Luận văn Sản xuất năng lượng từ rác thải
Luận Văn
ĐỀ TÀI:
SẢN XUẤT NĂNG LƯỢNG TỪ
RÁC THẢI
MỤC LỤC
Giới thiệu.
1. Các khái niệm. ...................................................................................................2
1.1. Hệ thống thu hồi năng lượng. .........................................................................2
1.2. Lịch sử của hệ thống......................................................................................2
1.3. Lợi ích thu hồi năng lượng từ rác thải. ...........................................................3
2. Các thông số ảnh hưởng đến thu hồi năng lượng và lựa chọn công nghệ.........4
3. Đánh giá năng lượng thu hồi được từ rác thải. ..................................................6
4. Sơ đồ hệ thống tận dụng nhiệt. ..........................................................................7
4.1. Tường nước.....................................................................................................7
4.2. Lò hơi..............................................................................................................7
5. Các công nghệ thu hồi năng lượng. ...................................................................8
5.1. Công nghệ sinh học. .......................................................................................8
5.1.1. Công nghệ phân hủy kị khí Anaerobic Digestion( AD ). ............................8
5.1.2. Kiểu dáng và cấu hình của các hệ thống Anaerobic Digestion( AD ).........10
5.2. Công nghệ thiêu đốt........................................................................................12
5.2.1. Các hệ thống thiêu đốt cơ bản. ....................................................................13
5.2.1.1. Thiêu đốt hàng loạt. ..................................................................................13
5.2.1.2. Đốt theo modular. ....................................................................................14
5.2.1.3. RDF...........................................................................................................14
5.3. Nhiệt phân/ khí hóa.........................................................................................18
5.3.1. Quá trình nhiệt phân Garets Flash. .............................................................20
5.3.2. Hệ thống khí hóa Destrugas.........................................................................21
5.3.3. Quá trình nhiệt phân được phát triển bởi Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng
của Cục Mỏ, Pittsburg. ..........................................................................................23
5.3.4. Quy trình Slury card....................................................................................24
5.3.5. Quy trình Voest Alpine................................................................................25
5.3.6. Nhiệt phân khí hóa plasma. ........................................................................26
6. Đánh giá ưu nhược điểm từng công nghệ..........................................................28
7. Tính khả thi khi áp dụng ở Việt Nam...............................................................30
Kết luận..................................................................................................................
31
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1:Các thông số kỹ thuật áp dụng cho thu hồi năng. .....................................5
Bảng 2: So sánh nhiên liệu Efuel và nhiên liệu hóa thạch...................................24
Bảng 3: Đánh giá ưu nhược điểm từng công nghệ. .............................................28
DANH MỤC HÌNH
Hình 1: Hệ thống tuabin hơi...............................................................................7
Hình 2: Hệ thống máy phát tuabin khí...............................................................8
Hình 3: Sơ đồ hệ thống Anaerobic Digestion (AD)...........................................9
Hình 4 : Hệ thống phân hủy chất thải rắn có nồng độ cao...............................11
Hình 5: Hệ thống phân hủy hai giai đoạn. .......................................................12
Hình 6: Hệ thống thêu đốt hàng loạt................................................................14
Hình 7: Sản xuất RDF từ chất thải rắn đô thị...................................................15
Hình 8: Hệ thống khí hóa chung. .....................................................................19
Hình 9: Quá trình nhiệt phân Garets Flash. .....................................................20
Hình 10: Hệ thống khí hóa Destrugas..............................................................22
Hình11: Quy trình Slury card...........................................................................24
Hình12: Quy trình Voest Alpine......................................................................26
Hình13 :Nhiệt phân khí hóa plasma.................................................................27
GIỚI THIỆU
Trong mọi hoạt động của con người như thương mại, công nghiệp, y tế,
nông nghiệp…chúng ta đều tạo ra rác thải. Số lượng và thành phần của các rác thải
rất khác nhau, tùy thuộc vào các hoạt động và sự phát triển của từng quốc gia. Chỉ
riêng khu vực đô thị của châu Á, lượng rác thải đô thị phát sinh một ngày vào
khoảng 760.000 tấn, tương đương với 2,7 triệu m 3 /ngày. Dự đoán năm 2025, con
3
số này sẽ tăng đến 1,8 triệu tấn chất thải mỗi ngày, hoặc 5.200.000 m / ngày. Ta
có thể thấy rằng chất thải rắn là một vấn đề càng ngày càng quan trọng ở tất cả các
nước, đặc biệt là những quốc gia đang phát triển như ở Việt Nam.
Trong những năm gần đây, trong khi những nước phát triển đang tích cực
giảm thiểu những tác động xấu từ chất thải rắn đến môi trường như xây dựng
những bãi chôn lấp hợp vệ sinh, đốt rác ở nhiệt độ cao, cũng như bảo tồn tài
nguyên thiên nhiên và năng lượng thông qua tái chế, tái sử dụng thì ở những nước
đang phát triển, lượng rác thải ngày càng gia tăng. Rất ít thành phố có những thống
kê đầy đủ về chất thải rắn và những hệ thống xử lý, khiến cho chất lượng cuộc
sống của người dân ngày càng giảm.
Do vậy, đã đến lúc chúng ta cần gia tăng các phương pháp khoa học để xử lý
chất thải một cách an toàn. Cùng với việc giảm thiểu lượng rác thải phát sinh, tái
chế và tái sử dụng chúng, các công nghệ thu hồi năng lượng từ chất thải đóng một
vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu ô nhiễm cũng như nguồn năng lượng, tài
nguyên thiên nhiên. Những công nghệ này có thể làm giảm một lượng rác thải
khổng lồ cần xử lý, giảm một phần không nhỏ chi phí cho các hoạt động sống của
con người đồng thời bảo vệ môi trường. Một mặc tích cực của những hệ thống thu
hồi năng lượng mà các nhà khoa học đang hướng tới là từ những hệ thống thu hồi
năng lượng, một nguồn nhiên liệu sinh học được tạo thành, thay thế dần nguồn
nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt của con người, hướng đến phát triển bền
vững.
