Đốt đồng thời chất thải sinh khối và chất thải rắn đô thị không thể tái chế để cải thiện vấn đề môi trường

Tổng quan chất thải sinh khối và chất thải rắn đô thị

Chất thải sinh khối và chất thải thải rắn đô thị cung cấp các nguồn năng lượng bền vững. Đốt sinh khối có ít tác động hơn so với nhiên liệu hóa thạch rắn (ví dụ: than đá) đối với môi trường khi các chất khí ô nhiễm nằm ở mức độ thấp, trong khi chất thải rắn đô thị là một việc làm quan trọng có lợi cho việc quản lý chất thải bền vững, tổng hợp. Đốt các nhiên liệu bằng lò đốt tầng sôi là một phương pháp thành công trong việc khắc phục một số nhược điểm của chất thải sinh khối (chi phí cung cấp và phân phối nhiên liệu cao) và chất thải rắn đô thị (hàm lượng không đồng nhất, xung đột với việc tái chế vật liệu). Cần xem xét rằng đốt chất thải rắn đô thị là một cách xử lý mang đến nguồn lợi cao về tài chính.

Cơ sở lý luận

Khí thải nitơ monoxit và lưu huỳnh điôxít được ngăn chặn sau khi sử dụng vật liệu chất thải rắn đô thị làm nhiên liệu đầu vào. Sự tương tác giữa các chất này và các chất thải ô nhiễm khác như hydro clorua, nitơ oxit và cacbon monoxit cho thấy các phản ứng phức tạp giúp xác định lượng phát thải cuối cùng.

Lò đốt tầng sôi là một kỹ thuật thích hợp để khai thác sinh khối và tài nguyên chất thải rắn đô thị mà không cần sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Việc bổ sung chất thải rắn đô thị vào quá trình đốt sinh khối có tác dụng giảm phát thải một số chất ô nhiễm dạng khí.

Phân tích

Đốt đồng thời chất thải sinh khối và chất thải rắn đô thị (MSW) là phương pháp sản xuất điện và nhiệt sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo. Ở quy mô nhỏ, chất thải sinh khối được công nhận là dạng năng lượng tái tạo có khả năng đáp ứng cả nhu cầu nhiệt và điện một cách hiệu quả, góp phần thực hiện các cam kết quốc tế nhằm giảm thiểu tác hại đến môi trường. Bên cạnh đó, việc sử dụng sinh khối có thể đạt được khi quá trình chuyển đổi nhiệt xảy ra gần các khu vực có nhu cầu (chẳng hạn như thành phố) để làm mát hoặc kết hợp làm mát, sưởi ấm và năng lượng điện. Do đó, đốt sinh khối quy mô nhỏ là một phương pháp tuyệt vời để khai thác nhiệt năng. Ngược lại, các tuabin gió và các trạm năng lượng nhiên liệu nghiền quy mô lớn chỉ được sử dụng để sản xuất điện, trong đó nhiên liệu nghiền có thể chứa sinh khối để đồng đốt. Trong chính sách của chính phủ về quản lý chất thải, thu hồi năng lượng từ chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) được coi là một việc làm thiết yếu để xử lý chất thải. Việc đốt cháy sinh khối thường được giả định là cung cấp không phát thải carbon dioxide thuần do con người gây ra và lượng khí thải carbon liên quan đến các hoạt động thu gom và phân phối sinh khối tương tự như đối với nhiên liệu hóa thạch do đó, chúng gây thiệt hại tối thiểu cho môi trường. Ngược lại, việc đốt CTRSH thường được coi là gây bất lợi cho cả sức khỏe con người do các chất ô nhiễm dạng khí khác nhau sinh ra, phổ biến nhất là poly-chlorinated dibenzo-p-dioxin và dibenzofurans. Đánh giá phổ biến nhất về nhiên liệu sinh khối và CTRSH là điều tra quá trình đốt sinh khối bằng than đá, hoặc than với CTRSH. Nội dung đề cập trong bài viết này là một cuộc điều tra về quá trình đốt cháy chất thải sinh khối và CTRSH được phân tách từ nguồn, đặc biệt là mức độ phát thải khí.

