TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

KHOA MÔI TRƯỜNG

----o0o----

ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT

LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT QUI TRÌNH VẬN HÀNH CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA KẾT HỢP NGƯỢC DÒNG VÀ XUÔI DÒNG

MỤC LỤC

1. TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI1

2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC.. 2

2.1. Nghiên cứu trong nước. 2

2.2. Nghiên cứu ngoài nước. 5

3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU.. 15

4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU.. 15

5. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU.. 16

6. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.. 16

6.1.  Nghiên cứu lý thuyết16

6.2. Nghiên cứu thực nghiệm.. 17

6.3. Thiết bị, dụng cụ thí nghiệm.. 17

6.3.1. Thiết bị đo khí thải17

6.3.2. Mô hình nghiên cứu khí hóa. 17

6.3.3. Cách tiến hành thí nghiệm.. 18

6.3.5. Phương pháp lấy mẫu, phân tích và xác định tính độc hại của tro thải20

7. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN.. 21

8. TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI21

9. DỰ KIẾN CÁC CHƯƠNG MỤC CHÍNH.. 21

10. KẾ HOẠCH THỰC HIỆN.. 24

11. TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 24

12. Ý KIẾN CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN.. 26

THUYẾT MINH ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT QUI TRÌNH VẬN HÀNH CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA KẾT HỢP NGƯỢC DÒNG VÀ XUÔI DÒNG

1. TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Xử lý chất thải theo hướng tận dụng, coi chất thải như một nguồn “nguyên liệu” đang ngày càng được nhiều nước quan tâm. Đặc biệt, trước tình hình khan hiếm nhiên liệu trên toàn thế giới, khoa học tiến hành tìm kiếm các nguồn nhiên liệu khác để thay thế nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt. Và chất thải rắn nói chung đặc biệt là CTRSH có thành phần chủ yếu C, H, O, là một trong các nguồn nguyên liệu có khả năng cung cấp năng lượng cao, cần phải được quan tâm nghiên cứu. Trong chất thải sinh hoạt có chứa các chất ở dạng vô cơ và hữu cơ. Các chất hữu cơ như thực phẩm, gỗ, giấy, cao su, nhựa. Ngoại trừ các chất vô cơ, các chất ở dạng hữu cơ có một giá trị nhiệt trị nhất định chúng có thể chuyển từ dạng này sang dạng khác ví dụ như từ rắn sang lỏng hoặc khí. Một số chất có nhiệt trị gần tương đương với dầu như PE, PP, PS [1-3].

Một số nghiên cứu của công ty Texaco (Mỹ) đã nhận định năng lượng thu được từ quá trình khí hóa 33 triệu tấn rác sinh hoạt tương đương 16 tỉ gallons dầu (thùng Mỹ) [4]. Quá trình biến chất thải thành điện năng, nhiên liệu dạng lỏng, khí đang được ứng dụng và phát triển ở rất nhiều nước trên thế giới nhằm giảm thiểu ô nhiễm do rác thải gây ra và biến rác thải thành một nguồn nguyên liệu có ích trong cuộc sống.

Bảng 1.1. Nhiệt lượng của một số chất [4]

Thành phần	Nhiệt lượng	Thành phần	Nhiệt lượng
	Trung bình (KJ/kg)		Trung bình(KJ/kg)
Rác làm vườn	7000	Dầu (số 2)	48500
Rác sinh hoạt	10800	Gỗ	15500
Giấy	17000	Than	27000
Thực phẩm	6000	Cao su	23287
Nhựa dẻo + PE + PP + PS + PET + PVC	46500 45000 41600 21600 19000	Vải Da	17556 17556

Bảng 1.4.  Nhiệt trị của một số nhiên liệu khí gas [5].

Nhiên liệu	Nhiệt trị cao (HHV)		Nhiệt trị thấp (LHV)
	Btu/lbm	KJ/kg	Btu/lbm	KJ/kg
H2 (hyđrogen)	61,030	141,834	51,593	119,902
CO (cacbonmonoxit)	4,346	10,100	4,346	10,100
CH4 (methane)	23,880	55,497	21,515	50,001
C2H6 (ethane)	22,329	51,893	20,430	47,479
C3H8 (propane)	21,670	50,361	19,944	46,350
C4H10 (butane)	21,316	49,538	19,679	45,734
C2H4 (ethylene)	21,646	50,305	20,276	47,121
C2H2 (acetylene)	21,477	49,913	20,734	48,186
Gas thiên nhiên	23,300	54,149	21,150	49,153
Gas sản xuất	2,500	5,810	2,280	5,299

Ghi chú: 1Btu/lb_m = 2.324 KJ/kg

Đề tài “Nghiên cứu đề xuất qui trình vận hành công nghệ khí hóa kết hợp ngược dòng và xuôi dòng”được thực hiện nhằm đưa ra qui trình vận hành phù hợp cho công nghệ khí hóa chất thải. Đề tài thành công sẽ làm tiền đề cho việc triển khai ứng dụng vào thực tế, đồng thời góp phần cho công tác bảo vệ môi trường, xử lý chất thải theo hướng tận dụng, thu hồi năng lượng.

2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

2.1. Nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam, nghiên cứu ứng dụng quá trình khí hóa chất thải phục vụ cho sản xuất điện năng, tận dụng nhiệt cho sản xuất, dịch vụ… chưa có nhiều. Hướng tận dụng giai đoạn khí hóa chất thải để thu hồi nhiên liệu sạch là một hướng nghiên cứu mới, chưa có nhiều thông tin nghiên cứu theo hướng này.

vĐối với chất thải sinh khối:

- Nghiên cứu tái sử dụng chất thải sinh khối cho lò hơi công nghiệp để thu hồi năng lượng, Việt Nam đ tham gia trong ban điều hành dự án “về hiệu quả năng lượng cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ tiểu vùng Sông Mêkong thuộc hiệp hội các quốc gia Đông Nam Á”.

