Tiểu luận Khí hóa Plasma Chất thải rắn đô thị | TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN – ĐHQG TP.HCM | KHOA MÔI TRƯỜNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN – ĐHQG TP.HCM
KHOA MƠI TRƯỜNG

MƠN: KỸ THUẬT XỬ LÍ CHẤT THẢI RẮN
GVHD
NHĨM THỰC HIỆN
LỚP

T.S Dương Hữu Huy
8
18CMT

Đề tài: Khí hóa plasma
Chất thải rắn đơ thị (MSW)

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2021

Mục

lục:


1.
2.
3.

5.
6.
7.

Giới thiệu plasma

Đặc điểm của quy trình plasma để xử lý chất thải rắn
Đặc điểm của quá trình plasma để khí hóa CTRSH
4. Tình trạng hoạt động của nhà máy khí hóa plasma quy mơ 10 TPD để xử lý
CTRSH
Các thơng số thiết kế cho nhà máy khí hóa plasma quy mô 100 TPD
Đánh giá kinh tế của nhà máy khí hóa plasma
Kết luận

1. Giới thiệu plasma
Plasma được định nghĩa là một chất khí bán chuẩn gồm các hạt mang điện và trung tính thể
hiện hành vi tập thể [3]. Plasma có thể được phân loại thành các plasmas khơng nhiệt và nhiệt theo
mức độ ion hóa và sự chênh lệch nhiệt độ giữa các loại nặng hạt và electron [4, 5]. Plasma nhiệt có
thể được đặc trưng bởi sự bằng nhau gần đúng giữa nhiệt độ hạt nặng và electron và có nhiều ưu
điểm bao gồm nhiệt độ cao và mật độ năng lượng cao [6]. Plasma nhiệt được tạo ra bằng điện có
thể đạt nhiệt độ ~ 10.000 oC hoặc hơn, trong khi chỉ có thể đạt được giới hạn nhiệt độ trên 2.000
oC bằng cách đốt nhiên liệu hóa thạch [7]. Vì lý do này, plasma nhiệt thường được sử dụng trong
các quá trình nhiệt độ cao và entanpi lớn [8-11]. Công nghệ plasma nhiệt đã được áp dụng trong
các ứng dụng công nghiệp khác nhau như cắt, hàn, phun, luyện kim, quang phổ khối, tổng hợp hạt
kích thước nano, hình cầu bột và xử lý chất thải. Plasma nhiệt quy trình cũng được coi là một giải
pháp thay thế khả thi để xử lý các chất thải có độc tính cao, chẳng hạn như dư lượng kiểm sốt ơ
nhiễm khơng khí (APC), chất thải phóng xạ và y tế [16-25]. Nó cũng đã được chứng minh rằng
q trình plasma nhiệt thân thiện với mơi trường, chỉ sản xuất xỉ trơ và các chất ô nhiễm không khí
tối thiểu phù hợp với các quy định của khu vực. Quá trình plasma nhiệt sử dụng nhiệt độ cực cao
trong điều kiện khơng có hoặc gần như khơng có O2 để xử lý CTRSH có chứa chất hữu cơ và các
vật liệu khác. MSW được phân ly thành các nguyên tố hóa học cấu thành của nó, chuyển hóa
thành các vật liệu khác, một số là sản phẩm có giá trị. Các thành phần hữu cơ là chuyển hóa thành
khí tổng hợp, thành phần chủ yếu gồm H2 và CO và các thành phần vô cơ được thủy tinh hóa
thành xỉ trơ như thủy tinh.

các nhà máy plasma để thu hồi H2 có độ tinh khiết cao (> 99,99%) từ chất thải nhà
máy giấy ở 3 TPD (tấn / ngày) và khí hóa MSW ở 10 TPD [26, 27]. Để thu hồi H2 có độ
tinh khiết cao, các khí thải ra từ lị khí hóa được trang bị ngọn đuốc plasma khơng truyền
nhiệt được làm sạch bằng cách sử dụng bộ lọc túi và máy chà ướt. Sau đó, các khí, có
chứa khí tổng hợp, được đưa vào hệ thống thu hồi H2, bao gồm phần lớn là đơn vị dịch
chuyển khí nước (WGS) để chuyển CO thành H2 và đơn vị hấp phụ xoay áp (PSA) để
tách và làm sạch H2. Nó đã được chứng minh thành cơng rằng q trình plasma để khí
hóa chất thải rắn, kết hợp với WGS và PSA, tạo ra H2 có độ tinh khiết cao (20 Nm3 / giờ
(400 H2-Nm3 / tấn), lên đến 99,99%) bằng cách sử dụng đèn pin plasma đã sử dụng 1,6
MWh / tấn điện. Để xử lý CTRSH, xử lý trực tiếp chất thải rắn đô thị (MSW) với công
suất 10 TPD, sử dụng một lị tích hợp được trang bị hai ngọn đuốc plasma khơng truyền
nhiệt. q trình plasma nhiệt chuyển đổi MSW thành xỉ vô hại, với mức độ phát thải khí ơ
nhiễm mơi trường và khí tổng hợp thấp hơn nhiều (287 Nm3 / tấn đối với H2 và 395
Nm3 / tấn đối với CO), sử dụng 1,14 MWh / tấn điện (ngọn đuốc plasma nhiệt (0,817
MWh / tấn) + tiện ích (0,322 MWh / tấn)) và 7,37 Nm3 / tấn khí hóa lỏng (LPG).
Vd: Một nhà máy như vậy hiện đang hoạt động ở Cheongsong, Hàn Quốc. Dữ liệu
trị giá 3,5 năm thu được từ nhà máy này đã cho chúng tơi cái nhìn sâu sắc về tính kinh tế
và các thông số thiết kế để mở rộng cơng suất lên 100 TPD.