1.
Các khái niệm
1.1 Hệ thống thu hồi năng lượng
Hệ thống thu hồi năng lượng là một hệ thống trao đổi nhiệt trong đó nhiệt năng
của chất thải rắn đem đốt được chuyển thành nhiệt của nước do sự chênh lệch nhiệt
độ giữa nước và khí lò thải ra.
Năng lượng có thể được thu hồi từ các chất thải có thành phần hữu cơ (phân
hủy sinh học cũng như không phân hủy sinh học) cơ bản thông qua hai phương
pháp sau:
• Chuyển đổi Nhiệt hóa học: Quá trình này đòi hỏi phải có sự tham gia của
nhiệt độ để biến các thành phần không hữu cơ, dùng để sản xuất hoặc tạo
năng lượng nhiệt, dầu nhiên liệu hay nhiên liệu khí.
• Chuyển đổi Nhiệt sinh - hóa: Quá trình này dựa trên sự phân hủy enzyme
các chất hữu cơ dưới tác động của vi sinh vật nhằm tạo ra khí metan hay
rượu.
Các quá trình chuyển đổi nhiệt hóa học rất hữu ích đổi với những chất thải có
chứa thành phần chất không phân hũy hữu cơ cao và có độ ẩm thấp. Công nghệ
được sử dụng chủ yếu là Thiêu hủy và Nhiệt phân/ Khí hóa.
1.2 Lịch sử của hệ thống
Có lẽ hệ thống thu hồi năng lượng nhiệt đầu tiên trên thế giới được thực hiện
bởi Thomas Edison. Vào năm 1882, ông cho xây dựng một nhà máy phát điện
thương mại, sản xuất cả điện và nhiệt năng trong đó dùng nhiệt thải để sưởi ấm các
tòa nhà lân cận. Việc thu hồi năng lượng nhiệt này đã giúp nhà máy của Edison
giảm khoảng 50% chi phí.
Đến năm 1900, những mạng lưới điện nông thôn được xây dựng ở Hoa Kỳ.
Những mạng lưới này không chỉ cung cấp điện mà còn cung cấp lượng nhiệt phát
ra từ những hệ thống phát điện.
Gần cùng thời điểm đó, các hệ thống phân hủy kị khí đầu tiên đã được xây dựng
ở Bombay, Ấn Độ năm 1859. Năm 1895, hệ thống thu hồi khí đã được phát triển ở
Exeter, Anh, nơi mà khí được thu hồi cho việc chiếu sáng thành phố. Từ năm 1930,
các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu các công nghệ phân hủy kị khí nhằm thu
hồi năng lượng khí một cách triệt để nhất.
Cùng với sự phát triển của con người, yêu cầu về thu hồi năng lượng cũng
tăng cao, hoàn thiện hơn, do vậy mà công nghệ nhiệt phân/ khí hóa và plasma ngày
càng được nghiên cứu kĩ. Trong sự phát triển của con người, nhiệt phân đã có từ
rất lâu nhưng những công nghệ thì phát triển cuối thế kỉ 19, đầu thế kỉ 20 và các hệ
thống thu hồi năng lượng được phát triển mạnh nhất từ 50 năm trở lại đây.
Bên cạnh Hoa Kỳ, việc thu hồi năng lượng còn được áp dụng ở nhiều nước
khác. Đan Mạch có lẽ là quốc gia thu hồi năng lượng nhiều nhất, có khoảng 55 %
năng lượng ở nước này được lấy từ những nhà máy phát điện. Ngoài ra còn có
những nước khác như Đức, Nga, Ấn Độ cũng đang tích cực trong việc thu hồi năng
lượng
1.3 Lợi ích thu hồi năng lượng từ rác thải
+ Tổng khối lượng chất thải giảm gần 60 đến 90% tùy thuộc vào thành phần chất
thải và công nghệ phục hồi.
+ Giảm nhu cầu sử dụng đất đai.
+ Giảm được chi phí vận chuyển, tùy vào từng công nghệ áp dụng mà chi phí sẽ
giảm xuống tương ứng.
+ Giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
+ Nâng cao chất lượng chất thải còn sót lại.
+ Cải thiện khả năng thương mại của dự án xử lý chất thải từ việc bán năng lượng/
sản phẩm.
+Hướng đến phát triển bền vững.
2. Các thông số ảnh hưởng đến thu hồi năng lượng và lựa chọn công nghệ
Các thông số chính nhằm xác định khả năng thu hồi năng lượng từ chất thải
(bao gồm cả rác thải sinh hoạt) là:
+ Số lượng chất thải
+ Tính chất vật lý, hóa học của chất thải
Việc áp dụng thu hồi năng lượng trên thực tế sẽ phụ thuộc vào quá trình xử lý
được ứng dụng, việc lựa chọn quá trình xử lý còn phụ thuộc vào thông tin chính
xác, tỷ lệ biến động của các thành phần rác thải theo thời gian (ngày/mùa) để có
thể áp dụng quá trình xử lý nhằm đem lại hiệu quả nhất
• Các thông số vật lý quan trọng cần xem xét bao gồm:
+ Kích thước của các thành phần: chất thải có kích thước càng nhỏ càng dễ phân
hủy.