- TS. Chu Văn Thiện và các cộng sự thuộc Viện cơ điện nông nghiệp Việt Nam thiết kế, lò đốt ga trấu để cung cấp nhiệt lượng phục vụ cho việc sấy, bảo quản nông sản. Loại lò này được cải tiến từ loại lò tương tự của Viện nghiên cứu lúa quốc tế (IRRI).

- Thực hiện dự án Sử dụng năng luợng từ chất phế thải sinh thái do chính phủ Australia tài trợ, Bộ NN&PTNT đã giao cho Viện Cơ điện Nông nghiệp thực hiện dự án Xây dựng dây chuyền công nghệ phát điện và nhiệt kết hợp theo phương pháp đốt tầng sôi dùng trấu và phụ phẩm nông nghiệp tại Công ty Lương thực Long An nhằm tận dụng, nâng cao hiệu quả sử dụng chất phế thải biến thành điện năng và nguồn nhiệt sạch.Nhiệm vụ của dự án là xây dựng dây chuyền công nghệ mang tính trình diễn hệ thống phát điện kết hợp nhiên liệu từ trấu bằng công nghệ đốt tầng sôi, phục vụ cho khâu sấy sản phẩm nông nghiệp với nguồn điện phát là 50kWh.Sau dự án thí điểm tại Công ty Lương thực Long An, hiện tại, các nhà khoa học đã triển khai thêm 3 hệ thống tương tự tại Sơn La (dùng để sấy gỗ), Đắc Lắc (sấy cà phê) và Thanh Hóa (áp dụng trong dây chuyền sản xuất phân bón).

vĐối với chất thải sinh hoạt:

- Một số tác giả đã nghiên cứu thu hồi dung môi (dầu nhiên liệu) từ chất thải cao su, nhựa. Doanh nghiệp tư nhân Hoàng Đại tại Hải Phòng, đã tiến hành nghiên cứu và triển khai dây chuyền công nghệ điều chế dầu DO từ cao su, nhựa phế thải công suất 2 tấn/ngày, vốn đầu tư khoảng 2 tỉ đồng/dây chuyền. Hiện nay Doanh nghiệp tư nhân Hoàng Đại đang mời chào các đơn vị hợp tác đầu tư triển khai công nghệ.

- Tác giả Lê Xuân Hải - Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh cũng có một số công trình nghiên cứu cơ bản liên quan tới quá trình khí hóa một số loại nhiên liệu rắn cho lò đốt công nghiệp.

- TS. Nguyễn Vĩnh Khanh - Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã thực hiện đề tài cấp TP.HCM “Nghiên cứu công nghệ sản xuất nhiên liệu rắn từ chất thải plastic và vỏ trấu” từ 12/2007 – 5/2009. Kết quả bước đầu cho thấy nhiên liệu có thể sử dụng cho các lò đốt công nghiệp.           

- Trong thời gian qua, TS. Nguyễn Quốc Bình cùng các cộng sự thuộc phòng Kiểm soát ô nhiễm không khí – Viện kỹ thuật Nhiệt đới & Bảo vệ Môi trường cũng đã thực hiện một số đề tài nghiên cứu có liện quan tới đề tài:

+ Đốt chất thải: có đề tài “Nghiên cứu ứng dụng quá trình nhiệt phân để đốt chất thải nguy hại cho TP.HCM” –  (Sở KH&CNMT TP.HCM. Năm 2002).

+ Đốt chất thải có tính tới việc tận dụng nhiệt để sấy chất thải - đã kết hợp với Công ty Việt úc triển khai trong thực tế năm 2005.

+ Nghiên cứu ứng dụng quá trình nhiệt phân để xử lý thành phần hữu cơ trơ trong CTRSH theo hướng tận dụng làm vật liệu lót đường –(Sở KH&CN TP.HCM. Năm 2006).

+ Trong năm 2006 -2007 nhóm nghiên cứu đã thực hiện đề tài nghiên cứu cấp cơ sở với đề tài: “Bước đầu nghiên cứu thăm dò khả năng thu hồi khí gas làm nhiên liệu từ quá trình nhiệt phân và khí hóa rác thải”.(VITTEP 2007).

Ngoài ra, trong những nỗ lực tìm kiếm các giải pháp xử lý chất thải rắn phù hợp với điều kiện Việt Nam, Sở Tài Nguyên Môi Trường và Chi Cục Bảo Vệ Môi trường TP. HCM đã phối hợp cùng với Công ty Entropic Energy (Hoa Kỳ) tổ chức Hội thảo giới thiệu phương pháp xử lý chất thải rắn và chất thải nguy hại bằng công nghệ Entropic vào ngày 12-07-2005. Công ty Entropic Energy cũng đề xuất mô hình nhà máy xử lý rác phù hợp với TP. HCM với công suất xử lý là 6.400 tấn rác/ngày; sản phẩm chính thu được là 1.500 tấn than tổng hợp.

Hình 2.1. Quá trình nhiệt phân chất thải Entropic

Nếu xây dựng một nhà máy phát điện kèm theo sử dụng hết chỗ than này thì sẽ cho ra một lượng điện năng là 150 MW/ngày; hơn nữa còn có nhiều sản phẩm khác như nhiên liệu tái sinh, nước, khí hydrro, dầu nặng, nhẹ.