Trong bài viết này này, hạt của máy chưng cất khô có chất hòa tan (DDGS) được nghiên cứu như một ví dụ về nhiên liệu sinh khối, được sản xuất như một phụ phẩm nông nghiệp trong quá trình sản xuất etanol bằng cách lên men. Trong lịch sử, DDGS được sử dụng làm thức ăn gia súc nhưng do sản xuất ethanol tăng lên, nó được dự báo sẽ được sử dụng nhiều hơn như một nguồn năng lượng. Nhiên liệu MSW được chọn từ nguyên liệu bị loại bỏ được tách biệt từ nguồn của một cơ sở tái chế nguyên liệu. Tại Vương quốc Anh, đốt CTRSH được một số người coi là rào cản chống lại nỗ lực tăng mức tái chế vật liệu thấp trong lịch sử. Do đó, phần vật liệu này được xác định là một nguồn nhiên liệu có thể được khai thác mà không ảnh hưởng đến việc tái chế vật liệu thải có mức độ ưu tiên cao hơn, duy trì “hệ thống phân cấp chất thải” của các phương pháp quản lý chất thải được thực hiện theo thứ tự:

• Giảm chất thải
• Tái sử dụng vật liệu phế thải
• Tái chế và làm phân trộn
• Thu hồi năng lượng
• Chôn lấp có thu hồi năng lượng
• Chôn lấp

Vật liệu này được gọi là: “chất thải cơ sở tái chế vật liệu” (MRFR), đại diện cho một loại nhiên liệu thải thực sự còn sót lại không mâu thuẫn với các hoạt động tái chế vật liệu.

Một thiết bị đốt tầng sôi quy mô thí điểm được sử dụng để đốt sinh khối và MRFR trong các hỗn hợp với tỷ lệ khác nhau. Ảnh hưởng của phần chất thải MRFR đến phát thải khí ô nhiễm trong quá trình đốt cháy được nghiên cứu bằng cách sử dụng máy phân tích khí thải FTIR. Kỹ thuật phân tích cho thấy rằng việc bổ sung MRFR vào hỗn hợp nhiên liệu sẽ hạn chế phát thải một số chất ô nhiễm. Việc sử dụng vật liệu bị loại bỏ từ các cơ sở tái chế vật liệu cho thấy rằng khả năng chuyển hóa năng lượng của những chất thải đó là khả thi và có thể chấp nhận được sự thay đổi về thành phần của các loại nhiên liệu, thể hiện những hạn chế về địa lý và sự thay đổi theo mùa về khả năng cung cấp của những loại nhiên liệu này.

Các thông số điều khiển cho hoạt động của lò đốt gồm:

• Nhiệt độ: 850 ° C (Nhiệt độ tối thiểu bắt buộc đối với lò đốt sử dụng MSW làm nhiên liệu)
• Hàm lượng oxy trong chất khí thải <10% (để chỉ ra hiệu suất hoạt động)
• Thời lượng ít nhất hai giờ.
• Vật liệu tầng sôi bao gồm cát silica và đá vôi công nghiệp, tổng khối lượng lớn 22 kg
• Mức độ sôi được đo bằng cách sử dụng một micromanometer (mẫu MDG FC001, Furness Controls; Burgess UK) để theo dõi chênh lệch áp suất gây ra bởi chuyển động động của khí qua các hạt tầng sôi.

Các điều kiện vận hành đối với thiết bị đốt tầng sôi được tóm tắt trong bảng 1:

Bảng 1: Tóm tắt hoạt động của thiết bị đốt tầng sôi

• Giá trị trung vị được hiển thị cho dữ liệu nhiệt độ và chất khí thải trong thời gian đốt cháy ổn định.
• Các giá trị tương ứng cho toàn bộ thời gian đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu được ghi trong ngoặc đơn.
• Thời gian thử nghiệm đốt cháy khoảng ba giờ, ngoại trừ DDGS 100% (hai giờ) và DDGS-MRFR 90:10 (bốn giờ)