2. Đặc điểm của quy trình plasma để xử lý chất thải rắn
plasma mang lại những ưu điểm sau; (1) mật độ và nhiệt độ năng lượng cao, và thời
gian phản ứng nhanh tương ứng, mang lại tiềm năng cho một thông lượng lớn với một lò
nhỏ. (2) Mật độ dòng nhiệt cao ở ranh giới lị dẫn đến nhanh chóng đạt được điều kiện
trạng thái ổn định. Điều này cho phép thời gian khởi động và tắt máy nhanh chóng so với
các phương pháp xử lý nhiệt khác như đốt rác. (3) Chỉ cần một lượng nhỏ chất oxy hóa
để tạo khí tổng hợp, do đó, thể tích khí tạo ra nhỏ hơn nhiều so với các q trình đốt cháy
thơng thường và do đó dễ dàng hơn và ít tốn kém hơn để quản lý. Những đặc điểm này
làm cho quá trình plasma trở thành một giải pháp thay thế lý tưởng cho các phương pháp
thông thường xử lý chất thải rắn

Có ba loại quy trình bên trong lị plasma để xử lý chất thải rắn. Đầu tiên là nhiệt
phân (không có O2) chất thải ở thể khí, lỏng và rắn trong lị plasma với ngọn đuốc
plasma. Thứ hai là khí hóa (thiếu O2) chất thải rắn có chứa các hợp chất hữu cơ để tạo ra
khí tổng hợp (H2 + CO). Cuối cùng là thủy tinh hóa chất thải rắn bằng ngọn đuốc plasma
hồ quang chuyển, không chuyển hoặc lai theo độ dẫn điện của chất nền.
Q trình khí hóa là một q trình cơng nghiệp cũ sử dụng nhiệt trong môi trường
thiếu O2 để phân hủy các vật liệu gốc cacbon thành khí nhiên liệu. Q trình khí hóa
tương tự như đốt trong khơng khí bị bỏ đói vì O2 được kiểm soát chặt chẽ và hạn chế để
nguyên liệu nạp khơng được phép bị đốt cháy hồn tồn khi áp dụng nhiệt. Thay vì đốt
cháy, các nguyên liệu thơ sẽ trải qua q trình nhiệt phân, tạo ra than và hắc ín. Than và
hắc ín được chia thành khí tổng hợp, chủ yếu bao gồm H2 và CO, q trình khí hóa vẫn
tiếp tục. Phản ứng khí hóa tồn cục được viết như sau; chất thải được mơ tả bằng phân
tích cuối cùng của nó (CHxOy) [28]:
CHxOy + wH2O + mO2 + 3.76mN2 → aH2 + bCO + cCO2 + dH2O + eCH4 + fN2
+ gC (1)
Nồng độ của mỗi khí đã được quyết định tùy thuộc vào lượng O2, H2O được đưa
vào và entanpi nhiệt plasma đầu vào. Các phản ứng chính chi tiết như sau [28, 29]:
CH4 + H2O → CO + 3H2 (CH4 decomposition-endothermic) (2)
CO + H2O → CO2 + H2 (water gas shift reaction-exthermic) (3)
C + H2O → CO + H2 (Heterogeneous water gas shift reaction-endothermic) (4)
C+CO2 → 2CO (Boudouard equilibrium-endothermic) (5)
2C + O2 → CO (6)
H2 và CO được tạo ra trong quá trình khí hóa có thể là nguồn nhiên liệu.
Một hệ thống plasma điển hình để xử lý chất thải rắn bao gồm (a) lò plasma, với
kim loại và bộ phận thu gom xỉ ở đáy được khai thác định kỳ và đúc thành một số dạng
có thể sử dụng được và cung cấp năng lượng, nguồn cung cấp nước làm mát, nguồn cung