+ Mật độ : Chất thải có mật độ cao thì thành phần chất hữu cơ cao và độ ẩm cao,
chất thải có mật độ thấp thì tỷ lệ giấy, nhựa, các chất dễ cháy khác cao.
+ Độ ẩm: Độ ẩm cao tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân hủy sinh học. Độ
ẩm thấp thuận lợi cho quá trình thiêu đốt, nhiệt phân, khí hóa.
• Các thông số hóa học quan trọng để xem xét nhằm xác định công nghệ thu
hồi năng lượng, phù hợp với xử lý chất thải bằng cách chuyển đổi hóa sinh
hay chuyển đối nhiệt hóa học, bao gồm:
+Các chất rắn dễ bay hơi
+Thành phần Carbon cố định
+Trơ
+Giá trị nhiệt
+Tỷ lệ Carbon/ Nito
+Chất độc
Những chỉ tiêu cụ thể của các thông số quan trọng nhằm áp dụng cho hệ
thống phục hồi năng lượng thông qua các công nghệ xử lý được nêu cụ thể trong
bảng 1
Các chỉ tiêu này biểu thị cho yêu cầu khi áp dụng các phương pháp xử lý chất
thải cụ thể. Do vậy, không nhất thiết phải áp dụng cho rác thải phát sinh/ tiếp nhận
tại bãi chứa rác hay các cơ sở xử lý chất thải rắn. Thông thường, chất thải sau khi
được thu gom, chúng được tách riêng biệt, phân loại nhằm áp dụng từng công nghệ
thu hồi khác nhau một cách tương ứng. Ngoài ra, người ta còn có thể trộn lẫn rác
thải nhằm tạo ra hỗn hợp phủ hợp nhất với từng hệ thống thu hồi. Ví dụ, nếu rác
thải được áp dụng phương pháp thu hồi năng lượng bằng trao đổi sinh hóa kỵ khí,
nếu C/N thấp hơn yêu cầu, người ta cho thêm vào rác thải rơm rạ, giấy… hoặc nếu
như C/N quá cao, người ta có thể cho thêm nước bùn thải nhằm đạt được chỉ số
C/N mong muốn.
Bảng 1
CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT ÁP DỤNG CHO THU HỒI NĂNG LƯỢNG
Cac phương pháp Nguyên tắc cơ Các tham số xử lý Phạm vi cụ thể
thu hồi năng bản
lượng từ chất thải
rắn
quan trọng
Chuyển đổi nhiệt Phân hủy chất Độ ẩm
< 45 %
hóa học
hữu cơ do tác
+ Thiêu đốt
+ Nhiệt phân
+ Khí hóa
động của nhiệt
Chất hữu cơ dễ bay > 40 %
hơi/Tổng chất hữu
cơ
< 15 %
Carbon cố định
< 35 %
Tổng chất trơ
>1200
k-
Nhiệt trị
cal/kg
Chuyển đối hóa Phân hủy chất Độ ẩm
sinh hữu cơ dưới tác Tỷ lệ hữu cơ
+ Phân hủy Kị động của vi sinh Tỷ lệ C/N
>50 %
>40%
25-30
khí
vật
+ Bio ethanol
3. Đánh giá năng lượng thu hồi được từ rác thải
Đánh gia sơ bộ khả năng phục hồi năng lượng từ rác thải đô thị thông qua các
phương pháp khác nhau dựa vào hiểu biết của chúng ta về giá trị nhiệt, thành phần
chất thải ...
Trong chuyển đổi nhiệt hóa học tất cả các chất hữu cơ, những chất có khả năng
phân hủy sinh học cũng như không phân hủy sinh học, nhằm sản xuất năng lượng
thì ta có thể tính sơ bộ như sau:
▪ Tổng lượng chất thải rắn ( W) tấn
▪ Nhiệt giá trị (NCV) k-cal/kg
▪ Khả năng thu hồi năng lượng (kWh) = NCV x W x 1000 / 860 = 1,16 x
NCV x W
▪ Khả năng phát điện (kW) = 1,16 x NCV x W / 24 = 0,048 x NCV x W
Hiệu suất chuyển đổi = 25%
▪ Do vậy, khả năng phát điện (kW)= 14.4x W
Trong chuyển đối hóa sinh, chỉ có thành phần chất hữu cơ đóng góp vào tạo
năng lượng
▪ Tổng lượng chất thải: W (tấn)
Chất rắn dễ bay hơi/ tổng chất hữu cơ: VS = 50%.
Chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học: xấp xỉ. 66% của VS = 0,33 x W
Hiệu suất tiêu hóa của vi sinh vật trung bình = 60%
Sản lượng khí đốt sinh học trung bình: B (m3) = 0,80 m3/ kg. của VS bị phá
hủy
= 0,80 x 0,60 x 0,33 x W x1000 = 158,4 x W
▪ Nhiệt trị của khí sinh học = 5000 kcal/m3
Khả năng thu hồi năng lượng (kWh) = B x 5000 / 860 = 921 x W
Khả năng phát điện (kW) = 921 x W / 24 = 38,4 x W
Với hiệu suất chuyển đổi = 30%
Do vậy, khả năng phát điện (kW) = 11,5 x W
Nhìn chung, với khoảng 100 tấn chất thải rắn đô thị, nếu thành phần rác đô thị có
chứa từ 50-60% chất hữu cơ thì có thể tạo thành 1-1.5 Mega Watt điện năng, tùy
thuộc vào đặc tính của chất thải rắn. Ở Việt Nam, theo Tiến sĩ Lê Văn Khoa, Giám
đốc Quỹ tái chế TPHCM, tại nhà máy thu hồi khí phát điện tại bãi chôn lấp Gò
Cát, trung bình 1m3 biogas có thể sản xuất được 1,67 kWh điện. Như vậy 1 tấn
CTR hữu cơ có thể tạo ra trên 300 kWh điện, tiết kiệm được 0,239 m3 đất chôn lấp,
giảm 240.000 đồng chi phí chuyên chở, chôn lấp...