Trong nghiên cứu tập trung vào sự phát thải của hydro clorua, oxit nitơ và oxit lưu huỳnh từ quá trình đốt DDGS-MRFR trong lò đốt tầng sôi. Các biểu đồ sau (Hình 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 và 10) tóm tắt các phát thải cho phạm vi hỗn hợp nhiên liệu được nghiên cứu. Dữ liệu phát thải được trình bày tương ứng với các giai đoạn trong quá trình thử nghiệm đốt cháy khi điều kiện đốt cháy ổn định được duy trì. Hỗn hợp nhiên liệu của DDGS và MRFR bao gồm các phần DDGS sau đây, theo trọng lượng: 90%; 80%; 50%; 30%. Trong đó, đồ thị hiển thị nhiệt độ là thước đo nhiệt độ ‘trong giường’ của vật liệu tầng sôi trong thiết bị đốt tầng sôi. Đồ thị Hình 1 và 2 có giá trị trung vị được biểu thị bằng đường kẻ ngang đậm; phạm vi liên phân vị (chứa 50% tập dữ liệu) được biểu thị bằng vùng bên trong hộp; các đường ngang trên và dưới hộp phạm vi liên phần phân vị biểu thị các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất trong tập dữ liệu; ‘giá trị ngoại lai’ được biểu thị bằng ký hiệu hình tròn ( ○ ) và được xác định là mức dữ liệu lớn hơn và / hoặc nhỏ hơn 1,5 phạm vi liên phần.

Quá trình đốt vật liệu chất thải cần phải chú ý để đảm bảo đốt cháy hoàn toàn nhằm giảm thiểu phát thải khí ô nhiễm. Sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình đốt cháy nhiên liệu chất thải sinh khối và MRFR có thể là do các thành phần dễ bay hơi trong cả hai phần nhiên liệu được giải phóng một cách ngẫu nhiên khi nhiên liệu trộn với tầng sôi trong quá trình đốt cháy. Nhiên liệu được bốc cháy và cháy thường gần như ngay lập tức khi đi vào khu vực mạn khô.

Nhiệt độ có ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ phản ứng nói chung và trong trường hợp đốt cháy chất thải, khí thải có thể được tăng cường hoặc bị kìm hãm do sự tăng nhiệt độ đốt cháy.

Ví dụ, carbon monoxide là một loại trung gian và trong quá trình đốt cháy trong lò đốt tầng sôi có khả năng được hình thành trong các vùng cục bộ của vật liệu tầng sôi, nơi các điều kiện giàu nhiên liệu có thể xảy ra để ngăn chặn sự cháy hoàn toàn thành carbon dioxide do không đủ oxy. Tốc độ oxy hóa cacbon monoxit được xác định đáng kể bởi nhiệt độ; nhiệt độ cháy cao tạo thuận lợi cho quá trình oxy hóa hoàn toàn. Ngoài ra, sự sẵn có của các gốc tự do cũng là một yếu tố cho quá trình oxy hóa carbon monoxide và là một yếu tố phức tạp, bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của các chất thải ô nhiễm khác.

Để chứng minh tác động của các gốc tự do, sự phát thải carbon monoxide đã được chứng minh là có khả năng cao hơn khi có mặt hydro clorua, một hiệu ứng do xúc tác tái kết hợp các gốc tự do làm giảm sự sẵn có của các chất trung gian gốc tự do cho carbon.

Phản ứng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ đốt cháy; nhiệt độ cao làm giảm tác động của hydro clorua như một chất xúc tác để ngăn chặn quá trình oxy hóa của carbon monoxide. Nghiên cứu đã chỉ ra mối quan hệ ít rõ ràng hơn giữa nhiệt độ, hàm lượng hydro clorua và lượng khí thải carbon monoxide.

Hình 5 cho thấy lượng khí carbon monoxide phát thải cao nhất trong điều kiện đốt ở nhiệt độ cao và hàm lượng hydro clorua cao nhất.

Tuy nhiên, trong quá trình đốt cháy cả DDGS tinh khiết (Hình 3) và DDGS-MRFR (50:50, Hình 4) có một kiểu phát thải ngẫu nhiên; lượng khí thải carbon monoxide cao nhất xảy ra ở các nhiệt độ khác nhau. Lượng khí thải carbon monoxide cao hơn đáng kể đối với quá trình đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu 30% DDGS và có ý kiến ​​cho rằng điều này là do mức MRFR cao không có đủ thời gian cư trú trong vùng đốt để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu. Những quan sát này phù hợp với nhận định ở nhiệt độ thấp hơn, ảnh hưởng của hydro clorua có ý nghĩa hơn trong việc nâng cao mức carbon monoxide.

Do đó, lượng khí thải carbon monoxide không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, mà còn bị ảnh hưởng bởi hàm lượng clo trong nhiên liệu. Mặc dù không được đo lường, nhưng halogenua nhóm 17 cũng được đánh giá là có khả năng gây tác dụng tương tự nếu có trong nhiên liệu.

