Nguồn nẳng lượng tái tạo từ xử lý rác thải sinh hoạt bằng công nghệ khí hóa

NGUỒN NẲNG LƯỢNG TÁI TẠO TỪ xử LÝ RÁC THẢI SINH HOẠT
BẰNG CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA
RENEWABLE ENERGY FROM WASTE TREATMENT BY USING
GASIFICATION TECHNOLOGY
TS. Nguyễn Xuân Thôi
Khoa CNKT Điện-Điện tử, Đại học Đông Ả
TÓM TẮT
Để giải quyết nguy cơ nguồn năng lượng truyền thống trên trái đất đang dần cạn kiệt, năng lượng tái tạo đang là giải pháp được loài người quan tâm. Quá trình khí hóa rác thải có tiềm năng tạo ra năng lượng tái tạo nhiều hơn tổng năng lượng mong đợi từ mặt trời, gió....Vì vậy trong nhiều biện pháp xử lý rác thải thì công nghệ khí hóa ngày càng được các nước tiên tiến trên thế giới chú ý nghiên cứu và ứng dụng. Tính ưu việt của công nghệ khí hóa không những tốc độ xử lý nhanh, triệt để mà còn tạo ra các sản phẩm có giá trị kinh tế, đặc biệt là nhiên liệu - năng lượng tái tạo. Hiện nay Việt Nam đang xem xét xây dựng nhà máy xử lý rác thải bằng công nghệ khí hóa thành điện năng tại Thành phố Hồ Chí Minh. Bài viết này tóm tắt quy trình công nghệ xử lý rác thải sinh hoạt bằng công nghệ khí hóa và giới thiệu một số hệ thống thiết bị đã lắp đặt và vận hành thành công ở một số nước.
Từ khóa: xử lý rác thải, công nghệ khí hóa, công nghệ Plasma, năng lượng tái tạo.
ABSTRACT
To address the risk of traditional energy sources on earth is being depleted, solution of using the renewable energy is interested. Waste gasification process has the potential to produce energy more than from the sun, wind, etc. Many waste treatment measures are used. One of them is gasification technology, which is increasingly applied and researched in the advanced countries in the world. Advanced primacy of gasification technology is not only fast processing speed, but also creates products with economic value, as fuel - renewable energy. Nowadays, Vietnam is considering building the waste treatment plant with gasification technology into electric energy in Ho Chi Minh City. This article summarizes the process of handling waste by using gasification technology and introduces some systems have been installed and operated successfully in some countries.
Key words: waste treatment, gasification, plasma technology, renewable energy.
Tổng quan	sinh ước tính khoảng 28,5 triệu tấn/năm,
_ 	 _ trong đó chất thải rắn sinh hoạt khoảng 19
.11160 ,^nF. kê; của Bộ ™&MT: tnệu tan/năm [11
tống lượng chất thải rắn của cả nước phát
Phần lớn rác thải sinh hoạt đô thị hiện nay được xử lý bằng biện pháp chôn lấp, một lượng nhỏ sử dụng tái chế làm phân bón hoặc đốt. Việc xử lý bằng chôn lấp thô sơ đang gây ra những vấn đề vô cùng nghiêm trọng: tốn một lượng lớn đất canh tác; ô nhiễm nguồn nước ngầm. Phương pháp đốt tuy khắc phục được nhược điểm trên nhưng lại sinh ra một lượng đáng kể khí có tính độc hại thải ra môi trường và khí cacbonic, gây hiệu ứng nhà kính, phá thủng tầng Ozon, nguyên nhân của thảm họa nóng lên của trái đất. Phương pháp sinh hóa biogas tuy ưu việt hơn nhưng tốc độ xử lý chậm do cần thời gian dài cho các phản ứng sinh hóa. Xử lý rác thải sinh hoạt bằng công nghệ khí hóa khắc phục được các nhược điểm trên đang được nghiên cứu và ứng dụng.