4. Sơ đồ hệ thống tận dụng nhiệt
Nhiệt năng được thu hồi từ khí lò đốt sinh ra ở nhiệt độ cao bằng hai phương
pháp:
+ Tường nước.
+ Lò hơi.
4.1 Tường nước: tường thành của buồng được nối với các ống của nồi hơi. Các
ống này được đặt thẳng đứng và hàn lại với nhau. Nước lưu thông trong ống sẽ hấp
thu năng lượng nhiệt sinh ra từ lò hơi và tạo ra hơi nóng.
4.2 Lò hơi: buồng đốt của lò đốt được làm từ gạch chịu lửa nhằm hạn chế thất
thoát nhiệt qua tường lò. Khí lò thải ra có nhiệt độ cao sẽ được hướng vào các ống
nhiệt thải lò hơi riêng lẻ lắp đặt bên ngoài buồng đốt.
Sơ đồ hệ thống tận dụng nhiệt: lò hơi để sản xuất hơi nước.
Tuabin hơi, tuabin khí hoặc động cơ pitton tạo năng lượng cơ (tuabin hơi sử
dụng các hệ thống lớn 10-50 MW, tuabin khí và động cơ pitton sử dụng trong các
hệ thống nhỏ hơn). Máy phát điện chuyển năng lượng thành điện năng.
Hình 1: Hệ thống tuabin hơi
Máy phát điện
Điện năng
Tuabin
CTR đô thi,
nhiên liệu
sản xuất từ
Nóng
chảy
CTR(RDF
Cảm
biến
nhiệt
Hơi nước được tạo ra từ lò hơi đốt bằng chất thải rắn đô thị hoặc nhiên liệu
thu hồi
(sản phẩm khí hoặc nhiên liệu lỏng do chuyển hóa chất thải có thể được sử dụng).
Hơi nước này giúp cho tuabin hơi chạy, còn nước ngưng tụ quay trở lại cấp cho lò
hơi. Tuabin hơi làm cho máy phát điện hoạt động, tạo ra công suất điện ở đầu ra.
Hình 2: Hệ thống máy phát tuabin khí
Buồng
Tuabin áp
Khí
Điện
đốt
Xả khí
Không
Sử dụng tuabin
Tuabin khí cần nhiên liệu khí hoặc lỏng: Các nhiên liệu này có thể cung
cấp bởi quá trình sinh học, như khí thải bãi rác hoặc do phân hủy kỵ khí CTR đô
thị hoặc nhiệt phân hay khí hóa. Tua bin khí tương tự như động cơ phản lực nhằm
chuyển hóa nhiệt năng thành cơ năng. Máy phát điện được nối trực tiếp với trục
của tuabin khí. Tuabin khí có hiệu suất cao, gọn nên được ứng dụng nhiều trong
hệ thống xử lý khí của bãi rác.
5. Các công nghệ thu hồi năng lượng
5.1Công nghệ sinh học
5.1.1 Công nghệ phân hủy kị khí Anaerobic Digestion (AD)
Quá trình này cũng được gọi là methanation sinh học, các chất thải hữu cơ
được đặt trong các container kín, tạo điều kiện yếm khí, các chất hữu cơ trải qua
qua trình phân hủy nhằm tạo khí metan sinh học, bùn và nước rỉ rác. Có thể tạo
khoảng 50-150 m3 khí từ một tấn chất thải, tùy thuộc vào thành phần chất thải rắn.
Các khí sinh học có thể dùng để đun nóng, đốt, hay dùng để chạy các tua bin nhằm
tạo ra điện. Đối với bùn từ quá trình phân hủy kị khí, sau một thời gian ổn định, có
thể sử dụng như một chất bổ sung vào đất, cũng có thể bán như phân bón, tùy
thuộc vào thành phần của phân dựa vào thành phần của chất thải đầu vào Về cơ
bản, quá trình tiêu hóa kỵ khí có thể được chia thành ba giai đoạn với ba nhóm vi
sinh vật khác nhau.
Giai đoạn I: Nó bao gồm các vi khuẩn lên men, trong đó bao gồm kỵ khí và
vi sinh vật tùy ý. Vật liệu hữu cơ phức tạp, carbohydrate, protein và chất béo bị
thủy phân và lên men thành acid béo, alcohol, khí carbon dioxide, hydro, amoniac
và sulfua.
Giai đoạn II: Trong giai đoạn này, vi khuẩn acetogenic tiêu thụ các sản phẩm của
giai đoạn I và tạo ra hydro, carbon dioxide và acid acetic.
Giai đoạn III: chủ yếu vi khuẩn sử dụng hai loại men methanogenic. Loại men đầu
làm giảm carbon dioxide để tạo khí mê-tan, loại men thứ hai làm giảm các
decarboxylates của axit axetic nhằm tạo khí mê-tan và carbon dioxide.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kị khí bao gồm nhiệt độ, pH,
chất dinh dưỡng, tốc độ tải, độc tố. Nhiệt độ tối ưu là khoảng 35-38 oC, đối với vi
sinh vật thuộc nhóm mesophilic thì nhiệt độ thích hợp khoảng 20-45oC, đối với vi
khuẩn thermophillic, nhiệt độ cần thiết khoảng 45-60oC, như vậy sẽ hiệu quả hơn
cho các hệ thống cung cấp nhiệt nhằm sản xuất điện.