2.2. Nghiên cứu ngoài nước

Xử lý chất thải theo hướng tái sinh năng lượng, hiện đang được nghiên cứu, triển khai ứng dụng tại nhiều nước trên thế giới như Nhật, Mỹ, Đức, Hàn Quốc… Hiện nay tại Mỹ có 114 công trình tái sinh năng lượng tại 32 bang trên toàn nước và đã sản xuất lượng điện cho 1,2 triệu hộ gia đình và doanh nghiệp. Một số quá trình xử lý chất thải có thu hồi năng lượng được đưa ra trong các hình 2.2 – 2.5.

Hình 2.2. Sơ đồ đốt chất thải có thu hồi năng lượng [6]

Hình 2.3. Sơ đồ nhiệt phân chất thải có thu hồi năng lượng [6]

Hình 2.4. Sơ đồ khí hóa chất thải có thu hồi năng lượng [6]

Hình 2.5. Mô hình thu hồi năng lượng và làm sạch khí gas từ quá trình nhiệt phân khí hóa trấu

                                                       (Nguồn: “Rice Husk Engine Generator”)

Nghiên cứu cơ bản quá trình khí hóa đã được thực hiện từ lâu và ở nhiều nơi trên thế giới. Các loại thiết bị và công nghệ khí hóa hiện nay có thể được chia thành hai nhóm chính như sau:

-         Thiết bị khí hóa dạng tầng cố định (fixed beds).

-         Và thiết bị khí hóa dạng tầng sôi (fluidized beds).

Thống kê các ứng dụng của công nghệ khí hóa kiểu tầng cố định dạng updraft và downdraft được trình bày trong bảng 2.1.

Bảng 2.1. Các ứng dụng của công nghệ khí hóa kiểu tầng cố định [7]

Nước	Dạng	Vật liệu khí hóa	Công suất	Tổ chức/dự án
USA	Downdraft	Gốc cây cù lần	1 MW	CLEW
	Downdraft	Mảnh gỗ, lõi bắp	40kW	Stwalley Engg
Denmark	Updraft	Da, chất thải	2-15 MW	DTI
	Updraft	Rơm, mảnh gỗ, củi	1-15 MW	VOLUND R&D Centre
	Downdraft	Gỗ dăm	0.5MW	Hollesen Engg.
New Zealand	Downdraft	Gỗ cục, gỗ mảnh	30kW	Fluidyne
France	Downdraft	Gỗ, chất thải nông nghiệp	100-600kW	Martezo
UK	Downdraft	Sinh khối, chất thải sinh hoạt	30kW	Newcastle University of technology
	Downdraft	Chất thải công nông nghiệp	300kW	Shawton Engineering
Switzerland	Stratified	Gỗ, sinh khối nông nghiệp	50-2500kW	DASAG
	Downdraft	Gỗ, gỗ thải	0.25-4MW	HTV Energy
India	Downdraft	Gỗ mảnh, vỏ gạo	100kg/h	Associated Engineering Works
	Downdraft	Thân gỗ, vỏ trấu	100kg/h	Ankur Scientific Energy Technologies
Belgium	Small scale	Gỗ mảnh	160kW	SRC Gazel
South Africa	Downdraft	Gỗ cục, mảnh	30-500kW	SystBM Johansson gas producers
Finland	BIONEER	Gỗ mảnh, rơm, RDF	4-5MW	Ahlstrom Corporation
	updraft	Gỗ thanh, than bùn	6.4MW	VTT
Netherlands	Downdraft	Vỏ trấu	150kW	KARA Energy Systems
China	Downdraft	Mạt cưa	200kW	Huairou wood equipment
	Downdraft	Chất thải sau thu hoạch	300kW	Huantai Integrate Gassupply System

Tóm tắt các ứng dụng của thiết bị khí hóa tầng sôi trình bày trong bảng 2.2.

Bảng 2.2. Tóm tắt ứng dụng của các thiết bị khí hóa tầng sôi [7]

TT	Tên khách hàng	Vật liệu khí hóa	Năng suất khí hóa	Thời gian hoàn thành	Điện năng sinh ra
1.	Aomori RER	Bùn	450 t/ngày (225 × 2)	3.2001	17.800kW
2.	Joetsu Wide-range regional Union	Plastic thải, bùn đen	15,7 t/ngày	3.2000	---
3.	Sakata Local Clean Union	MSW	196 t/ngày (98 × 2)	3.2002	1.990kW
4.	Nikko Mikkaichi Recycling	Plastic thải	70 t/ngày	1.2001	---
5.	Kawaguchi City	MSW	420 t/ngày (140 × 3)	11.2002	11.700kW
6.	Ube City	MSW	198 t/ngày (99 × 2)	11.2002	4.100kW
7.	Chuno Wide-range regional Union	MSW	168 t/ngày (56 × 3)	3.2003	1.980kW
8.	Minami-Shishu Wide-range regional Union	MSW	168 t/ngày (56 × 3)	3.2003	---

Giới thiệu một số quy trình công nghệ khí hóa ở quy mô công nghiệp

1. Quy trình EDDITh

Quy trình EDDITh® (Thide Environment, 2002a and Vrancken et al., 2001) gồm có lò quay để sấy nhiên liệu đầu vào bằng khí nóng, một lò quay thực hiện phản ứng nhiệt phân sử dụng khí cháy trao đổi nhiệt bên ngoài, một buồng đốt được trang bị béc đốt sinh NO_X thấp và thiết bị tách than, thu hồi kim loại.

Hình  2.6. Sơ đồ của quá trình EDDITh [8]

Các thông số kỹ thuật tóm tắt như sau:

-         Sử dụng không khí để sấy nguyên liệu đầu vào (là chất thải rắn sinh hoạt).