Có hai dạng công nghệ khí hóa rác thải:Khí hóa thông thường ở nhiệt độ thấp (<1000°C) và khi hóa Plasma (PGM) ở nhiệt độ cao (4000-9000°C)
Xử lý rác thải sinh hoạt bằng công nghê khí hóa
Công nghệ khí hóa là công nghệ biến đổi hóa học chất có chứa cacbon thành sản phẩm hỗn hợp khí cháy được, gọi là khí tổng hợp (Syngas )dùng làm khí đốt và biến đổi thành điện năng hoặc nguyên liệu trong công nghiệp hóa chất. Sản phẩm phụ ngoài hơi nước qua nhiệt là các chất trơ không tác động đến môi trường và được tái sử dụng như dùng làm chất phụ gia hoạt tính, tạo màu trong công nghệ sản xuất xi măng hay các vật liệu xây dựng khác như gạch không nung,v. V...
Khí hoá không phải là công nghệ mới; trước đây đã được nghiên cứu để sản xuất khí đốt từ nguyên liệu sinh khối như mùn cưa, trấu, than, củi, gỗ, và than đá. Tuy nhiên, ở quy mô nhỏ, chỉ mới gần đây được nghiên cứu để xử lý chất thải đô thị (MSW) với quy mô lớn và tự động hóa hoàn toàn.
Thành phần rác thải sinh hoạt
Thành phần chính của rác thải sinh hoạt là các hợp chất hữu cơ mà chủ yếu là các polymer tự nhiên hoặc nhân tạo.
Bảng 1, Tinh chất rác thải sinh hoạt khu
vực Hà Nội
TT
Chủng loại phế tải
Maul
Mầu 2
Mầu 3
Mầu 4
Trung bình
Đôi với mâu lây tháng 12 nãm 2012
Thành phân rác: % khôi lượng
1
Giây, vải
7.9
8.2
4.27
10.8
7.8
2
Nilon, sợi tỏng hợp, cao su, da thuộc
11.2
11.0
11.1
8.4
10.4
3
Cây,tre,rơm, rạ...
28.0
34.3
75.2
72.3
52.3
4
Thức ăn thừa
12.6
5.5
7.7
7.8
8.3
5
Rác lọt qua sàng 5 mm
2.8
4.1
0.0
0.0
2.2
6
Vật không chảy đuợc
37.4
37.0
1.7
0.6
19.0
Tông cộng
100
100
100
100
100
Khôi luợng riêng, kg/m2
481
475
306
340
401
Nguyên lý công nghệ xử ỉỷ
Nhiệt độ cao trong điều kiện hiếm khí, áp suất cao, xảy ra các phản ứng Crackinh các hợp chất có mạch các bon dài, monomer hóa các plymer, thậm chí phân hủy đưa về dạng nguyên tố như H2.N2.... Lượng ôxi được kiểm soát chặt chẽ bằng công nghệ tự động hóa để các phản ứng cháy cung cấp vừa đủ nhiệt cho quá trình vận hành lò khí hóa mà không cần nhiên liệu từ bên ngoài. Sản phẩm quá trình khí hóa dưới dạng hơi “nhiên liệu” (Syngas), được tách ra khỏi lò phản ứng dùng trong các giai đoạn kế 
tiếp của quá trình. Thành phần của Syngas như sau: (H2, co, co2, N2, CnHm).
Thành phán hóa học của một khí rống hợp thông thường
Hình L Thành phần hóa học	
Một số công trình đã vận hành thành công ở một số nước
3.7. Hệ thống ZEET(Zero Emission Eco Town SYS-TEM) - Khí hóa rác thải đô thị thành nhiên liệu nung clỉnker xi măng của Kawasaki[21 [3].
Những năm gần đây, do nhu cầu sử dụng nhiên liệu thay thế ngày một gia tăng, nhiều tập đoàn xi măng lớn trên Thế giới (FL Smidth; Polysyus ...) đã giới thiệu các công nghệ đốt rác thải khác nhau: đốt lốp xe, mẩu vải vụn, mẩu nhựa, phế thải gỗ... Công nghệ ZEET được Kawasaki nghiên cứu phát triển phù hợp với việc đốt rác thải sinh hoạt đô thị, hỗ trợ tích cực cho việc giải quyết vấn đề môi trường ở các đô thị.
