệt trị của chất thải là lượng chất thải phát sinh khi đốt cháy hồn tồn 1kg chất thải (kcal/kg hoặc kJ/kg). Đây là yếu tố liên quan tới sự tiêu hao năng lượng cần cấp thêm cho quá trình đốt chất thải, tức là liên quan tới giá thành để xử lý chất thải. Dựa vào khả năng sinh nhiệt của chất thải mà người ta chọn cơng nghệ đốt chất thải cho phù hợp.
Nhiệt trị thấp của nhiên liệu rắn, lỏng được tính theo cơng thức Mendeleep: Q (kcal/kg) = 81C + 300H - 26 (O - S) - 6 (9A + W)
Vì thành phần của Cl, F, N thấp nên được bỏ qua trong tính tốn nhiệt trị.
Với: C, H, O, S, A, W là hàm lượng phần trăm trọng lượng của các nguyên tố carbon, hyddro, ơxy, lưu huỳnh, tro, ẩm trong chất thải.
Với cơng nghệ đốt nhiệt phân thì nhiệt trị của rác khơng phải là yếu tố quan trọng, mà nhiệt hố học cĩ vai trị quan trọng hơn. Khi nhiệt phân chất thải sinh ra khí gas, mà khí gas cháy sẽ sinh ra nhiệt. Nhiệt trị của một số thành phần trong rác đưa ra trong bảng 3.4
Bảng 3.4 Nhiệt lƣợng của một số chất thải
Thành phần Nhiệt lƣợng Trung bình (kcal/kg) Rác làm vườn 1558 Rác sinh hoạt 2501 Giấy 4004 Carton 3894
Nhựa dẻo (plastic) 7788
Cao su 5563
Vải 4194
Da 4194
(Nguồn: tài liệu tham khảo [13])
3.5 ỨNG DỤNG NGUYÊN LÝ NHIỆT PHÂN TRONG LỊ ĐỐT CHẤT THẢI
Đối với các lị đốt theo nguyên lý nhiệt phân thì việc kiểm sốt chế độ cấp khí tại buồng nhiệt phân cĩ vai trị quan trọng đặc biệt. Trong buồng sơ cấp lượng khơng khí – V, chỉ được cấp bằng 20 – 70% nhu cầu cần thiết – V0 (theo tính tốn lý thuyết). Khí gas sinh ra ở buồng sơ cấp sẽ được dẫn lên buồng thứ cấp và được đốt tiếp. Ở buồng
thứ cấp lượng khơng khí cấp vào vượt 110 – 200% lượng khơng khí cần thiết. Khí thải tiếp tục được làm sạch (khử bụi, khí acid…) bằng các thiết bị xử lý trước khi thải ra mơi trường.
Quan hệ giữa lượng khơng khí được cấp cho quá trình nhiệt phân và nhiệt độ buồng đốt sơ cấp đã được nghiên cứu như ở hình 3.3. Người ta lợi dụng quy luật này
để kiểm sốt quá trình. Ở giai đoạn đầu của quá trình, nhu cầu oxy cho hỗn hợp khí nhiệt phân cháy lớn. Đến cuối quá trình, nhu cầu oxy giảm dần.
- Kiểm sốt quá trình đốt tại buồng sơ cấp:
Ở giai đoạn đầu của quá trình nhiệt phân, diễn ra quá trình sấy, phân hủy chất (tạo khí gas) và cháy một phần khí nhiệt phân, do đĩ tăng khơng khí nghĩa là tăng oxy cho quá trình cháy, nhiệt phản ứng toả ra dẫn đến làm tăng nhiệt độ.
+ Khi nhiệt độ tăng, sẽ phải giảm lưu lượng cấp khơng khí. + Khi nhiệt độ giảm đi thì phải tăng lưu lượng cấp khơng khí.
Như vậy đây là quá trình đốt thiếu khí cĩ kiểm sốt. Nhiệt độ ở buồng sơ cấp được kiểm sốt thơng thường từ 300 – 6500C, lượng khí cấp (tức là lượng oxy) sẽ tăng dần theo thời gian nhiệt phân, để tăng nhiệt độ giai đoạn đốt cuối lên tới 10000
C (giai đoạn đốt cặn carbon).