-         Trung bình, một tấn chất thải sẽ thu được 400 kg khí có nhiệt trị khoảng 12 MJ/kg, 240 kg than cốc, 51 kg kim loại, 61 kg tạp chất trơ, 10 kg muối có thành phần chính là CaCl₂ và NaCl, và 20 kg tro cặn.

2. Công nghệ PKA

Công nghệ này gồm modular khí hóa, nhiệt phân ở nhiệt độ cao. Nhiệt độ nhiệt phân: 500–550°C trong một lò quay ngoài khoảng 45–60 phút. Sau đó khí hóa ở 1.400–1.500°C.

Hình 2.7. Sơ đồ của công nghệ PKA (Nakicenovic, 1998) [8].

Các thông số kỹ thuật tóm tắt như sau:

-         Nguyên liệu đầu vào: CTRSH, vỏ xe đã sử dụng, CTCN và nhựa thải

-         Xử lý sơ bộ nguyên liệu đầu vào: phân loại, sàng, nghiền.

3. Công nghệ SIEMENS Schwel-Brenn

Công nghệ là quá trình cacbon hóa không liên tục dựa trên chế độ nhiệt phân Kiener (Bracker, 2001 and Kempin, 1996). Nhiệt độ nhiệt phân bắt đầu ở 450°C khoảng 1 giờ. Sau đó được đốt trong lò ở nhiệt độ 1300°C để tạo hơi trong lò hơi đạt 400°C với áp suất hơi 40bar, hơi này dùng cho việc chạy máy phát điện với hiệu suất phát điện là 24%.

       Hình  2.8. Sơ đồ công nghệ của  Siemens/KWU Schwel-Brenn [8].

4. Công nghệ Von Roll RCP

Công nghệ nhiệt phân-khí hóa RCP (recycled clean products) được thực hiện bởi Von Roll/Inova căn bản dựa trên quy trình Duotherm.

Nhiệt độ tại vùng cháy đạt 1400°C.

Năm 1997, tại Đức, công nghệ này đã triển khai ở quy mô pilot với 6 tấn/h CTRSH, sản sinh ra 16MW điện (Richers et al., 1999).

Hình  2.9. Nguyên lý cơ bản của quá trình RCP [8].

5. Quy trình Compact Power

Quy trình được thực hiện bởi Compact Power Ltd. của UK sử dụng nhiệt phân, khí hóa và đốt ở nhiệt độ cao để chuyển hóa các loại vật liệu thành khí. Khí cháy được sử dụng để khí hóa có nhiệt độ khoảng 1200-1250°C, hơi nước được sử dụng để khí hóa than.

Hình  2.10. Sơ đồ quá trình của  Compact Power [8].

Mô hình pilot được triển khai ở Avonmouth - Bristol (UK) với quy mô 6,8 tấn/h để xử lý CTRSH với công suất phát điện đạt 7,8 MW. Năm 2003, mô hình được triển khai thực hiện ở Dargavel gần Dumfries – UK, được vận hành bởi công ty Batneec (Dumfries) Ltd của Scotland.

6. Công nghệ khí hóa Viking, Đan Mạch

Dựa vào hệ thống khí hóa 2 bậc nhà máy sản sinh ra 250kW nhiệt và 100kW điện được xây dựng tại Blare, Aars bởi công ty Danish REKA Maskinfabrikken.

Gỗ hoặc rơm được nhiệt phân bước đầu ở 600⁰C. Kết quả là hình thành các chất dễ bay hơi, các chất này tiếp tục phản ứng với hỗn hợp khí/ hơi nước. Khí gas hình thành có chứa hàm lượng nhỏ hắc ín. Bước tiếp theo là giai đoạn khí hóa cặn cacbon làm giảm hàm lượng hắc ín bên trong lò. Khí thành phẩm được làm lạnh và làm sạch và nạp vào động cơ Perkin.

Nhiệt thừa từ khí xả động cơ được tận dụng cho giai đoạn nhiệt phân ban đầu. Hiệu suất phát sinh điện năng được đánh giá là 25%. Kiểm tra trên mô hình pilot của nhà máy, khí gas có nhiệt trị 6 MJ/Nm³, đạt hiệu suất nhiệt khoảng 90%.

Hình 2.11. Hệ thống khí hóa Viking ở Đan Mạch [9]

7. Công nghệ khí hóa tầng sôi tuần hoàn (CFB – Circulating Fluidized Bed), Gussing-Áo

Công suất hoạt động: 4,5MW nhiệt và 2MW điện.                           

Hình 2.12. Mô hình hệ thống khí hóa tại nhà máy CHP-Gussing, Ao[9]

8. Công nghệ khí hóa tích hợp BIG-CC ( Biomass Integrated Gasification Combined Cycle), Hà Lan

Trong hệ thống khí hóa sinh khối kết hợp tuần hoàn (Biomass Integrated Gasification Combined Cycle - BIG-CC), ban đầu gỗ được chuyển hóa thành khí gas trong lò khí hóa tầng sôi. Khí được đốt cháy trong nhà máy tuần hoàn có chứa tubin khí và tuabin hơi để nâng hiệu suất cực đại. Khí được nén và phun vào bên trong tuabin khí và nó sẽ được đốt cháy ở nhiệt độ cao. Khí xả ra từ tuabin khí có nhiệt độ cao đi qua nồi hơi để thu hồi nhiệt. Hơi phát ra từ nồi hơi được sử dụng để vận hành tuabin hơi. Khí trước khi sử dụng cho các mục đích khác cần phải được làm sạch.

Hình 2.13. Công nghệ khí hóa sinh khối TPS-BIG-CC [10]

9. Công nghệ khí hóa IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle), Đức

Trong bộ khí hóa khí nén, khí gas sinh ra được nạp trực tiếp vào tuabin khí sau khi đã loại bỏ các thành phần tạp chất như bụi.