Phân hủy kị khí (AD) đối với chất thải rắn có lợi thế nhất định so với phân
hủy hiếu khí về sản xuất năng lượng, phân compost và lợi ích môi trường, cụ thể:
+ Chất lượng phân compost tốt hơn do nitơ không bị mất bởi quá trình oxy hóa.
+ Hệ thống khép kín nên không gây ô nhiễm môi trường không khí.
+ Mang lại nhiều lợi ích cho môi trường
Hình 3: Sơ đồ hệ thống Anaerobic Digestion (AD)
5.1.2 Kiểu dáng và cấu hình của các hệ thống Anaerobic Digestion (AD)
Các thiết kế và cấu hình khác nhau của các hệ thống AD được phát triển bởi
những công ty khác nhau để phù hợp với thành phần chất thải rắn và từng giai
đoạn phát triển của vi sinh vật.
a/ Hệ thống phân hủy chất thải rắn có hàm lượng trung bình/ thấp
Một số lượng lớn các hệ thống hiện nay sẵn có trên thị trường thế giới áp
dụng để phân hủy rác thải có nồng độ chất thải rắn thấp (<10%) hay trung bình
(10-16%). Một số hệ thống này, khi áp dụng cho chất thải rắn đô thị hay thị trường
xử lý chất thải, yêu cầu sử dụng nước, nước bùn thải hay phân bón.
Ưu điểm của phương pháp này là chi phí vận hành đơn giản và thiết bị rẻ
tiền. Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống này là tốn nhiều nước, phải xử lý nước
thải và tốn năng lượng để gia nhiệt cho hệ thống.
b/ Hệ thống phân hủy chất thải rắn có nồng độ cao
Các hệ thống này được phát triển vào cuối thập niên tám mươi không chỉ để
chỉ áp dụng đối với chất thải rắn đô thị mà còn cho công nghiệp, chất thải nông
nghiệp. Hệ thống này có thể phân hủy rác thải có nồng độ chất thải rắn từ 16-40%.
Các hệ thống này được gọi là “ phân hủy khô” hay “ phân bón kị khí” khi nồng độ
rắn khoảng 25-40% và nước được cung cấp cho hệ thống là rất ít. Hệ thống này có
nhiều thiết kế khác nhau.
Hình 4. Sơ đồ hệ thống Anaerobic Digestion nồng độ cao
Ưu điểm của phương pháp này là có thể phân hủy được cả xenlulo, ít kim
loại nặng trong sản phẩm hữu cơ thu được, tuy nhiên chi phí đầu tư lớn.
c/ Hệ thống phân hủy hai giai đoạn
Trong quá trình phân hủy kị khí gồm gia đoạn acid hóa và metan hoa. Người
ta dùng thiết bị tách riêng hai quá trình nhằm tăng hiệu suất. Tuy nhiên, hệ thống
cần phải được vận hành và kiểm soát chặt chẽ.
Hình 5. Sơ đồ hệ thống phân hủy hai giai đoạn
Ưu điểm của phương pháp này là hiệu suất thu hồi khí cao, tuy nhiên hệ
thống này lại tốn diện tích, cần kinh nghiệm của người vận hành .
5.2 Công nghệ thiêu đốt
Công nghệ thiêu đốt là quá trình đốt cháy trực tiếp của chất thải với sự hiện
diện của không khí ở nhiệt độ trên 8000C, giải phóng được nhiệt, khí trơ và tro.
Sản lượng năng lượng phụ thuộc vào mật độ và thành phần của chất thải, tỷ lệ phần
trăm độ ẩm tương đối, ngoài ra còn do tổn thất nhiệt, nhiệt độ đánh lửa, kích thước
và hình dạng của rác, thiết kế của các hệ thống đốt (hệ thống cố định/ tầng sôi).
Trong thực tế, có khoảng 65 -80% năng lượng của các chất hữu cơ có thể được
phục hồi như năng lượng nhiệt, có thể được sử dụng hay cho ứng dụng trực tiếp, để
sản xuất điện năng thông qua các tua bin hơi nước, các máy phát điện (với hiệu
suất chuyển đổi khoảng 30%).
Nhiệt độ cháy của lò khoảng 7600C ở buồng sơ cấp, khoảng 8700C tại buồng
thứ cấp. Nhiệt độ này cần thiết để khử mùi nhưng không đủ để đốt cháy hoặc làm
tan chảy thủy tinh. Để tránh những thiếu sót của những lò đốt thông thường, một
số lò đốt hiện đại có thể sử dụng nhiệt độ lên đến 16500C bằng cách bổ sung nhiên
liệu. Với nhiệt độ này, có thể giảm đến 97 % lượng rác thải, kim loại bị chuyển đổi
và thủy tinh thành tro.
Chất thải bị đốt cháy để giảm khối lượng có thể không cần bất kì nhiên liệu
phụ trợ ngoại trừ khi khởi động. Khi mục đích của phương pháp đốt nhằm sản xuất
hơi nước, nhiên liệu bổ sung có thể được sử dụng với rác nghiền thành bột, vì hàm
lượng chất thải sẽ thay đổi năng lượng, ta cũng cần phải bổ sung nhiên liệu phụ trợ
trong trường hợp chất thải hiện diện trong lò không đủ.
Trong khi phương pháp thiêu đốt được sử dụng rộng rãi như là một phương
pháp quan trọng để xử lý chất thải, nó gắn liền với việc gây ô nhiễm môi trường,
mặc dù ở những mức độ khác nhau. Chúng ta có thể kiểm soát việc này bằng cách
lắp đặt các thiết bị kiểm soát ô nhiễm phù hợp, xây dựng lò phù hợp và kiểm soát
quá trình cháy.