- Kiểm sốt quá trình đốt tại buồng thứ cấp:
+ Vì ở buồng thứ cấp cĩ nhiệm vụ đốt cháy hồn tồn phần khí gas từ buồng sơ cấp, nhiệt độ cần duy trì trên 11000C khi đốt chất thải nguy hại.
+ Người ta phải dùng detector nhiệt tự động được kiểm sốt cùng với quạt cấp khí để kiểm sốt quá trình đốt.
- Các loại chất thải được đốt bằng lị nhiệt phân:
Chất thải hữu cơ ở dạng rắn, lỏng, khí. Tuy nhiên chất rắn phải nạp từ buồng sơ cấp. Chất lỏng và khí đốt thẳng ở buồng thứ cấp, lúc này buồng đốt cĩ cải tiến, lắp thêm bộ đốt chất lỏng.
Những chất cĩ phản ứng thu nhiệt sẽ khơng được đốt trong lị nhiệt phân. Quá trình xáo trộn chất thải phải hạn chế tối đa. Vì vậy, một số chất dạng bột, bột giấy cũng bị hạn chế đốt bằng lị nhiệt phân.
- Khí thải:
So sánh với phương pháp đốt khác thì đốt nhiệt phân trong buồng sơ cấp địi hỏi lượng khơng khí cấp vào lị rất thấp, vận tốc dịng khí thấp và khơng cần xáo trộn nên hạn chế rất nhiều bụi phát sinh theo dịng thải. Buồng thứ cấp đốt triệt để các chất nên khí thải gần như là khơng bị ơ nhiễm. Các chất hữu cơ và các chất độc hại như dioxins, furans, PCBs cháy hồn tồn. Thường bụi trong khí thải <200 mg/m3. [1]
3.6 CÁC YÊU CẦU KHI ĐỐT CHẤT THẢI NGUY HẠI
3.6.1 Hiệu quả phân huỷ DRE (Destruction and Removal Efficiency)
Hiệu quả phân huỷ chọn cho một trong các chất hữu cơ nguy hại khĩ phân huỷ (Organic Hazadous Constituents – POHCs) phải đạt 99,99%. DRE được tính như sau:
DRE = [(Win - Wout)/Win] x 100%
Với:
DRE: hiệu quả phá huỷ (xử lý) chất thải Win : tải lượng chất ơ nhiễm đầu vào (kg/h) Wout : tải lượng chất ơ nhiễm đầu ra (kg/h)
Hiệu quả phân hủy của một số chất hữu cơ DRE = 99,99%, khi thời gian lưu cháy là 0,5; 1,0; 2,0 giây đã đưa ra trong bảng 3.1.
Đối với các hợp chất Dioxin/Furans theo quy định của Mỹ thì hiệu quả xử lý DRE phải đạt giá trị 99,9999%
Trong cơng nghệ đốt chất thải nguy hại, người ta thường chọn chất khĩ phân hủy nhất để làm cơ sở tính tốn. Từ bảng 3.1 nhận thấy Toluene, tetrachlorobenzene,
carbon tetrachloride là những chất rất khĩ phân huỷ, phải cần nhiệt độ thật cao mới cĩ thể đốt được. Ở nhiệt độ càng cao, sự cắt mạch càng sâu nên hầu hết các chất hữu cơ
đều bị phân huỷ chỉ cịn lại một số ít mạch vịng, nhưng thơng thường đối với lị đốt hoạt động theo nguyên lý nhiệt phân thì CH4 sinh ra từ quá trình nhiệt phân cĩ thể được sử dụng để đánh giá hiệu quả phân huỷ chất thải, và cũng là thơng số để nhận biết khi nào quá trình đốt được xem là thực hiện xong (thơng qua kiểm tra nồng độ đầu vào và đầu ra của buồng thứ cấp).