Sự nhạy cảm của phát thải carbon monoxide đối với sự sẵn có của các gốc tự do dẫn đến việc phát thải nitơ và ôxít lưu huỳnh. Bản thân sự hình thành các chất ô nhiễm này cũng được xác định bởi sự sẵn có của các gốc tự do và người ta khẳng định rằng sự khử lưu huỳnh của các gốc tự do như nguyên tử oxy làm giảm tốc độ phản ứng tạo thành NO_x.

Do đó, cạnh tranh của các gốc tự do được kỳ vọng sẽ thúc đẩy quá trình để đạt được quá trình oxy hóa hoàn toàn thể hiện dưới dạng tương tác liên quan giữa nồng độ của các oxit cacbon, nitơ và lưu huỳnh. Trong quá trình đốt cháy 30% DDGS, 70% MRFR, phát thải khí carbon monoxide khi nitric oxide và sulfur dioxide ở mức cao nhất (Hình 8).

Việc sử dụng các chất phụ gia trong tầng sôi có tác động trực tiếp đến sự phát thải sulfur dioxide và cũng có tác động gián tiếp đến các chất ô nhiễm khác. Đá vôi được sử dụng trong nghiên cứu để ức chế sự kết tụ của vật liệu tầng sôi với tro nhiên liệu.

Đá vôi phản ứng với lưu huỳnh trong nhiên liệu để ngăn chặn sự phát thải lưu huỳnh đioxit trong một loạt các phản ứng sau:

SO2+12O2→SO3SO2+12O2→SO3 (1)

CaCO3→CaO+CO2CaCO3→CaO+CO2 (2)

CaO+SO3→CaSO4CaO+SO3→CaSO4 (3)

CaO+SO2+12O2→CaSO4CaO+SO2+12O2→CaSO4 (4)

CaCO3+SO2+12O2→CaSO4+CO2CaCO3+SO2+12O2→CaSO4+CO2 (5)

Sự hấp thụ lưu huỳnh đioxit được biểu thị bằng phản ứng sunfat hóa đá vôi tổng thể (phương trình 5), quá trình phản ứng xảy ra trong điều kiện lò đốt tầng sôi điển hình.

Thay vào đó, sự hấp thụ lưu huỳnh điôxít xảy ra qua quá trình nung đá vôi (tức là phương trình 2 tiếp theo là phương trình 4 ), trong khi phản ứng với lưu huỳnh trioxit (phương trình 3) được xúc tác bởi sự hiện diện của các muối kim loại nặng có nhiều khả năng bắt nguồn từ thành phần hỗn hợp nhiên liệu MRFR.

Ngoài việc kiểm soát lưu huỳnh, việc tạo ra vôi (phương trình 2) có tác động đến sự phát thải hydro clorua. Một lý do thứ yếu cho việc sử dụng đá vôi trong tầng sôi là việc loại bỏ hydro clorua dự kiến:

CaO+2HCl ↔CaCl2+H2OCaO+2HCl↔CaCl2+H2O (6)

Phản ứng giữa vôi và hydro clorua ở điểm nóng chảy của clorua canxi (772 °C) xảy ra trong các khu vực khác nhau của lò đốt tạo ra các cặn canxi clorua trong các vùng mát hơn của lò đốt.

Tuy nhiên, sự cạnh tranh giữa clorua và lưu huỳnh để phản ứng với đá vôi (phương trình 3, 4 và 6); động học phản ứng; và tính ổn định nhiệt của cặn canxi clorua là các yếu tố bổ sung cần xem xét. Hệ quả của phương trình 6 là đá vôi không hoàn toàn có hiệu quả trong việc loại bỏ hydro clorua mà chúng tham gia vào các phản ứng tiêu thụ hydro clorua.

Sự khác nhau về thay đổi lượng khí thải với các phần chất thải sinh khối trong hỗn hợp nhiên liệu được tóm tắt trong Hình 1 và Hình 2.

Điều đáng ngạc nhiên là sự phát thải của oxit nitric và sulfur dioxide khi phần chất thải được thêm vào sinh khối giảm đi. Đối với việc đốt nhiên liệu sinh khối bằng lò đốt tầng sôi, nguồn phát thải oxit nitric chủ yếu là do hàm lượng nitơ trong nhiên liệu; điều này trái ngược với sự phát thải oxit nitric ‘nhiệt’ trong quá trình đốt than được thực hiện bình thường ở nhiệt độ cao hơn. Hàm lượng nitơ tương đối cao trong DDGS; phân tích trong phòng thí nghiệm cho thấy hàm lượng DDGS chiếm gần 5% trọng lượng (Bảng 2).