Điểm nổi bật của công nghệ náy là ngoài khí hóa rác thải đô thị, có thể khí hóa cả nước thải, bùn thải. Khí tổng hợp sinh ra này được cung cấp cho lò nung Clinker như một dạng nhiên liệu; phần tro của quá trình khí hóa có thể dùng làm nguyên liệu cho sản xuất xi măng.
TfinA 2. Quy trình xử lỷ rác thải đô thị và
bùn từ xử ỉỷ nước thải thành nhiên liệu
nung Clinker
Trong quy trình trên, hệ thống ZEET làm nhiệm vụ: khí hóa rác và bùn ở nhiệt độ 500 -ỉ- 600°C. Khí thu được là nhiên liệu đốt trong lò xi măng nên không gây độc hại và ô nhiễm về mùi; phần tro thu được là nguyên liệu cho xi măng (dạng phụ gia khoáng); hợp chất không cháy và kim loại nặng được tách riêng và có thể tái chế.
Hình 3. Nguyên lỷ hoạt động của lò khỉ
hóa rác thải đô thị tạo gas có thể đốt
trong lò xi măng
Bùn nurởc thài
«otắn/d
Hình 4. Nguyên lý của hệ thống ZEET khi
lap đặt cạnh lò nung clinker
Sau quá trình khí hóa: hợp chất dioxin, các chất gây mùi hôi... được tiếp tục đốt và phân hủy trong buồng đốt calciner của lò nung xi măng ở nhiệt độ 900 -ỉ- 1000°C. Quá trình từ vận chuyển từ điểm tập kết rác đến khí hóa và cấp khí gas cho lò quay là khép kín; do đó không gây nên những ô nhiễm về mùi cho nhà máy xi măng.
Đánh giá hiệu quả kỹ thuật, môi trường của một dây chuyền ZEET mà Kawasaki đã lắp đặt và vận hành thành công tại Trung Quốc cho thấy hệ thống này đáp ứng tốt các chỉ tiêu môi trường. Bảng 2. Tổng kết một số ưu điểm của hệ thống ZEET
Tên thiêt bị
Hệ thông ZEET (Zero Emission Eco Town SYSTEM)
Khái quát
Hệ thông xử li chât thài sữdụng lõ nung xi mãng
Đặc trung và ưu điêni
Phi xây dụng
5 0 USD/ tân rác thải (Giá trị tham khảo)
Thòi gian bàn giao
Băng một nửa so với hình thức cũ (khoáng! nãm)
Chât luợngxi măng
Nhờ hệ thôngloại bõ Cr. F" v.v... nén không ảnh hưởng đến chấtlượngxi măng
Khí thải CO2
So với việc chôn rác thi giảm 11,3 00 tan một năm (khi xủ lý 600t rác/ngày)
Hiệu quả vê môi trường
Múi
Phân giải mùi băngcách niêm phong rác, sử dụng lò khi hóa: lỏ phân giải
Dioxin
Phán giải vô hi ệu hó a b ăng không khí kiêm và nhiệt độ cao trong lò xỉ măng
Vi khuân
E>i ệt vi khuân b ăng xử lí nhi ệt độ cao
Xử lí tro
Vì sừ dụngtro làm nguyên liệuxi mãng nên khỏngcân phải xử li cuối cùng
Công nghệ khí hóa Plasma PGM
PGM là công nghệ tiên tiến nhất hiện nay để xử lý chất thải . Công nghệ mới này có nguồn gốc từ NASA, được các công ty công nghệ cao nổi tiếng của Mỹ như General Electric, Westinghouse, Alter NRG... ứng dụng, chế tạo thiết bị .Công nghệ khí hóa Plasma PGM hoạt động theo mô hình khép kín cũng được các nhà khoa học Nga phát triển ở Viện nghiên cứu Kurchatov, hiện đã được thương mại hóa và áp dụng tại các nước tiên tiến. Dự án áp dụng công nghệ plasma vào xử lý rác thải bắt đầu được Nga được triển khai ở Xanh Pê-téc-bua, ngoại ô Mát-xcơ-va, Ka-li-nin-grát...