Hệ thống thu hồi bụi được thực hiện ở nhiệt độ < 400⁰C, giữ ở nhiệt độ đủ cao để duy trì lượng hắc ín ở pha hơi.

Hình 2.14. Mô hình pilot khí hóa Sydkraft ở Varnamo [11].

3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Đề tài tập trung vào hai mục tiêu chính:

- Nghiên cứu thực nghiệm công nghệ khí hóa chất thải trên thiết bị tầng cố định theo chế độ ngược dòng (up draft) và xuôi dòng (down draft) kết hợp.

- Đề xuất qui trình vận hành kết hợp.

4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Để đạt được mục đích trên, các nội dung nghiên cứu cần thực hiện gồm:

1. Tổng quan tài liệu về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước.

2. Tổng quan lý thuyết về công nghệ khí hóa để thu hồi nhiên liệu.

3. Tổng quan tài liệu về các đặc tính hóa, lý cơ bản của chất thải:

3.1. Thành phần, tính chất vật lý, hóa học của chất thải sử dụng nghiên cứu.

3.2. Độ giảm khối lượng theo nhiệt độ của một số loại chất thải để xác định nhiệt độ khí hóa tối ưu.

4. Nghiên cứu thực nghiệm công nghệ khí hóa thu nhiên liệu trên thiết bị tầng cố định: chất thải được chọn nghiên cứu là rác sinh hoạt sau khi đã loại bỏ các thành phần rau quả, thực phẩm hoặc các thành phần hữu cơ trơ bị loại ra từ các nhà máy sản xuất phân compost. Các nội dung nghiên cứu chính gồm:

- Xác định điều kiện khí hóa thích hợp ở chế độ ngược dòng, chế độ xuôi dòng, kết hợp ngược dòng và xuôi dòng (tiêu chí chất thải đầu vào, qui trình vận hành phù hợp để thu lượng khí gas giàu năng lượng).

- Kiểm tra đo đạc thành phần cơ bản của nhiên liệu, đánh giá chất lượng nhiên liệu thu được.

- Định hướng khả năng ứng dụng sản phẩm khí hóa thu được phục vụ cho các cơ sở sản xuất công nghiệp.

5. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Đối tượng được đề tài tập trung nghiên cứu: phần hữu cơ trơ trong rác sinh hoạt (phần thải ra từ các nhà máy sản xuất phân compost).

- Phạm vi nghiên cứu: đề tài tập trung nghiên cứu công nghệ khí hóa trên thiết bị kiểu tầng cố định (fixed beds).

6. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

6.1.  Nghiên cứu lý thuyết

1. Thu thập tài liệu về tình hình phát sinh, đặc tính và thành phần và các phương pháp xử lý chất thải sinh hoạt bằng phương pháp nhiệt.

2. Tìm hiểu thu thập tài liệu về tình hình nghiên cứu khí hóa chất thải, khí hóa than và các nhiên liệu rắn khác trong và ngoài nước.

3. Hồi cứu một số công trình thực tế ứng dụng công nghệ nhiệt phân, khí hóa xử lý chất thải thu nhiên liệu.

4. Tổng quan lý thuyết công nghệ khí hóa chất thải nói chung thành nhiên liệu khí gas, trong đó tập trung vào các nội dung:

- Nghiên cứu bản chất của quá trình khí hóa, các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình khí hóa như: nhiệt độ, chế độ cấp oxy, thành phần và tính chất chất thải. Quan hệ giữa nhiệt độ với chế độ cấp khí trong quá trình khí hóa chất thải. Sự thay đổi nhiệt độ trong thiết bị khí hóa.

- Nghiên cứu tìm hiểu các dạng thiết bị khí hóa, phân tích ưu nhược điểm của từng loại thiết bị.

- Nghiên cứu các yếu tố trong quá trình khí hóa: sự biến đổi lưu lượng khí gas, chất lượng khí gas (thể hiện qua hàm lượng CH₄ và CO trong khí gas).

- Nghiên cứu công nghệ làm sạch khí gas, đánh giá khả năng gây ô nhiễm môi trường khi sử dụng khí gas làm nhiên liệu.

6.2. Nghiên cứu thực nghiệm

Sử dụng các phương pháp tiêu chuẩn của Việt Nam và một số tiêu chuẩn tham khảo Quốc tế. Được thực hiện tại phòng thí nghiệm của Viện Kỹ Thuật Nhiệt Đới &Bảo Vệ Môi Trường (VITTEP). Nghiên cứu thực nghiệm công nghệ khí hóa nhằm xác định được các vấn đề sau:

+ Xác định điều kiện thích hợp cho quá trình khí hóa vật liệu (rác hữu cơ trơ) để thu lượng khí gas giàu năng lượng.

+ Đo đạc, phân tích các sản phẩm của quá trình khí hóa: CH₄, CO, CO₂, H₂O, H₂. Xác định nhiệt trị và hiệu suất chuyển hóa khí gas ở các nhiệt độ khác nhau.

+ Đo đạc, phân tích các chất ô nhiễm trong khí thải khi đốt khí gas: CO, NO_x, SO₂, NH₃, H₂S, Bụi, THC.

+ Lấy mẫu, phân tích và xác định tính độc hại của tro thải từ quá trình khí hóa.

Các phương pháp đo đạc, phân tích: theo tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế.

6.3. Thiết bị, dụng cụ thí nghiệm

6.3.1. Thiết bị đo khí thải

- Sử dụng thiết bị TESTO 360 chế tạo tại CHLB Đức theo tiêu chuẩn ISO9001, với phần mềm chuyên dụng Statistical 6.0. Thiết bị này có thể đo thành phần khí như sau: CH₄, CO, hơi nước, CO₂, SO₂, NO_x.