cấp khí đốt, thiết bị điều khiển và thu thập dữ liệu; (b) buồng đốt thứ cấp để có đủ thời
gian lưu trú ở nhiệt độ cao để đảm bảo các phản ứng hồn tồn và q trình khí hóa muội
than; buồng đốt thứ cấp này có thể được bắn bằng đầu đốt hoặc bằng ngọn đuốc plasma
không truyền công suất thấp; (c) tùy thuộc vào chất thải, một buồng làm nguội (thường là
nước làm nguội) để tránh hình thành dioxin và furan; (d) xyclon hoặc nhà bao để loại bỏ
các hạt; (e) máy lọc để loại bỏ khí có tính axit; (f) nếu cần thiết bị hấp thụ hydro sunfua;
(g) bộ lọc hoặc bộ lọc hiệu quả cao để loại bỏ các hạt nhỏ; (h) bộ lọc than hoạt tính để
loại bỏ kim loại nặng; (i) cuối cùng là một quạt để tạo ra áp suất dưới khí quyển trong
tồn bộ.
Lị khí hóa được trang bị máy phát plasma nhiệt. Plasma hồ quang dòng điện một
chiều (DC) chủ yếu được sử dụng để xử lý CTRSH. Nó đã tạo ra thơng qua máy phát
plasma hình ngọn đuốc. Ngọn đuốc plasma tạo ra và duy trì một phần tử dẫn điện ở dạng
khí (plasma) và sử dụng điện trở của plasma để chuyển đổi điện năng thành nhiệt năng. ].
Trong plasma hồ quang DC, trạng thái plasma được duy trì giữa hai điện cực của ngọn
đuốc plasma bằng tính năng ổn định điện và cơ học được tích hợp trong phần cứng của
ngọn đuốc plasma. Cần có hai điểm gắn hồ quang để tạo ra cột plasma: một điểm gắn ở
mặt phân cách rắn-khí ở điện cực catốt và một điểm khác ở mặt phân cách khí-rắn ở điện
cực anot [34]. Các điện cực được ngăn cách bởi một chất cách điện để bảo toàn sự chênh
lệch điện thế giữa chúng. Nhiệt độ rất cao gặp phải tại các điểm gắn của plasma vượt quá
nhiệt độ nóng chảy của bất kỳ vật liệu điện cực nào. Do đó, sự hóa hơi của vật liệu điện
cực tại các điểm gắn được chấp nhận và việc làm mát bằng nước được sử dụng để giảm
thiểu tốc độ hóa hơi của vật liệu điện cực nhằm tăng tuổi thọ của điện cực. Đuốc plasma
hồ quang có thể được phân loại là cực âm loại que và loại giếng theo hình học điện cực
[35]. Ngọn đuốc plasma nhiệt cũng có thể được chia thành các loại truyền và không
truyền tùy thuộc vào việc hồ quang có gắn trực tiếp vào chất nền hay khơng. Có thể đạt
được các đặc tính plasma nhiệt được điều chỉnh như mức cơng suất đầu vào, thể tích
ngọn lửa plasma, trường nhiệt độ, phân bố vận tốc và thành phần hóa học cho từng ứng
dụng

Lị khí hóa plasma là một loại trục đứng thường được sử dụng trong ngành công
nghiệp đúc để nấu chảy lại sắt thép phế liệu. Chất thải rắn đã được bơm vào trên cùng của
lị. Lị được lót bên trong bằng vật liệu chịu lửa thích hợp để chịu được nhiệt độ cao bên
trong và các điều kiện vận hành ăn mòn bên trong lò. Các ngọn đuốc plasma được lắp
vào đáy lò để tăng cường làm tan các vật liệu vơ cơ có trong chất thải rắn. Kích thước sơ
bộ của lị khí hóa plasma tiêu chuẩn, ví dụ AlterNRG là đường kính ngồi 9,7 m tại điểm
rộng nhất và chiều cao tổng thể 19 m [36]. Gần đây, Solenagroup đã thiết kế một khái
niệm lò mới với khu vực đầy đủ (thời gian lưu trú ~ 2 giây) [37], là một buồng đốt thứ
cấp cho phép có đủ thời gian cư trú ở nhiệt độ cao để đảm bảo các phản ứng hồn tồn và
khí hóa muội than. Chất thải rắn được bơm vào thành lò. Trong cả hai lò của AlterNRG
và Solenagroup, than cốc được thêm vào cùng với chất thải rắn, được tiêu thụ trong lò với
tỷ lệ thấp hơn nhiều so với vật liệu thải do khả năng phản ứng thấp và tạo thành lớp mà
MSW rơi xuống và nhanh chóng được khí hóa. Lớp than cốc cũng cung cấp các khoảng
trống cho dòng chảy, xỉ và kim loại nóng chảy chảy xuống khi khí đi lên. Than cốc cũng
phản ứng với O2 đi vào để cung cấp nhiệt cho q trình khí hóa ngun liệu cấp. Vai trị
của nó tương tự như vai trị của than cốc trong lò cao của nhà máy luyện thép.
Quá trình tiền xử lý thường bao gồm các đơn vị phân loại và nghiền giống như một
cơ sở đốt thông thường. MSW đã được xử lý trước được đưa vào lị khí hóa được trang bị
plasmatorches nhiệt. Đơi khi, đầu đốt LPG được lắp đặt để tăng nhiệt độ ban đầu và bổ
sung nhiệt khi nhiệt trị của chất thải rắn không đủ. Than cốc cũng là một phụ liệu tốt để
sưởi ấm như đã nói ở trên. Nhiệt độ khí trong lị plasma nhiệt rất cao (> 1.200 oC), do đó
nhiệt độ của khí thải ra từ lị plasma nhiệt phải giảm. Nói chung, một bộ trao đổi nhiệt
được lắp đặt phía sau lị plasma nhiệt để thu hồi nhiệt từ khí. Nhiệt thu hồi cũng có thể
được sử dụng như một nguồn năng lượng bằng cách sử dụng tuabin hơi nước. Các khí
được làm mát đi qua bộ trao đổi nhiệt phải được lọc sạch để tạo ra khí tổng hợp sạch.
Một ưu điểm trong việc sử dụng khí hóa plasma nhiệt là q trình loại bỏ NOx như khử
không xúc tác chọn lọc và khử xúc tác chọn lọc là khơng cần thiết vì khí hóa plasma
nhiệt khơng phát ra NOx do bên trong lị plasma bị đói O2.

