3.2. Cở sở lí thuyết quá trình đốt chất thải trong nhà máy xi măng
3.2.1. Những đặc tính của chất thải xử lí trong nhà máy xi măng
Quá trình cháy là quá trình phản ứng hóa học giữa oxy và nhiên liệu (oxy hóa), kết quả quá trình là sự phát lửa và tỏa nhiệt. Quá trình cháy bao gồm những giai đoạn chính sau đây [91]:
1. Nhiên liệu rắn hóa lỏng, sau đó hóa khí.
2. Hòa trộn, đốt nóng hỗn hợp không khí và nhiên liệu tới nhiệt độ cháy.
3. Tham gia quá trình cháy: các thành phần cháy như cacbon, hydrocacbon…trong nhiên liệu phản ứng với oxy trong không khí phát sáng và tỏa nhiệt.
4. Phát tán sản phẩm cháy: sản phẩm sau khi cháy là hỗn hợp các oxit CO, CO2, H2O.
SO2, NOx…, không khí nóng và phần nhiên liệu chưa phản ứng hết. Hỗn hợp có nhiệt độ cao phát tán trong không gian lò, hoàn tất quá trình cháy, truyền nhiệt cho phối liệu, hạ nhiệt độ rồi thoát ra khỏi lò (khí thải)
5. Phần nhiên liệu không cháy hoặc không thể cháy hết còn đọng lại dạng rắn là tro, xỉ. Phần tro có độ phân tán cao bị cuốn theo khói lò gọi là tro bay.
Nhiều loại chất thải được đồng xử lí (đốt cháy) trong nhà máy xi măng. Bảng 3.5 phân loại các loại chất thải này [93].
Bảng 3. 5 Phân loại các loại nhiên liệu thay thế [93]
Rắn Lỏng Khí
Dễ nghiền Nghiền trung bình hoặc khó (cứng)
Độ độc trung bình hoặc thấp
Độ độc cao hoặc gây hại cho môi trường Kích thước
lớn
Kích tước nhỏ
- Chất thải từ quá trình làm giàu quặng.
- Than non chất lượng thấp.
- Bụi than . - Than cốc dầu mỏ.
- Than củi thải.
- Lốp xe thải.
- Vỏ hộp pin.
- Rác sinh hoạt.
-RDF (viên).
- than bùn.
- vỏ cây.
- miếng gỗ - quả thông - vỏ hạt cọ dầu
- Trấu gạo - Rơm chặt ra - Mạt cưa - Đất tẩy màu qua sử dụng - RDF (mảnh) - Bụi than chì (từ sản xuất điện cực) - cao su đã nghiền
- Dầu thải
- Bùn thải chứa dầu
- phế thải từ nhà máy lọc dầu -nhựa than
- bùn thải chứa axit
- nhựa axit (từ nhựa than)
- chất thải từ công
- PAH - PCB
- các hợp chất đa vòng chứa clo
- Khí từ bãi chôn lấp
- Khí biogas - Khí từ nhiệt phân chất thải
- Tro bay giàu cacbon.
- vỏ dừa - bã ép oliu - phế thải ô tô - đất nhiễm dầu
- ống lót sứ (của điện cực nấu nhôm)
nghiệp sơn (dung môi, bùn sơn) - chất thải từ công nghiệp hóa chất (xê tôn, rượu, axetat, benzen)
Khi sử dụng chất thải làm nhiên liệu thay thế trong nhà máy xi măng, cần quan tâm những đặc tính sau đây (bảng 3.6)
Bảng 3. 6 Các tính chất cần kiểm tra của nhiên liệu thay thế [93]
Đặc tính Mô tả
Loại chất thải Tên, nhãn hàng, nguồn gốc
Trạng thái vật lý
Rắn/lỏng/khí/rắn-lỏng, kích thước, hình dạng, khả năng nghiền, tạp chất, thành phần, độ nhớt…
Khối lượng riêng Kg/m3
Nhiệt trị MJ/kg
Phân tích chất ẩm, tro, chất bốc, cacbon cố định
Phân tích nguyên tố C,H,O,N,S
Halogen Cl-, Br-, F-
Thành phần tro CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3, K2O, Na2O, vv…
Nguyên tố vết độc hại (kim loại nặng) V, Pb, Zn, Hg, Cd, Tl ,vv…
Điểm bắt cháy oC
Tính gây nổ
Độ độc hại Độc hại/ Không độc hại, chỉ định an toàn, cảnh báo
Những qui định pháp luật về vận chuyển và tồn trữ
Tính ăn mòn Vật liệu xây dựng yêu cầu
Khối lượng xử lí Tối thiểu, tối đa, trung bình (bây giờ, sau này)
Sự dao động về chất lượng Những đặc điểm về chất lượng
Đặc tính quan trọng để đánh giá chất lượng nhiên liệu thay thế là nhiệt trị. Bảng 3.7 cho thấy nhiệt trị của các loại nhiên liệu thay thế so với nhiên liệu truyền thống [93].