5.2.1 Các hệ thống thiêu đốt cơ bản
Một số hệ thống thiêu hủy cơ bản được áp dụng tại các nước phát triển ở
phương Tây và Nhật Bản như sau:
5.2.1.1
Thiêu đốt hàng loạt
Khoảng ba phần tư các cơ sở đối chất thải để thu hồi năng lượng ở Mỹ và
một vài quốc gia khác sử dụng công nghệ “thiêu đốt hàng loạt”, do vậy mà những
chất không cháy không được xử lý hoặc phân loại riêng biệt. Các nhà máy có thể
đốt trên 3000 tấn rác/ ngày, họ sử dụng hai hay nhiều lò đốt trong môt nhà máy
duy nhất. Do các nhà máy thiêu đốt có quy mô dựa theo khố lượng rác thải dự
kiến, nên những nhà máy này bị hạn chế số lượng nhiệt sinh ra trong quá trình đốt.
Ví dụ, nếu rác thải sinh nhiều nhiệt hơn so với dự kiến, thì người ta sẽ cho ít rác
thải vào hơn. Ngoài ra, người ta không thể tận dụng được kim loại, do chúng đã
biến thành tro trong quá trình đốt. Hàng loạt nhà máy thiêu đốt như vậy đã hoạt
động thành công ở châu Âu trong hơn một trăm năm nay.
Hình 6. Hệ thống thiêu đốt hàng loạt
5.2.1.2
Đốt theo modular
Lò đốt rác theo modular cũng đốt rác thải hàng loạt nhưng công suất nhỏ
hơn, khoảng 25-300 tấn rác/ ngày. Các lò hơi được xây dựng bên trong nhà máy xử
lý và vận chuyển hơi đến các nhà máy trong bãi chôn lấp, thay vì tại ngay bãi rác.
Trường hợp này thường áp dụng với những cơ sở xử lý lớn, những nhà máy này
thường được dùng trong những cộng đồng dân cư nhỏ.
5.2.1.3
RDF
Trong một nhà máy xử lý chất thải theo RDF, chất thải được phân loại, xử lý
trước khi đốt cháy. Thông thường, các chất khó cháy được loại bỏ, tách thủy tinh
và kim loại để tái chế.
Các chất dễ cháy bị băm nhỏ để có một kích thước nhỏ và đồng đều, tạo điều
kiện cho quá trình cháy diễn ra nhanh. Các RDF có thể được đốt tại chỗ trong lò
hơi, hoặc chúng được vận chuyển đến các lò hơi khác để sử dụng cho việc chuyển
đổi năng lượng. Nếu RDF được sử dụng bên ngoài nhà máy , chúng sẽ thường
được nén thành viên nhờ quá trình pelletisation.
Quá trình pelletization
Quá trình Pelletization đối với chất thải rắn đô thị liên quan đến các quy
trình cách ly, phân loại, nghiền, trộn những chất thải hữu cơ có nhiệt trị thấp và cố
định nó để sản xuất nhiên liệu dạng viên hoặc dạng bánh. Nguyên lý cơ bản của
quá trình là nén các chất thải, thay đổi hình dạng vật lý và tăng cường thành phần
hữu cơ thông qua việc loại bỏ các chất vô cơ và độ ẩm. Giá trị năng lượng của các
viên RDF khoảng 4000 kcal/kg và tùy thuộc vào tỷ lệ hữu cơ trong rác thải, các
chất xúc tác và các chất kết dính được thêm vào.
Giá trị năng lượng của chất thải rắn ban đầu khoảng 1000 kcal/kg, trong khi
các viên rác là 4000kg/kcal. Trung bình, với 100 tấn rác thô, người ta có thể tạo ra
khoảng 15-20 tấn rác dạng viên. Từ quá trình pelletization, các viên rác do đã được
loại bỏ các thành phần vơ cơ và độ ẩm, chúng trở thành nguồn cung cấp nhiên liệu
rất hiệu quả cho các phương pháp nhiệt hóa học như nhiệt phân/ khí hóa. Những
viên rác có kích thước nhỏ có thể làm nguyên liệu cho các hệ thống lò hơi của nhà
máy hay các nhà máy điện. Những viên rác này có thể dùng thay thế cho than đá
và gỗ, do vậy chúng còn có thể sử dụng trong công nghiệp và trong gia đình. Các
ứng dụng quan trọng của RDF thường được áp dụng trong các lĩnh vực:
+ Lò xi măng.
+ Nhà máy điện .
+ Các hệ thống hơi nước/ nhiệt nồi hơi trong công nghiệp.
+ Nhiên liệu dùng đốt bếp.