Sau khi kiểm sốt ơ nhiễm khơng khí, khí tổng hợp (H2 và CO) tinh khiết có thể
được sử dụng như một nguồn năng lượng. Đầu tiên, điện có thể được tạo ra bằng hơi
nước và / hoặc tuabin khí. Đối với sản xuất điện bằng tuabin hơi, khí tổng hợp chỉ được
đốt cháy, tạo ra hơi nước được bơm vào để tạo ra điện từ khí tổng hợp mặc dù các thiết bị
bổ sung như máy lọc khí và máy nén khí tổng hợp là cần thiết. Thứ hai, các hóa chất có
giá trị cao có thể được sản xuất từ khí tổng hợp bằng sự kết hợp của các q trình hóa
học. CH4 có thể được tạo ra bằng quy trình methanat, và sáp hóa học cũng có thể được
tạo ra bằng quy trình Fischer-Tropsch. Nó cũng có thể tạo ra H2 có độ tinh khiết cao, có
thể được sử dụng làm nguyên liệu thô trong pin nhiên liệu để tạo ra điện. Nhưng chưa
được áp dụng.
Có một số ứng dụng của các thiết bị plasma nhiệt thương mại để xử lý chất thải rắn
khác nhau ở EU, Hoa Kỳ và Châu Á (Bảng 1). Đặc biệt, Nhật Bản và EU đã xây dựng
nhiều nhà máy chế biến nhiệt plasma; trong đó lớn nhất nằm ở Utashinai, Nhật Bản có
cơng suất 300 TPD để xử lý MSW và ASR (cặn máy hủy tự động). Một số công ty lớn
sản xuất đèn pin plasma nhiệt (Westinghouse, Europlasma, Phoenix và Tetronics).
Westinghouse đã cung cấp ngọn đuốc plasma nhiệt tối đa 2,4 MW có tuổi thọ khoảng
1.500 giờ [38]. Europlasma đã phát triển một ngọn đuốc truyền tối đa 4,0 MW, cũng có
tuổi thọ 1.500 giờ [40]. Phoenix đã phát triển các ngọn đuốc plasma nhiệt chuyển, khơng
chuyển và có thể chuyển đổi với công suất tối đa 3 MW và tuổi thọ khoảng 2.300 giờ
[41]. Tetronics đã phát triển các ngọn đuốc truyền, khơng chuyển và đơi có tuổi thọ
khoảng 1.000 giờ [42]. Ngoài ra, nhiều nhà cung cấp cũng đã phân phối rộng rãi (đặc biệt
là Bắc Mỹ và EU) cho các phương pháp xử lý vật liệu khác nhau sử dụng plasma nhiệt
(Bảng 2) [43]. Những phát hiện này khiến chúng tôi tin rằng công nghệ plasma nhiệt để
xử lý chất thải rắn là công nghệ đã được thành lập tốt và có thể sử dụng ngay để giải
quyết các vấn đề về xử lý chất thải.