- Máy sắc kí khí Perkin Elmer: đo các chỉ tiêu H₂ và hydrocarbon khác.

- Các dụng cụ thiết bị phụ trợ khác của phòng thí nghiệm VITTEP kết hợp với một số phòng thí nghiệm khác.

6.3.2. Mô hình nghiên cứu khí hóa

- Thiết bị khí hóa được lựa chọn là thiết bị kiểu tầng cố định (Fixed Beds), đây là loại thiết bị dễ chế tạo, vận hành, không đòi hỏi chặt chẽ về kích thước vật liệu, tỉ trọng vật liệu. Phù hợp cho nhu cầu cấp nhiệt (hay năng suất nhiệt của thiết bị) qui mô vừa và nhỏ. Thiết bị kiểu tầng cố định cũng hay bị kết xỉ trong buồng phản ứng (phụ thuộc đặc tính tro trong vật liệu khí hóa), đây cũng là nhược điểm của thiết bị.

- Các thí nghiệm được thực hiện theo chế độ ngược dòng (Updraft), xuôi dòng (Downdraft), kết hợp ngược dòng và xuôi dòng.

- Mô hình thí nghiệm trên hình 6.1, có các thông số thiết bị như sau:

Cột phản ứng (Gasifier) là một ống hình trụ, có tổng chiều dài là 1.000 mm. Phần thân trên có chiều dài 750 mm, đường kính trong 160mm, phần dưới hình côn có chiều dài 250 mm. Nhiên liệu khí hóa được cấp vào hoper sau đó đi xuống cột phản ứng. Trên cột phản ứng bố trí các cửa cấp khí, cấp hơi nước và các vị trí đo nhiệt độ của các vùng trong cột phản ứng. Tùy thuộc vào phương pháp cấp không khí vào cột phản ứng để có kiểu lò khí hóa gió lò đi xuống hay thuận dòng (Downdraft) hay là kiểu  gió lò đi lên hay ngược dòng (Updraft).

Hình 6.1. Cột khí hóa (Gasifier)

6.3.3. Cách tiến hành thí nghiệm

- Sau khi gia nhiệt tới nhiệt độ cần thiết, nạp nguyên liệu từ phễu chứa liệu (hoper) ở phía trên cột khí hóa vào buồng phản ứng. Mỗi mẻ phản ứng nạp 1 - 3kg nguyên liệu tùy theo dạng dời hay dạng viên ép (nguyên liệu được nghiên cứu ở đây là rác thải đã xác định thành phần và tính chất). Nguyên liệu có kích thước từ 0,5 – 1cm.

- Ứng với mỗi thí nghiệm, ta tiến hành đo nồng độ các sản phẩm khí sinh ra bao gồm: CH₄, CO, hơi nước, CO₂, H₂ và một số khí khác. Các mẫu khí gas được đo trung bình 3 phút, cách 2-3  phút lại lấy mẫu khí gas để đo một lần.

Hình 6.2. Hình ảnh của mô hình khí hóa tại phòng thí nghiệm VITTEP

6.3.4. Kiểm tra hàm lượng các chất ô nhiễm trong khí thải

Đánh giá khả năng gây ô nhiễm môi trường nếu sử dụng khí gas thu được từ quá trình khí hóa làm nhiên liệu bằng cách đo nồng độ các chất ô nhiễm trong khí thải khi đốt khí gas. Khí gas được lắng nhựa và lọc bụi sau đó được đốt trực tiếp thải qua ống thải. Các thông số đo, tiêu chuẩn so sánh và phương pháp xác định được trình bày ở bảng 6.1 dưới đây.

Bảng 6.1. Các thông số, tiêu chuẩn và phương pháp xác định tương ứng

Thông số	Tiêu chuẩn so sánh	Phương pháp xác định
CO (mg/m3)	QCVN  19: 2009/BTNMT	TCVN 7242 2003
NOx (mg/m3)	QCVN  19: 2009/BTNMT	TCVN 7245 2003
SO2 (mg/m3)	QCVN  19: 2009/BTNMT	TCVN 7246 2003
NH3(mg/m3)	QCVN  19: 2009/BTNMT	Đo nhanh
H2S (mg/m3)	QCVN  19: 2009/BTNMT	Đo nhanh
Bụi (mg/m3)	QCVN  19: 2009/BTNMT	TCVN 7241 2003
THC (mg/m3)	-	Đo nhanh

6.3.5. Phương pháp lấy mẫu, phân tích và xác định tính độc hại của tro thải

6.3.5.1. Định danh và định lượng 

- Định danh các kim loại: Quang phổ phát xạ cách tử 2: DΦC 8-2;

- Định lượng các kim loại: Hấp thụ nguyên tử (AAS) Varian (Mỹ); quang phổ phát xạ nguyên tử Plasma, máy so màu  Spectrophotometer “Spectronic GENESYS 5” và một số thiết bị đo chuyên dụng.

6.3.5.2. Xác định tính độc hại của tro (chất thải rắn)

- Chiết mẫu theo tiêu chuẩn US EPA của cơ quan môi trường Hoa Kỳ và tiêu chuẩn môi trường Nhật Bản quy định về phương pháp kiểm tra tính độc hại của chất thải rắn.

- Phân tích các chỉ tiêu theo phương pháp phân tích mẫu nước của TCVN 1995, TCVN 4559-1988, 4560-1988 và Standard methods tương ứng với từng chỉ tiêu.