Bảng 3. 7 Nhiệt trị các loại nhiên liệu thay thế và nhiên liệu truyền thống [93] (*= nhiên liệu truyền thống)
Vật liệu Nhiệt trị thấp30 (MJ/kg)
Nhựa PE31 nguyên chất 46
Mức cao
*Dầu nhẹ 42
*Dầu nặng 40
Nhựa PS32 nguyên chất 40
Nhựa đường 38
Cao su nguyên chất 36
*Than antraxit 34
Dầu thải, các chất thải từ nhà máy lọc dầu 30 - 38
Than cốc dầu mỏ 33
Lốp xe thải 28 – 32
*Than đen (ít tro) 29
*Than đen (nhiều tro) 24
Khí từ bãi chôn lấp 16 – 20 (MJ/Nm3)33
Mức trung bình Bùn axit, nhựa axit (từ chưng dầu) 16 - 22
*Than non (10% ẩm) 16 – 21
Ống lót sứ (từ điện cực nấu nhôm) 20
PVC34 19
Vỏ hạt cọ (10% ẩm) 19
Bã ép oliu 18
Than bùn khô (10% ẩm) 18
Đất tẩy màu (từ chưng dầu) 13 – 18 Gỗ khô, vỏ cây, mạt cưa (10% ẩm) 16
Trấu gạo (10% ẩm) 16
Mức thấp RDF (từ rác sinh hoạt, 10%) 15
Cac tông, giấy 15
Bùn thải khô (10% ẩm) 10
30 Nhiệt trị thấp (net calorific value – NCV hay low heat value – LHV): thường dùng trong tính toán kĩ thuật hơn là nhiệt trị cao (gross calorific value – GCV hay high heat value – HHV).
31 PE: poly etilen.
32 PS: poly stiren.
33 Nm3: chữ N đại diện cho thể tích khí đo tại điều kiện chuẩn (normal): 1 bar và 20oC.
34 PVC: poly vinyl clorua.
Rác sinh hoạt (30% ẩm) 8,5
Bùn thải khô (30% ẩm) 7,5
Sắt nguyên chất (trong lốp thải) 7,5
Đất nhiễm dầu 4
Khi chất thải được đốt cháy trong lò xi măng, nó có thể thay thế một phần nhiên liệu truyền thống, tuy nhiên trong hầu hết các trường hợp không thể tính toán sự thay thế theo 100% nhiệt trị thấp của chất thải, vì những nguyên nhân sau đây [93]:
Hàm lượng nước cao làm tăng lượng và nhiệt độ khí thoát tăng mất nhiệt.
Hàm lượng tro cao ít vật liệu di chuyển lên preheater tăng nhiệt độ khí tăng mất nhiệt.
Đặc tính cháy của chất thải kém (đặc biệt dạng thô/cục hoặc phân bố kích thước xấu) hình thành CO hoặc tăng lượng O2 dư tăng mất nhiệt.
Chất thải làm vận hành không ổn định (vd, vấn đề cân nạp) làm tăng tiêu thụ nhiệt trung bình do làm giảm hiệu suất sử dụng lò.
Nếu chất thải được vận chuyển bằng khí động, hoặc chuyển qua máng làm kín không khí kém có thể gây rò khí lạnh vào (tương tự khí giả).
Hiệu quả thay thế thực tế đối với các loại dầu chất lượng tốt từ 95 đến 100%. Đối với các loại nhiên liệu mức thấp như rác sinh hoạt thì khoảng 70%. Sự mất mát này phải được tính đến khi tính toán và thiết kế.
Hiệp hội các công ty xử lí nhiệt chất thải Châu Âu (EURITS35) đưa ra yêu cầu nghiêm ngặt đối với chất thải đồng xử lí trong nhà máy xi măng, đặc biệt là nhiệt trị riêng tối thiểu (Bảng 3.8).
Bảng 3. 8 Điều kiện đồng xử lí chất thải trong lò xi măng [94]
Thông số Đơn vị Giá trị
Nhiệt trị MJ/ kg 15
Cl % 0,5
S % 0,4
Br/I % 0,01
N % 0,7
F % 0,1
Be Mg/ kg 1
Hg/Ti Mg/kg 2
As, Se (Te), Cd, Sb Mg/ kg 10
35 EURITS: European Association of Waste Thermal Treatment Companies for Specialised Waste.
Mo Mg/ kg 20 V, Cr, Co, Ni, Cu, Pb, Mn, Sn Mg/ kg 200
Zn Mg/kg 500
Hàm lượng tro (không tính Ca, Al, Fe, Si)
% 5