3. Đặc điểm của q trình plasma để khí hóa CTRSH
Đốt là vai trò quan trọng trong hệ thống quản lý CTRSH tích hợp: có thể (1) giảm
khối lượng chất thải, do đó bảo tồn khơng gian bãi chơn lấp, (2) cho phép thu hồi năng

lượng từ CTRSH, (3) cho phép thu hồi các khoáng chất từ chất thải rắn mà sau đó có thể
được tái sử dụng hoặc tái chế, (4) tiêu hủy một số chất gây ơ nhiễm có thể có trong dịng
chất thải, và (5) giảm nhu cầu “vận chuyển lâu dài” chất thải.
Việc thu hồi năng lượng để tạo ra điện từ nhiệt thu hồi hoặc tạo ra nước nóng hoặc
hơi nước để sử dụng cho các ứng dụng sưởi ấm công nghiệp, thương mại hoặc khu dân
cư dựa vào cộng đồng .
Khi đốt cháy hợp chất giả định này với khơng khí:
C6H10O4 + 6.5O2 + (24.5N2) → 6CO2 + 5H2O + (24.5N2) ∆H=-6.5 MWh /ton
(7)
Cơng nghệ plasma có thể tạo ra nhiệt độ cực cao khi khơng có hoặc gần như khơng
có O2, với MSW có chứa chất hữu cơ và các vật liệu khác. Các chất hữu cơ được chuyển
hóa thành khí tổng hợp và các vật liệu khác được phân ly thành các nguyên tố hóa học
cấu thành, sau đó được thu thập và thủy tinh hóa để tạo ra một loại xỉ trơ như thủy tinh;
hầu hết các kim loại nặng và kiềm (ngoại trừ thủy ngân, kẽm và chì, có thể hóa hơi ở
nhiệt độ cao và được giữ lại trong tro bay và khí tổng hợp) được giữ lại trong xỉ thủy tinh
hóa. Xỉ thủy tinh hóa thu được sau khi làm nguội có thể được sử dụng làm vật liệu xây
dựng. Phản ứng khí hóa đơn giản của MSW sử dụng plasma nhiệt có thể được biểu diễn
như sau [44]:
C6H10O4 + 3O2 → 3CO + 3CO2 + 4H2 + H2O ∆H=-1.3 MWh/ton (8)
Sản phẩm chính của q trình khí hóa plasma của MSW là khí tổng hợp có giá trị
nhiệt từ thấp đến trung bình bao gồm CO và H2 như thể hiện trong phương trình (8). Khí
này có thể được đốt cháy để tạo ra nhiệt và hơi nước, hoặc được làm sạch và lọc hóa học
để loại bỏ các tạp chất trước khi chuyển đổi thành các nhiên liệu lỏng khác nhau hoặc các
hóa chất cơng nghiệp. Syngas cháy theo các phương trình sau [44]:
3CO + 4H2 + 3.5O2 → 3CO2 + 4H2O ∆H=-1.5 MWh/ton (9)
Đôi khi, hơi nước đã được bơm MSW vào lị khí hóa plasma để tăng hiệu suất năng
lượng và sản lượng khí tổng hợp theo phương trình (1) - (4).

So sánh lò đốt và plasma: Bảng 3 cho thấy sự khác biệt quan trọng được đề cập ở
trên giữa q trình đốt và khí hóa plasma nhiệt. Các yếu tố khác biệt chính giữa chúng là
lượng O2 thêm vào và nhiệt độ bên trong lò. Lò đốt được thiết kế để tối đa hóa CO2 và
H2O, cho thấy quá trình đốt cháy hồn tồn, tuy nhiên hệ thống xử lý plasma nhiệt được
thiết kế để tối đa hóa CO và H2, cho thấy q trình đốt cháy khơng hồn tồn. Sự cháy
hồn tồn và khơng hồn tồn này đã được kiểm soát bằng cách sử dụng lượng O2 bổ
sung. Lị đốt thêm một lượng lớn khơng khí dư thừa, nhưng hệ thống xử lý plasma nhiệt
bổ sung một lượng O2 hạn chế. Do đó, bên trong lị đốt là mơi trường oxy hóa, tạo ra
NOx và SOx, nhưng bên trong q trình plasma nhiệt là mơi trường khử, cấm tạo NOx và
SOx. Nhiệt độ của lò đốt là khoảng 800 oC, dưới nhiệt độ nóng chảy của tro. Điều này
làm cho các vật chất vơ cơ có trong CTRSH chuyển hóa thành tro bụi dưới đáy và bay
lên. Tuy nhiên, nhiệt độ của quá trình plasma nhiệt là khoảng 1.400 oC, cao hơn nhiệt độ
nóng chảy của tro. Điều này làm cho các vật liệu vơ cơ có trong CTRSH chuyển thành xỉ
thủy tinh hóa có thể được sử dụng như một nguồn vật liệu xây dựng.

