1.3. Các công nghệ thu hồi năng lƣợng từ chất thải rắn
1.3.1. Tình hình nghiên cứu và sử dụng công nghệ thu hồi năng lƣợng từ chất thải rắn ở các nước trên thế giới
Trên thế giới, các công nghệ tái tạo năng lượng từ CTR đã được nhiều nước nghiên cứu và đưa vào sản xuất trên quy mô thương mại. Tại nhiều nước như Đan Mạch, Thụy Điển, Nhật Bản…CTR không còn là vấn nạn môi trường mà được xem là nguồn tài nguyên. Mặc dù khủng hoảng kinh tế trong những năm gần đây, thị trường biến năng lượng thành chất thải vẫn tăng đáng kể. Từ năm 2008 đến 2012, tăng trung bình hàng năm là 5 %. Trên toàn thế giới có 2.200 nhà máy thu hồi năng lượng từ CTR bằng phương pháp nhiệt với khả năng xử lý 225 triệu tấn CTR mỗi năm và chủ yếu để xử lý CTR đô thị (World energy council, 2013) [29]. Hitachi Zosen (Nhật Bản) là một trong những công ty đi đầu trong công nghệ nhiệt biến CTR thành năng lƣợng. Công ty này đã và đang xây dựng và cung cấp công nghệ cho 458 nhà máy trên toàn thế giới, trong đó có 197 nhà máy ở châu Âu, 23 nhà máy ở Bắc Mỹ, 235 nhà máy ở châu Á, 3 nhà máy ở châu Úc.
Năm 2009, tại Đức có hơn 4.500 nhà máy điện biogas cấp trên 1.500 MW hòa lưới điện quốc gia, với quy mô trung bình 300 kW/nhà máy. Nhà máy xử lý chất thải thành năng lƣợng RDF ở Malaysia, có thể xử lý 700 tấn rác thải/ngày và có khả năng tạo ra 8 MW điện, trong đó 5,5 MW điện xuất dùng cho mạng lưới điện quốc gia. Với mô hình xử lý chất thải của nhà máy RDF, nếu kết hợp với việc khí sinh học được sử dụng trong nồi hơi để tăng công suất thì mạng lưới điện của Malaysia sẽ có khoảng 150 MW điện một năm.
Khí sinh học thu đƣợc từ quá trình ủ kỵ khí cũng đƣợc áp dụng rộng rãi trên thế giới, vừa để tạo phụ phẩm khí sinh học làm phân bón, vừa tạo năng lƣợng. Tại hội nghị quốc tế diễn ra tại Montreal Canada năm 2010, các nhà khoa học đã kêu gọi phát triển các nguồn nhiên liệu sinh học từ rác thải thay vì sử dụng ngũ cốc nhằm đảm bảo an ninh năng lượng, lương thực và giảm các phế liệu chưa tái chế.
Công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học từ CTR nông nghiệp, CTR sinh hoạt thuộc thế hệ thứ hai đã được nhiều nước ủng hộ. Khí sinh học được sử dụng để sinh nhiệt bằng cách đốt cháy, sản xuất điện bằng các pin năng lƣợng hoặc động cơ phát điện,
18
sản xuất nhiệt - điện kết hợp, làm nhiên liệu cho phương tiện giao thông. Hiện nay, các nước trên thế giới tạo ra khoảng 5,1 tỷ tấn chất thải rắn nông nghiệp mỗi năm, có khả năng cung cấp 75 EJ, tương đương với 15 % nhu cầu năng lượng trên thế giới. Các nước Đức, Đan Mạch, Thụy Điển, Thụy Sỹ đã chế tạo ra các phương tiện giao thông chạy bằng khí metan sinh học. Đức được xem là nước đi đầu trong phát triển các nhà máy điện biogas. Ở Thụy Điển, 44% KSH sản xuất đƣợc sử dụng làm nhiên liệu xe cộ. Các loại xe có thể chạy hoàn toàn bằng động cơ metan sinh học hoặc động cơ kết hợp với nhiêu liệu khác. Rất nhiều ô tô cá nhân chạy bằng KSH là xe đƣợc chuyển đổi. Loại xe này đƣợc trang bị thêm một bồn chứa khí nén trong khoang hành lý, và hệ thống cấp khí, bên cạnh hệ thống nhiên liệu thông thường (Teodorita Al Seadi, 2008). [28]
Năm 2012, các nhà nghiên cứu của phòng thí nghiệm quốc gia Argonne (ANL), thuộc Bộ Năng lƣợng Mỹ, đã tạo ra một thiết bị đƣợc gọi là lò phản ứng năng lƣợng sinh học bền (EBR), có thể sản xuất tại chỗ năng lƣợng sinh học từ chất thải nhà bếp và nhà vệ sinh. Loại nhiên liệu nói trên có thể đƣợc cấp trực tiếp cho các động cơ và máy phát điện mà không cần bất kỳ quá trình tinh chế nào. Theo các nhà nghiên cứu, EBR có thể sản xuất từ 94,6 - 189,2 lít nhiên liệu sinh học/ngày từ chất thải hoặc vật liệu xenlulo đã qua xử lý. Công nghệ này dựa trên các vi khuẩn quang hợp thông qua việc kết hợp các enzyme thực vật với một hệ thống chiếu sáng hiệu quả mà có nhiều trong những tế bào đó. Những phản ứng từ sự kết hợp của các enzym và vi khuẩn sẽ tạo ra các phân tử nhiên liệu, sau đó đẩy chúng vào một môi trường để cô lập và tách ra khỏi dung dịch lên men. Loại nhiên liệu được tạo ra ở công đoạn cuối cùng sẽ không cần tinh chế và có thể sử dụng thay thế dầu diesel để chạy động cơ và máy phát điện. Với tính dễ vận chuyển và lắp đắp, EBR rất lý tưởng, để phục vụ quân đội và các hoạt động nhân đạo tại các khu vực hẻo lánh.