- Thiết bị: Hấp thụ nguyên tử (AAS) Varian (Mỹ); máy so màu Spectrophotometer “Spectronic GENESYS 5”, quang phổ phát xạ nguyên tử Plasma và một số thiết bị đo chuyên dụng.

- Mô tả mẫu và lấy mẫu:Sau khi ngưng khí hóa, hạ nhiệt độ lò và lấy tro ra khỏi buồng đốt. Lượng mẫu khoảng 0,5 kg cho vào chai nhựa miệng rộng, có nắp và đem về phòng thí nghiệm. Mẫu tro được sàng qua rây có kích thước lỗ 5 x 5mm.

- Phân tích các kim loại: Mẫu được chụp trên máy quang phổ phát xạ để định danh. Sau đó thực hiện phân tích định lượng từng nguyên tố trên máy Hấp thụ nguyên tử (AAS), máy so màu, quang phổ phát xạ nguyên tử Plasma và thiết bị chuyên dụng tương ứng cho một số chỉ tiêu. Các phương pháp phân tích dựa theo TCVN 1995 và Standard Methods.

- Phân tích các chỉ tiêu Hóa-Lý dung dịch chiết từ tro: Hiện nay Việt Nam chưa có phương pháp xác định tính độc hại của chất thải nguy hại. Để xác định tro từ lò đốt chất thải có phải là chất thải nguy hại hay không có thể tham khảo phương pháp xác định của Mỹ hoặc của Nhật Bản.

+ Để xác định tính độc của chất thải, cơ quan bảo vệ môi trường của Mỹ (US EPA) đã đưa ra  quy trình phân tích đánh giá chất thải nguy hại. Theo đó đối với tro thải từ lò đốt rác được tiến hành nghiền đến kích thước tối đa 1 cm, chiết mẫu bằng dung dịch CH₃COOH  có pH=5. Tỷ lệ CH₃COOH : mẫu = 16 : 1 về khối lượng. Khuấy liên tục 24 giờ, sau đó lọc và đưa dung dịch đi phân tích theo các chỉ tiêu nước uống để so sánh. Chỉ tiêu nào vượt quá 100 lần so với quy định cho nước uống thì chất thải đem chiết đó thuộc hệ chất thải nguy hại.

+ Theo phương pháp của Tiêu chuẩn môi trường Nhật Bản (JIS), nhóm các chất thải rắn đã qua khâu xử lý trung gian được để ổn định 3 ngày. Cân 100 gam mẫu cho vào bình tam giác, thêm 800 ml nước cất vào bình và khuấy trong vòng 6 giờ. Sau đó lọc, tráng rửa sao cho thể tích dung dịch chiết vừa đủ 1 lít và đem phân tích. Các chỉ tiêu được so sánh theo tiêu chuẩn quy định riêng cho loại chất thải nguy hại

Các phương pháp phân tích các chất thành phần thực hiện theo TCVN 1995 và Standard Methods cho từng chỉ tiêu tương ứng như đối với kiểm tra mẫu nước thông thường.

7. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

- Tình hình ô nhiễm do CTRSH tại TP.HCM đang là vấn đề bức xúc, luận văn thành công sẽ có ý nghĩa khoa học và thực tế to lớn nhằm bảo vệ môi trường, góp phần hoàn thiện qui trình xử lý chất thải chung cho TP.HCM, làm rõ quan điểm coi “chất thải là một nguồn nguyên liệu”.

- Đề tài thành công sẽlàmgiảm chi phí cho xử lý chất thải, tiết kiệm bớt đất sử dụng làm bãi chôn lấp chất thải, góp phần giải quyết tình trạng ô nhiễm môi trường do CTRSH gây ra hiện nay tại TP. HCM.

8. TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI

- Ở Việt Nam, nghiên cứu ứng dụng quá trình khí hóa chất thải phục vụ cho sản xuất điện năng, tận dụng nhiệt cho sản xuất, dịch vụ… chưa có nhiều. Hướng tận dụng giai đoạn khí hóa chất thải để thu hồi nhiên liệu sạch là một hướng nghiên cứu mới, chưa có nhiều công trình nghiên cứu theo hướng này.

- Trên cơ sở nghiên cứu bản chất cũng như ưu điểm của công nghệ khí hóa, đề tài sẽ đề xuất qui trình vận hành phù hợp công nghệ khí hóa kết hợp ngược dòng (Updraft) và xuôi dòng (Downdraft)trên thiết bị tầng cố định (Fixed Beds).