4. Tình trạng hoạt động của nhà máy khí hóa plasma quy mơ 10 TPD để
xử lý CTRSH
Ví dụ; Một nhà máy plasma nhiệt công suất 10 TPD để xử lý CTRSH được đặt tại
Cheongsong, Hàn Quốc. Dân số địa phương là 30.000 tạo ra 15 TPD MSW. Đặc điểm
của CTRSH được trình bày trong Bảng 4 [27]. Nhà máy plasma nhiệt được khởi công
xây dựng vào đầu năm 2008 và tối ưu hóa trong 6 tháng bắt đầu từ tháng 9 năm 2008.
Nhà máy tiếp tục hoạt động bình thường trong hơn 3,5 năm mà khơng gặp bất kỳ sự cố
nào.
Lị tích hợp, được trang bị hai ngọn đuốc plasma nhiệt không truyền nhiệt, là thiết bị
trung tâm nơi diễn ra quá trình khí hóa. Áp suất vận hành của lị tích hợp được duy trì ở
áp suất đo -10 mmAq (Hình 5 (a)); Sự gia tăng áp suất sau tháng 11 là do việc sửa đổi các
điều kiện hoạt động cho sự kết hợp của quá trình plasma nhiệt với pin nhiên liệu. Lị tích
hợp bao gồm lị, hai ngọn đuốc plasma nhiệt khơng truyền nhiệt, một đầu đốt làm nóng
sơ bộ sử dụng khí hóa lỏng (LPG), một hệ thống cấp MSW, một đầu ra cho xỉ nóng chảy

và một cổng phun khí nóng. Vai trị của đầu đốt làm nóng sơ bộ là làm nóng trước lị tích
hợp (lên đến 600 ° C trong 12 giờ đầu tiên). Nhiệt độ bên trong lị tích hợp và lị đốt khí
tổng hợp được duy trì lần lượt ở 1.400 và 880 oC (Hình 5 (b)). Ban đầu MSW bị oxy hóa
một phần bằng cách phun khơng khí nóng (600 ° C, 700 Nm3 / giờ), khí này được lấy từ
bộ làm nóng sơ bộ khơng khí / bộ làm mát khí, và sau đó được làm tan chảy bởi các ngọn
đuốc plasma. Q trình oxy hóa MSW này có thể làm giảm năng lượng điện được sử
dụng cho các ngọn đuốc plasma nhiệt. Xỉ nóng chảy được khai thác vào bể chứa nước từ
một lỗ nằm ở dưới cùng của lị. Xỉ nóng chảy này được làm nguội bằng nước để tạo ra xỉ
dạng hạt, được loại bỏ bằng cách sử dụng băng tải xỉ. Hai ngọn đuốc plasma khơng
truyền nhiệt được lắp vào lị tích hợp (Hình 6) ở góc 30 ° để tạo ra lực ly tâm trong lị.
Hình ảnh của các ngọn đuốc nhiệt và hình ảnh bên trong của ngọn đuốc plasma được thể
hiện trong Hình 7. Cơng suất nguồn của mỗi ngọn đuốc plasma là 200 kW, với điện áp
hoạt động và dòng điện lần lượt là 571 ± 30 V và 293 ± 10 A ( Hình 5 (c)). Hiệu suất của
ngọn đuốc plasma là khoảng 70% và tuổi thọ của điện cực là khoảng 500 giờ. Khơng khí
(500 L / phút, ở 490 kPa) được cung cấp cho các ngọn đuốc plasma nhiệt bằng máy nén.
Khí được tạo ra trong lị tích hợp (1.400 ° C) đi vào bộ tạo hơi nước, nơi có nhiệt độ
được làm mát đến 180 ° C. Hơi nước được tạo ra với tốc độ 1,2 tấn / giờ, sau đó được
bơm vào bình ngưng hơi và tuần hoàn lại bộ tạo hơi. Hệ thống làm sạch khí loại bỏ khí có
tính axit trước khi khí đi vào buồng đốt khí tổng hợp. Vì mục đích này, máy làm nguội
nước và máy chà sàn được lắp đặt nối tiếp. Bộ lọc nước và bộ lọc được đặt ở đầu ra của
bộ trao đổi nhiệt. Vai trò của chất làm nguội khí là làm lạnh khí đến 30 ° C bằng dung
dịch NaOH (40%). Mặc dù các khí có tính axit cịn lại cũng được loại bỏ một phần bởi
thiết bị làm dịu nước, nhưng hầu như tất cả các khí có tính axit đều được loại bỏ trong
máy lọc. Dung dịch tẩy rửa được kiểm soát ở pH 9,0, và được tuần hồn lại. Một buồng
đốt khí tổng hợp được lắp đặt để đốt cháy khí H2 và CO thải ra. Khơng khí lấy ra từ kho
chứa MSW được bổ sung vào buồng để đốt cháy hoàn tồn H2 và CO bằng vịi đốt LPG,
sử dụng 4,76 Nm3 / tấn LPG. Nhiệt độ của buồng đốt khí tổng hợp được duy trì gần 900
°C