Điều này so với hàm lượng nitơ điển hình cho một nhiên liệu sinh khối khác như lúa mì là 1,5% và là nguyên nhân dẫn đến phát thải NO _x tương đối cao hơn với DDGS. Khi xem xét các tương tác giữa oxit nitric và lưu huỳnh đioxit, sự cạnh tranh về các gốc tự do giữa hai chất ô nhiễm này xuất hiện rõ ràng nhất khi có mặt của hydro clorua và cacbon monoxit (Hình 9 và 10).

Sự cạnh tranh động học này, đặc biệt là với sự có mặt của hydro clorua sẽ giải thích tại sao sự phát thải lưu huỳnh đioxit bị ngăn chặn. Cách xử lý chính đối với sulfur dioxide là canxi cacbonat, cơ chế của chúng được mô tả trước đó (phương trình 1-5).

Bảng 2 Thành phần của DDGS dạng viên, kích thước đường kính 6-8 mm, dài 30 mm

Kết luận

Phân tích khí đốt chất thải sinh khối với chất thải không thể tái chế cho thấy có thể đạt được quá trình đốt cháy ổn định và từ đó có thể giảm thiểu phát thải khí ô nhiễm kết hợp với thiết bị kiểm soát ô nhiễm không khí bắt buộc.

Có sự giảm phát thải oxit nitric và lưu huỳnh đioxit khi phần sinh khối được thay thế cho phần chất thải trong quá trình đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu. Một lời giải thích cho hiện tượng này là sự cạnh tranh của các chất trung gian gốc tự do để ngăn cản sự hình thành oxit nitric, với sự tác động của sulfur dioxide, sau đó được đá vôi chuyển một phần thành canxi sunphat. Quá trình oxy hóa carbon monoxide phụ thuộc đáng kể vào nhiệt độ đốt cháy chất thải.

Bộ dữ liệu phát thải khí từ một loạt các hỗn hợp nhiên liệu và các điều kiện vận hành của lò đốt tầng sôi đã được tạo ra trong nghiên cứu. Dự kiến ​​rằng những mối quan hệ phức tạp này có thể tạo cơ sở cho các hoạt động mô hình hóa trong tương lai.

Tóm lại, đốt đồng thời tầng sôi là một kỹ thuật thích hợp để khai thác sinh khối và tài nguyên chất thải rắn đô thị mà không cần sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Việc bổ sung chất thải rắn đô thị – lý tưởng là phần chất thải không thể tái chế như một phần của chương trình quản lý chất thải bền vững – vào quá trình đốt sinh chất thải khối có tác dụng giảm phát thải một số chất ô nhiễm dạng khí.

Thực nghiệm

Thiết kế lò đốt tầng sôi

Thiết bị đốt tầng sôi (Hình 11) dựa trên thiết kế tầng sôi sủi bọt, trong đó không khí nóng có vận tốc đủ lớn (trong thiết bị này, khoảng 0,7 ms ^-1 đối với không khí đầu vào ở 500 ° C) được bơm vào lớp hạt trơ (ví dụ như cát) để làm cho hạt chuyển động tương tự như một chất lỏng nhớt.

Sơ đồ sau đây cho thấy các tính năng của lò đốt được sử dụng cho thí nghiệm này. Vùng đốt có dạng hình khối, các cạnh dài 300 mm, cao khoảng 1600 mm. Lưới phân phối không khí tầng sôi bao gồm chín vòi phun, mỗi vòi có 12 lỗ. Các vòi phun được sắp xếp thành ba hàng tuyến tính.

Nguồn cấp nhiên liệu thuộc loại trục vít Archimedes, chủ yếu có thể chịu được nhiên liệu dạng viên và vụn nhiên liệu có kích thước hạt nhỏ hơn 40 mm. Phân tích khí được thực hiện bằng máy phân tích chất khí thải FTIR (Protir 204 M, Protea, Crewe UK).

Đối với việc xử lí các  thải và khí thải trước khi được cho ra môi trường, Dr.Air có những sản phẩm mang đến các giải phá xử lí chất thải bụi, khí trong quá trình sản xuất công nghiệp, dân dụng. Nếu bạn có nhu cầu liên hệ hotline 1900.4790 hoặc tham khảo các sản phẩm trên website.