Hiện nay, công nghệ này được áp dụng mạnh mẽ ở Mỹ,châu Âu và một số nước như : I-xra-en, Đài Loan (Trung Quốc), Nhật Bản, Trung Quốc...[4] [5] [6] [7].Dự án xử lý rác thải thành điện năng tại Thành phố Hồ Chí Minh do Công ty Trisun Green Energy đề xuất áp dụng công nghệ này
Quy trình hoạt động của lò PGM
Rác thải vào lòđược sấy khô ở khoảng 300°C.
Tiếp theo được rơi xuống vùng nhiệt độ cao 400-700°C. Tại đây rác được nhiệt phân tạo khí và than từ các thành phần hữu cơ.
Sau đó rơi xuống vùng dưới, các thành phần chứa cacbon và vật chất vô cơ đạt nhiệt độ 800-1300°C trải qua giai đoạn hóa khí, tạo thành chủ yếu khí co và H2. Các khí ga nhiên liệu - syngas. Dòng khí này được dẫn ra khỏi lò phản ứng và trở thành nhiên liệu trong các công đoạn sản xuất năng lượng.
Phần tro còn lại sau khi hóa khí của rác được gặp nhiệt độ rất cao của bộ tạo Plasma nung chảy . Phế thải rắn còn lại ở có thể sử dụng như cốt liệu trong sản xuất vật liệu xây dựng
Hình 5: Hoạt động của lò PGM
\Hình7:Đặc trưng ngọn lửa Plasma
Trong quá trình khí hoá plasma sẽ có ba sản phẩm trung gian chính gồm khí tổng hợp; đá xốp và đá Obsidian; nhiệt và tro. Khí tổng hợp: Chủ yếu là khí hyrdo và carbonmonoxide, nỗ có thể được sử dụng như một nguồn nguyên liệu và dùng để tạo thành năng lượng điện. Đá xốp và đá Obsidian: Đá xốp được hình thành do quá trình thổi khí nén qua một ống vật liệu nóng chảy tạo thành với màu xám, cỗ hình dáng như viên kẹo. Đá xốp là vật liệu cách nhiệt rất hiệu quả (gấp đôi hiệu quả của sợi thủy tinh), trọng lượng nhẹ hơn nước nhưng hấp thụ nước tốt, với đặc tính này đá xốp được sử dụng đề chứa và làm sạch các sự cố ưàn dầu. Ngoài ra, đá xốp còn được sử dụng trong hệ thông thủy canh nông nghiệp để trồng hạt giống trong khay chứa hoặc các khối định lượng sẵn nhằm giảm lượng nước tưới. Mặt khác, đá Obsidian (như silicate) không độc hại, được sử dụng đắp đường, kết hợp với bê-tông, vật liệu mài và khi két hợp với một số hoá chất phụ gia tạo thành gạch, ngói dùng trong xây dựng. Nhiệt và tro: Quả trình khí hoá plasma tạo nhiệt đáng kể khỉ ở độ nóng hàng ngàn độ c, một số nhiệt có thể dùng để chuyển đổi thành hơi nước đề chạy tua-bin phát điện hay tích nhiệt cho các nhà máy, cơ sở khác. Lượng tro sinh ra trong quá trình plasma, nhất là tro đáy được tổng hợp thành vật liệu xây dựng.