Các sản phẩm phụ dạng rắn bắt nguồn từ lò liên hợp dưới dạng xỉ (75,8 kg / tấn
(7,8% đối với MSW đầu vào)) (Hình 8), các sản phẩm phụ dạng lỏng là từ hệ thống xử lý
nước thải (0,43 Nm3 / tấn), và các sản phẩm phụ dạng khí là từ khí hóa MSW và đốt khí
tổng hợp.
Thành phần của tro xỉ được phân tích và cho thấy có SiO2, Al2O3, CaO, Fe2O3,
Na2O và MgO là các thành phần chính, với tổng tỷ lệ phần trăm là 97%. Tỷ lệ trọng
lượng của MSW đầu vào trở thành tro xỉ là 7,58%. Ngoài ra, tỷ lệ giảm khối lượng
CTRSH thành xỉ lên đến 99% (tỷ trọng CTRSH: 0,09 tấn / m3, xỉ: 2,6 tấn / m3). Kết quả
này chỉ ra rằng việc xử lý CTRSH bằng quy trình plasma có thể làm giảm đáng kể khối
lượng CTRSH. Quy trình lọc rửa đặc tính độc tính được thực hiện trên ba mẫu xỉ. Khơng
có kim loại nặng nào được rửa giải khỏi xỉ (Bảng 5).
Không gây độc hại. Chất lỏng thải được xử lí và tái chế qua máy lọc nước. Khí thải
( bảng 5, 6) thân thiện với mơi trường.

5. Các thơng số thiết kế cho nhà máy khí hóa plasma quy mơ 100 TPD
Người ta coi CTRSH có 3.300 kcal / kg gia nhiệt giá trị. . Hình 9 mơ tả sơ đồ quy
trình tổng thể của nhà máy plasma 100 TPD để xử lý CTRSH. Một nhà máy plasma
nhiệt 100 TPD bao gồm sáu phần chính để khí hóa CTRSH: (1) Một bộ phận lưu trữ và
hệ thống cấp liệu MSW, (2) một lị tích hợp được trang bị hai ngọn đuốc plasma nhiệt
khơng truyền nhiệt, (3) khí thải t hệ thống tái hệ thống, bao gồm máy làm nguội và máy
lọc nước, (4) buồng chia khí tổng hợp, (5) bộ làm nóng sơ bộ khơng khí / bộ làm mát khí
và (6) tuabin hơi (khơng có trong nhà máy 10 TPD). Sự cân bằng năng lượng cho quá
trình tổng thể được trình bày trong Hình 10.
. Ở công suất 10 TPD, công suất tiêu thụ của ngọn đuốc plasma được sử dụng để xử
lý 1 tấn CTRSH là 0,817 MWh / tấn. Ở 100 TPD, dự kiến sử dụng 0,447 MWh / tấn nhiệt
điện plasma. Ở 10 TPD, nhiệt mất mát của tồn bộ q trình thơng qua bức tường là 14%
và năng lượng chứa trong khí thải của ngăn xếp là 16%.

, ở 100 TPD, tổn thất nhiệt của toàn bộ quá trình xuyên qua tường sẽ là 7% và năng
lượng chứa trong khí thải của ngăn xếp sẽ là 10%. Ngồi ra, ở quy mơ 10 TPD, khí tổng
hợp và nhiệt tạo ra từ bộ trao đổi nhiệt không được tái sử dụng, tuy nhiên, ở mức 100
TPD, năng lượng tạo ra từ khí tổng hợp và bộ trao đổi nhiệt thông qua máy tạo hơi sẽ
được sử dụng. Năng lượng được tái sử dụng bởi hai máy tạo hơi nước sẽ là 73% năng
lượng đầu vào (tỷ lệ 12 + 13 (16,679 Mcal / giờ) với 1+ 2 (22,858 Mcal / giờ) trong Hình
10).

6. Đánh giá kinh tế của nhà máy khí hóa plasma
Nhược điểm là sử dụng điện, một nguồn năng lượng đắt tiền. ví dụ:
Tại Hoa Kỳ, chi phí cho một bãi chơn lấp khoảng 30-80 US $ / tấn và chi phí đốt
rác trung bình là 69 US $ / tấn [50]. Tuy nhiên, chi phí trung bình của các bãi chơn lấp và
lị đốt ở các nước nhỏ như Nhật Bản và các nước Châu Âu là khoảng 200-300 USD / tấn
do đất đai ngày càng khan hiếm hơn [50], có nghĩa là tính kinh tế của q trình khí hóa
plasma cho CTRSH được cải thiện ở những vùng. Hiện nay, chi phí xây dựng trung bình
của các nhà máy plasma được ước tính vào khoảng 0,13-0,39 triệu USD / TPD. Dodge
ước tính chi phí xây dựng 750 TPD là 150 triệu USD, tương đương 0,2 triệu USD / TPD
[51]. Chi phí xây dựng nhà máy 300 TPD ở Utashinai, Nhật Bản vào khoảng 0,17 triệu
USD / TPD. Một nhà máy plasma 600 TPD ở St. Lucie, Canada do Geoplasma lên kế
hoạch sử dụng ngọn đuốc plasma nhiệt của Alter NRG cũng là 0,17 triệu đô la Mỹ / TPD.
Dự án ban đầu lập kế hoạch xây dựng 2.700 TPD bởi Geoplasma ở St. Lucie có chi phí
xây dựng 0,13 triệu USD / TPD.
một nhà máy 10 TPD, bao gồm cả chi phí xây dựng và vận hành (Bảng 8). 3,9 triệu
USD là tổng chi phí xây dựng của 10 TPD hay 0,39 triệu USD / TPD. Chi phí vận hành
bao gồm chi phí nhân cơng, chi phí khấu hao, chi phí chung và bảo hiểm. Chi phí lao
động cho 12 lao động và chi phí chung lần lượt là 0,49 và 0,24 triệu USD / năm. Chi phí
khấu hao và bảo hiểm lần lượt là 0,26 và 0,02 triệu USD / năm. Tổng chi phí vận hành là
0,99 triệu USD / năm. Con số này tương đương 300 USD / tấn chưa có thuế GTGT. 110
USD / tấn được nhận từ chính quyền địa phương để xử lý CTRSH ở Cheongsong, Hàn