Nguyên nhân: hiệu quả phân huỷ của CH4 cũng khá cao, để phân huỷ được 99,99% thì cần tiến hành đốt ở nhiệt độ 9080C với thời gian lưu là 2 giây, do đĩ khi các chất phân huỷ đến CH4 thì cĩ thể xem là phân huỷ xong (bảng 3.2), mặt khác việc đo chỉ số CH4 được tiến hành dễ dàng, cĩ thiết bị đo trực tiếp và giá thành rẻ hơn khi so sánh với các chất khĩ phân huỷ khác (toluene, tetrachlorobenzene, carbon tetrachloride…)
3.6.2 Chỉ số cháy I
Trong hỗn hợp các chất hữu cơ đem đốt cần xác định chất “khĩ bị cháy nhất” để đánh giá. Tức là thơng qua chỉ số cháy I:
I = C + (a/H)
Với: a : hằng số, 100kcal/gam
I : chỉ số cháy, khơng thứ nguyên C : hàm lượng, phần trăm
H : nhiệt trị, kcal/gam
Giá trị I càng cao cĩ nghĩa là chất càng bị khĩ cháy. Ví dụ dịng chất thải nguy hại gồm các chất như trong bảng 3.5.
Theo bảng 3.5 thì chỉ số I của Tribromethane lớn nhất và nĩ cũng cĩ nhiệt trị
thấp nhất, mặc dù nồng độ của nĩ trong chất thải là thấp nhất, nhưng cĩ ý nghĩa để xác định hiệu quả phân huỷ chất thải trong quá trình đốt.
Bảng 3.5 Chỉ số cháy của một số chất Hợp chất C H I Dichloromethane 1.7 1.70 60.5 Chlodane 0.5 2.71 37.4 Hexachlorobenzene 1.1 1.79 57.0 Tribromethane 0.1 0.13 769.3 DDT 2.0 4.51 24.2
(Nguồn: tài liệu tham khảo [2])
3.6.3 Hiệu quả đốt CE (Combustion Efficiency)
Để đánh giá hiệu quả của quá trình cháy người ta cĩ thể sử Tổng hydrocarbon (THC) như đã trình bày ở mục 3.6.1, nhưng việc đo nồng độ THC phức tạp hơn so với đo nồng độ CO, CO2. Do đĩ người ta đánh giá hiệu quả cháy thơng qua CO và CO2 mà vẫn đạt được độ tin cậy, dễ phân tích, thực hiện. Hiệu quả đốt CE được tính theo cơng thức sau:
CE = 100% x [CO2] / {[CO2] + [CO]}
Trong đĩ CO2 và CO là nồng độ phần trăm theo thể tích trong khí thải khơ. Đối với lị đốt chất thải nguy hại thì yêu cầu hiệu quả lị đốt phải đạt trên 99,99%.
Với các hợp chất hữu cơ nguy hại khơng chứa thành phần chlor hữu cơ, thời gian lưu cháy cần đạt 2s, nhiệt độ buồng đốt tối thiểu là 10000
C. nếu đốt các hợp chất cĩ chứa chlor hữu cơ, thời gian lưu cháy cần đạt 2s, nhiệt độ buồng đốt tối thiểu là 12000C, bắt buộc lị đốt phải trang bị hệ thống xử lý khí thải.
3.6.4 Hiệu chỉnh nồng độ các chất trong khí thải
Nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí thải thường được đưa về cùng một điều kiện chuẩn theo 3%, 7%, 11% O2 hoặc 12% CO2 khí khơ (% thể tích khí khơ).
- Nồng độ chuẩn theo oxy
Pn = Pm x (21 – n)/(21 – Y)
Pm là nồng độ đo được trong điều kiện lấy mẫu Y là nồng độ oxy đo được trong khí thải
- Nồng độ chuẩn theo 12% CO2
P12 = Pm x 12/[CO2]m
Trong đĩ: P12 là nồng độ chất ơ nhiễm ở 12% CO2
[CO2]m là nồng độ CO2 đo được trong khí thải trong điều kiện thu mẫu
3.6.5 Tiêu chuẩn thải quy định cho lị đốt và một số nguồn thải của Việt Nam và một số nƣớc một số nƣớc
Bảng 3.6 Tiêu chuẩn khí thải của một số nguồn thải của Việt Nam
STT Chất ơ nhiễm Đơn vị Giá trị tối đa cho phép
TCVN 5939 - 1995 (Nguồn loại B) TCVN 6560 - 1999 1 Bụi mg/m3 400 100 2 HF mg/m3 10 2 3 HCl mg/m3 200 100 4 CO mg/m3 500 100 5 NOx mg/m3 1000 350 6 SOx mg/m3 500 300 7 Cd mg/m3 1 1 8 Hg mg/m3 - 0.5 9 tổng KL nặng (As,Sb,Ni,Co,Cr, Pb,Cu,V,Sn,Mn) mg/m3 - 2 10 Tổng Dioxin/Furan g/m3 - 1
Bảng 3.7 Tiêu chuẩn giới hạn khí thải cho lị đốt chất thải của một số nƣớc
Chất ơ nhiễm Giá trị tối đa cho phép
Mỹ (a) Tây Đức (c)
Thụy Sĩ (b) Thụy Điển (b) Nhật (c) Bụi 25 75 50 50 35 HCl 45 30-100 30 200 80 HF 5 5 5 SO2 75-200 300 500 - CO 470 100 NOx 270-380 300 500 THC 45 20 20-150 Zn 5 Pb 5 Sb,Cu,Mn,V 5 As,Cr,Co,Ni,Se,Te 1 Cd 0.2 0.2 Hg 0.2 0.1
Khí khơ 12%O2 11%O2 11%O2 10%O2
(Nguồn: tài liệu tham khảo [4])
Ghi chú:
a) Khơng phải là tiêu chuẩn quốc gia, tuy nhiên ở nhiều tiểu bang bao gồm cả Washington, Oregon, California, New jersey, Connesticut, New Hamshire đều cĩ những hướng dẫn được áp dụng cho kỹ thuật khống chế để cĩ thể đạt được các giới hạn này.