Theo ƣớc tính, một EBR có thể cung cấp nhiên liệu cho một máy phát điện có khả năng mỗi ngày sạc cho 60 xe điện cỡ nhỏ và vừa, với quãng đường chạy khoảng 80,4 km/ngày.
19
Nhiều nước trên thế giới như Italia, Anh, Đức Pháp… cũng đặc biệt quan tâm đến việc biến rác thải khó phân hủy thành dạng viên RDF và sử dụng chúng nhƣ một nguồn thay thế than trong các lò hơi công nghiệp.
Thụy Điển là một quốc gia đã và đang nhập khẩu rác thải từ nước ngoài để có đủ nguyên liệu cho các nhà máy xử lý rác thành nhiệt và điện năng. Mỗi năm trung bình Thụy Điển nhập khẩu 80.000 tấn rác từ một số nước, trong đó có Na Uy, Anh. Theo thống kê của Hiệp hội Quản lý rác thải quốc gia Thụy Điển, trên toàn lãnh thổ nước này có 950.000 hộ gia đình dùng hệ thống sưởi bằng năng lượng từ xử lý rác thải. Rác thải cũng là nguồn cung cấp điện năng cho 260.000 hộ gia đình trên cả nước. Thống kê tổng quát cho thấy Thụy Điển tái chế gần một nửa (47 %) lƣợng rác thải, xử lý 52 % rác thành nhiệt năng và chỉ còn gần 1 % rác đƣợc chôn lấp [26]. Một số nhà máy xử lý rác của Đức cũng đang phải nhập khẩu rác từ các nước láng giềng như Ý, Anh, Ireland, Thụy Sĩ và nhiều nước khác.
Phương pháp khí hóa được phát hiện vào thế ký 19 nhưng việc áp dụng để xử lý CTR chỉ được thực hiện trong thời gian gần đây. Hiện nay, các nước phát triển nhƣ Tây Ban Nha, Canada, Mỹ, Nhật Bản quan tâm đến xử lý CTR bằng khí hóa plasma. Đến năm 2012, trên thế giới đã có 445 sáng chế về xử lý rác bằng plasma.
Bảng 1.3. Một số nhà máy xử lý rác bằng khí hóa plasma trên thế giới Địa điểm Công suất (tấn/ngày) Năm
Mihama-Mikata, Nhật 28 2002
Utashinai, Nhật 300 2002
Đài Bắc, Đài Loan 4 2005
Bordeaux, Pháp 10 1998
Morcenx, Pháp 22 2001
Jonquiere, Canada 50 1991
Ottawa, Canada 85 2007
Nguồn: Đặng Hùng, 2012
20
Công nghệ plasma biến đổi CTR ở nhiệt độ cao. Đây là nguồn năng lƣợng sạch với môi trường nhờ sử dụng công nghệ không sinh khí thải và khí gây hiệu ứng nhà kính, không làm ô nhiễm sử dụng dòng điện thông qua các điện cực graphit hoặc cacbon với hơi nước và oxy hoặc không khí để tạo luồng hồ quang. Luồng hồ quang này đƣợc sử dụng để ion hóa khí và thúc đẩy các chất hữu cơ chuyển đổi thành khí tổng hợp và các chất thải rắn khác. Nhiệt độ của lò phản ứng đƣợc thiết kế từ 2.000oC – 13.000oC. Nhiệt độ cao trong lò ngăn chặn sự hình thành các hợp chất độc hại nhƣ furan, dioxin, các oxit nitơ…Vật liệu vô cơ chuyển thành xỉ rắn, vật liệu hữu cơ chuyển thành khí. Công nghệ Plasma còn cho phép xử lý các loại than kém chất lƣợng và dầu thải một cách hiệu quả. Sản phẩm sau khi đốt có tính trơ, thỏa mãn hầu hết các tiêu chuẩn môi trường của thế giới. Lượng khí thải thấp.
Bảng 1.4. Kết quả kiểm nghiệm của chất thải sau khi xử lý khí hóa rác thải plasma tại nhà máy Mihama - Mikata (Nhật Bản)
Hợp chất hóa học Đơn vị Kết quả kiểm tra (mg/N)
Tiêu chuẩn (mg/N)
Bụi g/m3 0,003 0,15
HCl ppm 39 430
NOX ppm 62 250
SOX ppm 1 –
Hợp chất Dioxin ng TEQ/m3
TEQ (Độ độc tương đương) 0,00059 5
Nguồn: Đặng Hùng, 2012 Nhiều nước đã giải quyết được vấn đề rác thải, đặc biệt, rác đã được chuyển thành nguyên liệu thô cho các hoạt động công nghiệp. Hiện Mỹ có 121 nhà máy
“điện từ rác” ở 29 bang, trong khi châu Âu có gần 400 nhà máy, và châu Á có hơn 300 nhà máy. Theo thống kê sơ bộ, doanh thu của hoạt đông tái chế rác thải toàn cầu dự đoán đạt 29 tỷ đô vào năm 2016. Hiện nay, việc xây dựng các nhà máy tái chế rác thải thành năng lƣợng đang ngày càng phát triển vô cùng mạnh mẽ tại các khu vực có mật độ dân số cao trên thế giới nhƣ Tây Âu, Trung Đông và Đông Nam
21
Á. Đồng thời, dự báo năm 2016 ở các khu vực có nền kinh tế đã phát triển cũng sẽ xây mới các nhà máy tái chế rác thành năng lƣợng nhƣng với công nghệ hết sức hiện đại.