Hình 7: Hệ thống Refuse-Derived Fuel
✓ Sản xuất RDF từ chất thải rắn đô thị
Dây chuyền sản xuất RDF từ chất thải rắn đô thị bao gồm các họat động
chuỗi để tách riêng các thành phần không mong muốn và tạo những điều kiện
cháy. Các công đoạn chính gồm sàn lọc, băm nhỏ, giảm kích thước, phân loại, tách
kim loại thủy tinh hoặc những vật liệu hữu cơ ẩm ướt, sấy khô và đầm nén. Các
hạot động này có thể sắp xếp theo các trình tự khác nhau tùy thuộc vào thành phần
chất thải rắn đô thị và yêu cầu chất lượng của RDF.
a. Tách
Trong hỗn hợp chất thải rắn đô thị có rất nhiều rác thải cồng kềnh như thiết
bị gai dụng, gỗ… và các chất thải nguy hại, những chất thải rắn này có thể được
phân loại bằng tay trước khi dùng máy. Việc phân loại cũng giúp chúng ta có thể
tái chế thủy tinh, giấy, hộp nhựa va lon nhôm.
b. Kích thước giảm
Giảm kích thước của rác là một công đoạn quan trọng trong các cơ sở xử lý
chất thải vì nó tạo ra sự đồng nhất vể kích thước của chất thải rắn đô thị. Đôi khi,
công đoạn băm nhỏ để tạo ra RDF có chất lượng mong muốn. Máy nghiền thường
được sử dụng với chất thải hỗn hợp trong khi cắt shredder thường được sử dụng
cho các vật liệu khó nghiền như nhôm, lốp xe, nhựa…
c. Sàn lọc
Sàn dùng để tách nhữn chất thải có kích thước mong muốn và những chất
thải chưa đạt được kích thước yêu cầu. Máy sàn quặng mỏ thường được sử dụng
trong các nhà máy chế biến chất thải rắn do yêu cầu hiệu quả cao và có thể tách
được những chất thải vô cơ.
d. Phân loại bằng khí
Phân loại chất thải rắn bằng khí là quá trình phân tách được thực hiện nhờ sự
khác biệt về đặc tính khí động lực học của chất thải. Quá trình này liên quan đến sự
tương tác giữa các dòng chuyển động của không khí, chất thải băm nhỏ và lực hấp
dẫn. Trong dòng khí này, hỗn hợp giấy vụn được phân loại, nhựa hay kim loại.
e. Tách từ
Tách từ dùng để tách kim loại màu từ hỗn hợp chất thải rắn đô thị. Việc thu
hồi kim loại có từ tính thường được dùng bằng nam châm. Tỷ lệ thu hồi này sẽ cao
(85-90%) nếu chúng được tiến hành sau công đoạn phân loại rác bằng không khí.
f. Sấy khô và đầm nén
Độ ẩm trong chất thải rắn đô thị thường cao, có thể đạt 55-70% ngay cả
trong những ngày không mưa. Do đó, yêu cầu làm khô rác trước khi tạo thành viên
là một yêu cầu bắt buộc. Sau quá trình sấy, độ ẩm của rác sẽ giảm xuống khoảng
15% thông qua hệ thống sấy đa tầng. Sấy có thể được thực hiện bởi năng lượng
mặt trời hoặc sấy bằng dòng không khí nóng, đôi khi người ta còn kết hợp cả hai
phương pháp này.
✓ Ưu điểm của Pelletization
Việc chuyển đổi chất thải rắn thành dạng viên hay bánh cung cấp một phương
pháp để bảo đảm không gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt là tại những bãi rác
không hợp vệ sinh. Ngoài ra, công nghệ pelletization cung cấp một nguồn năng
lượng tái tạo, tương tự như sinh khối, năng lượng gió, mặt trời và năng lượng địa
nhiệt. Các đặc tính phát xạ của RDF cao hơn so với than đá nên lượng khí thải độc
hại như Nox, Sox, CO và CO2 cũng ít hơn. Công nghệ pelletization đối với chất
thải rắn đô thị có những đặc điểm nổi bật như:
•
•
•
•
•
•
•
•
Giá trị nhiên liệu nhiệt cao.
Thống nhất về thể chất và thành phần hóa học.
Độ ẩm thấp.
Dễ dàng xử lý, lưu trữ và vận chuyển.
Lượng khí gây ô nhiễm môi trường được giảm thiểu.
Giảm những khí có thể tạo thành trong quá trình cháy.
Có thể sử dụng tro để làm gạch.
Cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng.
✓ Nhược điểm của RDF
RDF có thể có những vật liệu gây thiệt hại cho lò đốt và lò hơi, có thể gây
ảnh hưởng xấu đến chất lượng khí thải. Ví dụ, các vật liệu làm RDF thường
chứa nồng độ đáng kể khí clorua. Trong quá trình đốt cháy, mộ số hoặc tất cả
chlorine sẽ chuyển đổi sang clorua hydro, những khí này có thể làm ăn mòn
thiết bị, đặc biệt là lò hơi.
Sự hiện diện của những hạt kim loại và thủy tinh nhỏ (<0.125 cm) trong
RDF có thể làm ô nhiễm trong hệ thống đốt. Việc loại bỏ các hạt nhỏ ở dạng viên
thường khá khó khăn do đặc tính vật lý và khí động học.
Theo yêu cầu của những viên RDF, có khoảng từ 5-10% chất kết dính/ phụ gia
được trộn lẫn trong rác để tạo thành những viên rác có chất lượng nhiên liệu tốt.
Các viên rác sau công đoạn dầm nén được làm lạnh, đóng gói và được lưu trữ.
5.3 Nhiệt phân/ khí hóa
Các hệ thống khí hóa / nhiệt phân chất thải rắn đã được thực hiện trên thế
giới ít nhất 30 năm.