9. DỰ KIẾN CÁC CHƯƠNG MỤC CHÍNH

CHƯƠNG	MỤC	NỘI DUNG
1		MỞ ĐẦU
	1.1	TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
	1.2	MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
	1.3	NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
	1.4	ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
	1.5.	PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
	1.5.1	Nghiên cứu lý thuyết
	1.5.2	Nghiên cứu thực nghiệm
	1.6.	Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
	1.7.	TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI
2		TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
	2.1	TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
	2.1.1	Nghiên cứu trong nước
	2.1.2	Nghiên cứu ở nước ngoài
	2.2	TỔNG QUAN LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA
	2.2.1	Quá trình khí hóa
	2.2.2	Ưu nhược điểm của quá trình khí hóa
	2.2.2.1	Ưu điểm
	2.2.2.2	Hạn chế
	2.2.3	Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình khí hóa
	2.2.3.1	Thành phần và tính chất vật liệu khí hóa
	2.2.3.2	Ảnh hưởng của nhiệt độ
	2.2.3.3	Ảnh hưởng của hơi nước
	2.2.3.4	Ảnh hưởng của áp suất vận hành
	2.2.3.5	Ảnh hưởng của chất xúc tác
	2.2.3.6	Ảnh hưởng của nhiệt trị
	2.2.3.7	Ảnh hưởng của tác nhân khí hóa
	2.3	CÁC LOẠI THIẾT BỊ KHÍ HÓA
	2.3.1	Thiết bị khí hóa tầng cố định (Fixed Beds)
	2.3.2	Thiết bị khí hóa tầng sôi (fluidised bed gasifiers)
	2.3.3	Thiết bị khí hóa dạng dòng cuốn (EFG-Entrained Flow Gasifiers)
3		NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA
	3.1	MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
	3.2	NGUYÊN LIỆU
	3.3	THIẾT BỊ, DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM
	3.4	CÁCH TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM
	3.4.1	Chế độ ngược dòng (Updraft)
	3.4.2	Chế độ xuôi dòng (Downdraft)
	3.4.3	Kết hợp ngược dòng và xuôi dòng
	3.5	KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
	3.6	THẢO LUẬN KẾT QUẢ
	3.7	ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG
	3.7.1	Kết quả kiểm tra hàm lượng các chất ô nhiễm trong khí thải
	3.7.2	Tro thải
	3.7.2.1	Phương pháp lấy mẫu, phân tích và xác định tính độc hại của tro thải
	3.7.2.2	Kết quả
	3.4	ĐỀ XUẤT QUI TRÌNH VẬN HÀNH CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA KẾT HỢP NGƯỢC DÒNG VÀ XUÔI DÒNG
	3.4.1	Xác định nhiệt độ nhiệt phân, khí hóa
	3.4.2	Chế độ cấp khí
	3.4.3	Chế độ cấp hơi nước
	3.4.4	Năng suất thiết bị khí hóa
	3.4.5	Làm sạch khí gas
	3.4.6	Vật liệu khí hóa
	3.4.7	Qui trình vận hành thiết bị khí hóa
4		KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
	4.1	KẾT LUẬN
	4.2	KIẾN NGHỊ

10. KẾ HOẠCH THỰC HIỆN

THỜI GIAN	NỘI DUNG
07/09/2009 – 25/12/2009	- Nghiên cứu tài liệu, định hướng đề tài. - Hoàn thiện đề cương nghiên cứu.
26/12/2009 – 10/01/2010	- Hồi cứu các công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài. - Tổng quan lý thuyết quá trình khí hóa thu nhiên liệu.
11/01/2010 – 25/01/2010	- Tổng quan các phương pháp làm sạch, làm giàu khí gas thu được từ quá trình khí hóa làm nhiên liệu.
26/01/2010 – 10/02/2010	- Tổng quan tài liệu về các đặc tính hóa, lý cơ bản của chất thải, thành phần chất thải từ các nhà máy sản xuất phân rác.
11/02/2010 – 21/02/2010	- Nghỉ tết Nguyên đán
22/02/2010 – 22/04/2010	- Nghiên cứu thực nghiệm công nghệ khí hóa thu nhiên liệu từ chất thải là rác sinh hoạt có thành phần hữu cơ trơ.
23/04/2010 – 08/05/2010	- Đề xuất qui trình vận hành công nghệ khí hóa kết hợp ngược dòng và xuôi dòng.
09/05/2010 – 10/06/2010	- Tổng hợp số liệu báo cáo, hoàn thiện đề tài.
11/06/2010 – 25/06/2010	- Thời gian dự phòng.

11. TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Engineers, S., New York City Waste Composition Study. 1992.

2. Denison, R.A., Environmental life-cycle comparisons of recycling, landfilling, and Incineration. Annual Reviews of Energy and Environment, 1996. Vol. 21 191-237.

3. Miranda, M., Hale, B., Re-Covering All the Bases: A Comparison of Landfills and Resource Recovery Facilities in Puerto Rico. Nickolas School of the Environment, 1999(Duke University).

4. Alexander Klein.Gasification: An Alternative Process for Energy Recovery and Disposal of Municipal Solid Wastes.Department of Earth and Environmental Engineering-Columbia University. 2002.
5. Perry and Green, Handbook of Chemical Engineering, 1984, by permission of The McGraw – Hill Companies.

6. Carlos, L., High temperature air/steam gasification of biomass in an updraft fixed batch type gasifier. Royal Institute of Technology, Energy Furnace and Technology, Stockholm, Sweden, 2005. Ph.D. thesis.

7. Leung, D.Y.C., X. L. Yin and C. Z. Wu, A review on the development and commercialization of biomass gasification technologies in China. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2004: p. 8:565-580.

8. Williams R.B., Jenkins B.M., Nguyen D. (2003), Solid Waste Conversion, Interagency Agreement – IWM - C0172a, California.Integrated Waste Management Board.

9. Philippe Girard, Laurent Van De Steene, Patrick Rousset, “Biomass Gasification”, Biomass Energy Reaserch Unit, 2007

10. Morris, M. and Waldheim, L., “ Efficient power generation from wood gasification”, Proc Gasificationfor the future, 11- 13April 2000, Noordwijk, The Netherlands. http://tps.se/pdf/Noordwijk_0004.pdf

11. Stahl, K., “Experiences from the biomass IGCC plant at Varnamo”, Proceeding of the International Conference, Wurzburg, Germany, 8-11 June, 1998.

12. Nguyễn Quốc Bình. N/c ứng dụng công nghệ đốt nhiệt phân để xử lý chất thải rắn nguy hại tại Tp.HCM. Sở KH&CN TP.HCM. 2003.

13. Nguyễn Quốc Bình. N/c ứng dụng quá trình nhiệt phân để xử lý các thành phần hữu cơ trơ trong CTRSH tại TP.HCM theo hướng sản xuất vật liệu. Sở KH&CN TP.HCM. 2003.

…..tiếp tục cập nhật……..