b) Mới áp dụng
c) Tiêu chuẩn địa phương
3.6.6 Các tính chất của chất thải cần quan tâm khi đốt
- Thành phần hố học của chất thải, độ tro, độ ẩm.
- Khả năng ăn mịn.
- Độ nhớt, chất thải đem đốt cĩ thể ở dạng rắn hoặc lỏng. - Hoạt tính (khả năng phản ứng).
- Khả năng polymer hố. - Nhiệt nĩng chảy của tro.
Đối với cơng nghệ đốt chất thải cĩ tận dụng năng lượng hoặc đốt kèm với nhiên liệu trong các cơng nghệ như đốt nồi hơi, nung clinker… người ta sẽ đưa ra một số các yêu cầu riêng. Lượng chất thải bổ sung vào lị đốt cĩ thể chiếm tới 25% tổng lượng nhiên liệu. Ngồi các tính chất thơng thường đã nêu ở trên thì người ta phải quan tâm tới giá trị nhiệt trị của chất thải.
3.7 VẤN ĐỀ Ơ NHIỄM MƠI TRƢỜNG LIÊN QUAN TỚI QUÁ TRÌNH ĐỐT CHẤT THÁI CHẤT THÁI
Quá trình đốt chất thải vẫn cĩ thể gây ơ nhiễm mơi trường: khơng khí, nước thải, tro xỉ, nếu thiết kế lị sai hoặc kiểm sốt quá trình vận hành lị đốt khơng đảm bảo.
3.7.1 Vấn đề ơ nhiễm khơng khí
Các chất ơ nhiễm khơng khí được tạo ra cĩ liên quan trực tiếp đến thành phần chất thải được đốt, cũng như cơng nghệ đốt.
1. Bụi: Bụi sinh ra từ quá trình đốt chất thải cĩ thành phần vơ cơ và hữu cơ, kích thước hạt bụi từ 0.3 – 1.0 m chiếm tỉ lệ từ 80 – 90% khối lượng. Theo lý thuyết, khi quá trình đốt ở nhiệt độ cao, điều kiện oxy hố tốt thì các chất hữu cơ bị oxy hố triệt để nhưng thực tế thì khơng đạt được kết quả như mong muốn nên bụi tạo thành sẽ cĩ một phần là thành phần hữu cơ, chúng bị cuốn theo khí thải. Hiện nay biện pháp kiểm sốt bụi trong quá trình đốt là thơng qua kiểm sốt chế độ đốt đang tỏ ra ngày càng cĩ ưu thế. Ngồi ra cĩ thể khử bụi thơng qua các thiết bị xử lý như: thiết bị lọc bụi tĩnh điện, thiết bị ventury, thiết bị lọc tay áo, xyclon…
2. Ơ nhiễm NOx: các oxid nitơ NOx hình thành trong quá trình đốt là do phản ứng giữa oxy với nitơ, gồm “NOx nhiệt” và nhiên liệu.
Kỹ thuật khống chế NOx : đốt nghèo khí cĩ tuần hồn ở buồng sơ cấp cĩ thể