Legend:
- Plasma chemical reactor
- Afterburner
- Waste beat boiler
3*- Once through boiler
- Steam turbo geaerator
- Scrubber evaporator
- Reactor absorber
- Bag filter
8 - Exhaust fan
5 - Rolisbing scrubber
Hình 6. Sơ đồ công nghệ hệ thống Plasma PGM đốt rác thải phát điện
PGM là Công nghệ thân thiện môi trường. Phụ phẩm sau khỉ xử lý bằng phương pháp đốt PGM có tính trơ (xỉ thải chứa từ 2-4% thủy tinh hóa lành tính), thỏa mãn hầu hết các yêu cầu của tiêu chuẩn môi trường thế giới. Sau khỉ đốt một tấn rác thải, thu được khoảng 1.200m3 syngas trong khỉ lượng khí thải rất thấp, chỉ khoảng 120m3 CO2 so với 6000m3 khí đốt bằng lò thường. Các loại nhiên liệu tồng hợp này có thể tạo ra năng lượng dùng cho nhà máy hoặc các nhu cầu công nghiệp khác. Đặc biệt, công nghệ Plasma PGM không gây ảnh hưởng xấu đến nước ngầm, nước mặt hoặc đất đai, không khí. Bên cạnh đó, ở mức độ 
triển khai quy mô lớn, công nghệ Plasma PGM cho phép các quá trình đốt riêng biệt được thực hiện đồng thời trong một lò phản ứng.
Tại châu Á, , từ năm 2002 Nhật Bản đã có hai nhà máy xử lý rác thải bằng công nghệ plasma và thương mại hoá khí hoá rác thành năng lượng vận hành đó là cơ sở Mihata Kikata xử lý 24 tấn rác thải rắn và 04 tấn bùn mỗi ngày, cung cấp hơi nước và nước nóng cho địa phương sử dụng; nhà máy Utashinai xử lý 300 tấn/ngày rác thải và xác ô-tô băm nhuyễn tạo ra khoảng 7,9MWh điện, trong đó 3,6MWh được dùng để chạy béc đốt plasma và hoạt động của nhà máy, phần còn lại 4,3MWh chuyển cho lưới điện của quốc gia.
Dự án đốt rác phát điện bằng công nghệ plasma tại TP Hồ Chí Minh do Công ty Trisun Green Energy đề xuất đầu tư với tổng vốn 520 triệu đô la Mỹ có công suất xử lý 2.000 tấn rác/ngày để sản xuất ra 1,6 triệu KWh điện/ngày.
Kết luận
Trong khi vấn đề môi trường và năng lượng tái tạo đang được thế giới ngày càng quan tâm và khuyến khích, xử lý rác thải sinh hoạt bằng công nghệ khí hóa là công nghệ thân thiện môi trường sẽ có một tiềm năng rất lớn. Phạm vi xử lý rộng nhanh chóng và triệt để giúp công nghệ này có thể xử lý tất cả các loại chất thải y tế và chất thải nguy hại (kể cả các loại bệnh phẩm và chất thải dạng lỏng); xỉ rắn còn lại đã ổn định và không cần xử lý thêm có thể an toàn dùng làm nguyên liệu trong sản xuất vật liệu xây dựng. Ngoài mục đích xử lý rác thải chống ô nhiểm môi trường nhanh chóng và triệt để chúng ta còn thu được một lượng đáng kể nhiệt năng, nhiên liệu và nguyên liệu cho các ngành công nghiệp.
TÀI LỆU THAM KHẢO:
Những con số về rác thải - Minh Cường MOITRUONG.COM.VN/TH.
Tạp chí Thông tin KHCN-Vicem.
Trisun Energy Pty Ltd (Australia), Trisun Energy Vietnam Pty Ltd).
Aston University and DK Teknik (1993), An Assessment of Thermo-chemical Conversion Systems for Processing Biomass and Wastes. ETSU, B/Tl/00207/Rep.
Coombs,J. (1996), Bioconversion Assessment Study. CPL ScientificLtd,UK (Air - CT92 - 8007).
EU (1999), Biomass Conversion Technologies. EUR 18029 EN ISBN92-828-5368-3.
International Energy Agency (1994), Biofuels. Energy and Environ-mental Policy Analysis Series, OECD/IEA, Paris.