Nhiệt phân là quá trình phân hủy hoặc chưng cất cacbon hóa. Đó là quá trình
phân hủy nhiệt của vật chất hữu cơ ở nhiệt độ cao ( khoảng 9000C) trong môi
trường không có oxy hay chân không, sản phẩm của quá trình này gồm CO, CH4,
H2, C2H6, CO2, H2O, N2, dung dịch pyroligenous, hóa chất, than củi. Dung dịch
pyroligenous có giá trị nhiệt độ cao và có khả năng thay thế nhiên liệu dầu trong
công nghiệp. Số lượng của mỗi sản phẩm phụ thuộc vào thành phần hóa học của
các chất hữu cơ và điều kiện hoạt động. Số lượng và thành phần hóa học của từng
sản phẩm thay đổi theo nhiệt độ nhiệt phân, thời gian cháy, áp suất…
Khí hóa liên quan đến việc phân hủy vật chất hữu cơ ở nhiệt độ cao trong
môi trường thiếu oxy, sản phẩm của quá trình này bao gồm hỗn hợp khí (CO, H2,
CO2). Quá trình này cũng tương tự như nhiệt phân, rác thải được đốt ở nhiệt độ
trên 10000C, ở nhiệt độ này, các khí chủ yếu là CO và H2. Các khí được làm sạch
và làm mát, sau đó được sử dụng trong các công cụ thiết kế vi mạch điện tử.
Nhiệt phân/ khí hóa là phương pháp đã được chứng minh làm đồng nhất các
chất hữu cơ như gỗ, bột giấy và hiện đang là một giải pháp hấp dẫn cho xử lý chất
thải rắn đô thị. Trong quá trình này, bên cạnh việc thu hồi năng lượng, chất thải
thải ra cũng phù hợp với tiêu chuẩn thải. Sản phẩm dễ dàng lưu trữ và xử lý. Quá
trình này ngày càng được yêu thích hơn quá trình thiêu đốt.
Hình 8: Sơ đồ hệ thống khí hóa
5.3.1 Quá trình nhiệt phân Garets Flash
Quá trình nhiệt phân ở nhiệt độ thấp đã được Công ty Garrett nghiên cứu và
phát triển. Ở một nhà máy thí điểm có công suất 4 tấn/ ngày của công ty La Varne,
Califonia, các chất thải rắn được băm nhỏ để có kích thước nhỏ hơn 50 mm, rác
được phân loại và được sấy trong một máy sấy. Các thành phần hữu cơ sau đó
được phân loại, sau đó qua một máy dập để giảm kích thước xuống dưới 3mm, (
tương tự như RDF). Sau đó, chất thải được đưa vào lò phản ứng có nhiệt độ 450-
500oC trong thời gian ngắn (tính theo giây) và được pyrolysed ở áp suất khí quyển,
khoảng 40% hắc ín được tạo thành ở quá trình này. Hắc ín ( nằm ở dạng hơi) và
các loại khí sẽ được tách ra khỏi than xỉ nhở một máy ly tâm.
Sau đó, dòng khí này sẽ được ngưng tụ để hắc ín có thể tách ra khỏi khí. Các
loại khí cùng với than sẽ được dùng để cung cấp nhiệt cho quá trình, ngoài ra, tro
từ quá trình còn được dùng như một chất vận chuyển nhiệt.
Ưu điểm: hiệu quả thu hồi nhiệt của hệ thống đạt khoảng 50%.. Quá trình
này có thể sản xuất ra hắc ín .Tro và cặn than cũng được tận dụng sử dụng.
Nhược điểm: vấn đề về kỹ thuật chưa hoàn chỉnh ở khâu phân loại chất thải
Hình 9: Sơ đồ hệ thống nhiệt phân Garets Flash
5.3.2 Hệ thống khí hóa Destrugas
Mô tả hệ thống
Trong hệ thống này, chất thải rắn ban đầu được băm nhỏ để giảm kích thước
trong một nhà kho. Không khí trong nhà kho sẽ được xử lý để tránh vấn đề mùi hôi
Các chất thải rắn đo thị đã băm nhỏ được đưa vào một trục cho rơi từ trên xuống
dưới trong khi những chất thải này chìm xuống, chúng sẽ được làm nóng gián tiếp
để đạt được nhiệt độ 1000oC. Năng lựợng cần thiết để cung cấp cho quá trình có
nhiệt độ từ 900-1050oC được cung cấp gián tiếp thông qua các bức vách và do quá
trình cháy của một số chất khí. Với cấu hình của thiết bị, lò phản ứng của hệ thống
này có thể được xem là nồi chưng.
Khi cho chất thải đi từ trên xuống trong lò phản ứng, lượng hắc ín sinh ra ít
hơn nếu cho chất thải đi từ dưới lên. Khí thải sẽ được làm sạch bằng nước, và nước
này sẽ được xử lý ở những hệ thống xử lý chất thải.
Dòng khí sau khi được làm sạch có thể được xem là khí nhiên liệu. 85% sẽ
được sử dụng lại để đốt nóng các bình cổ cong. 15% còn lại được làm nhiên liệu.
Hắc ín và than sẽ được tách nhờ một máy chà sàn. Xỉ chủ yếu của hệ thống này là
than.
Trên thế giới, khá nhiều nước áp dụng hệ thống này như ở Berlin (1978) ,
Nhật (1979)
Ưu điểm của hệ thống này là gần một nửa số khí sản xuất đã được sử dụng
làm nhiên liệu trong quá trình. Khí tạo ra là khí nằm trong giới hạn cho phép về
tiêu chuẩn môi trường.
Nhược điểm: việc vận chuyển vật liệu trong hệ thống Destrugas đòi hỏi kích
thước đồng nhất và phân phối đều là ngay cả các trong trục ống. Do đó, chất thải
rắn đô thị không thể được sử dụng theo công nghệ này. Các sản phẩm tạo ra như
xỉ, than không có giá trị nhiều, không mang tính kinh tế nên không được áp dụng
rộng rãi.
Tải về để xem bản đầy đủ
41 trang
26/12/2024
110
Bạn đang xem 30 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Sản xuất năng lượng từ rác thải", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
File đính kèm:
- luan_van_san_xuat_nang_luong_tu_rac_thai.docx