Quốc, mức phí này sẽ khác nhau tùy theo khu vực. Do đó, tổng lợi nhuận là âm (-190
USD / tấn).
, tổng chi phí xây dựng cho một nhà máy quy mô 100 TPD sẽ là 24,8 triệu USD,
tương đương 0,25 triệu USD / TPD. Chi phí hoạt động bao gồm chi phí cố định, chi phí
biến đổi và bảo hiểm. Trong chi phí cố định, chi phí nhân cơng, chi phí khấu hao và các
chi phí phát sinh như lợi ích phụ, chi phí bảo trì an tồn, chi phí đào tạo, cơng tác phí và
chi phí đi lại bao gồm; tổng chi phí cố định sẽ là 2,39 triệu đơ la Mỹ / năm. Chi phí biến
đổi bao gồm chi phí bảo trì, điện, hóa chất, nước là 0,82 triệu USD / năm. Tất cả các chi
phí biến đổi có bảo hiểm là 0,94 triệu đơ la Mỹ / năm. Dựa trên sự cân bằng năng lượng
và chi phí vận hành (Hình 10 và Bảng 9), lợi nhuận từ việc bán điện sản xuất từ tuabin
hơi nước cũng sẽ được tạo ra (Bảng 10). Giá trị nhiệt thu hồi từ hai máy tạo hơi nước là
16,679 Mcal / giờ (12 cộng với 13 trong Hình 10). Xét tổng hiệu suất của việc cung cấp
hơi nước và phát điện bằng tuabin hơi là 26%, có thể tạo ra 4.286 Mcal / giờ điện, tương
đương với 5.000 kW điện. 2.000 kW điện là cần thiết để tạo ra ngọn đuốc plasma nhiệt và
các tiện ích, nghĩa là 3.000 kW điện có thể được bán lên lưới và tương đương với 23,8
triệu kWh / năm.
Với giá bán điện là 10,9% / kWh, tổng lợi nhuận từ bán điện mỗi năm vào khoảng
2,6 triệu USD / năm; giá bán điện thu hồi từ CTRSH tương đối cao so với giá điện khác
do chính sách tiêu chuẩn danh mục tái tạo (RPS) của chính phủ thúc đẩy việc sử dụng
năng lượng tái tạo ở Hàn Quốc. Ngồi ra, lợi nhuận có thể thu được từ xử lý CTRSH. 110
USD / tấn được chính quyền địa phương chi trả để xử lý CTRSH ở Cheongsong, Hàn
Quốc, có nghĩa là nếu xử lý 100 TPD CTRSH, lợi nhuận để xử lý CTRSH sẽ là 3,6 triệu
USD / năm. Do đó, tổng lợi nhuận là 6,2 triệu USD / năm (2,6 triệu USD / năm cộng với
3,6 triệu USD / năm). Xem xét chi phí vận hành (3,34 triệu USD / năm), có thể kết luận
rằng tổng biên lợi nhuận cho một nhà máy xử lý CTRSH 100 TPD sử dụng khí hóa
plasma nhiệt sẽ vào khoảng 2,86 triệu USD / năm (6,2 triệu USD / năm trừ 3,34 triệu US
$ / năm), tương đương 86 US $ / tấn.

7. Kết luận

Cơng nghệ plasma là một phương pháp hồn thiện, đáng tin cậy và đã được chứng
minh để tạo ra nhiệt độ cao ở áp suất khí quyển, điều khơng thể đạt được bằng cách đốt
cháy nhiên liệu. Gần đây, công nghệ plasma nhiệt đã được áp dụng để xử lý CTRSH trực
tiếp từ xe tải tại các nhà máy thí điểm và thương mại. Q trình khí hóa plasma chuyển
đổi các chất hữu cơ chứa trong CTRSH thành khí tổng hợp, và phân tách các vật liệu
khác thành các nguyên tố hóa học cấu thành, sau đó được thu gom và thủy tinh hóa để tạo
ra một loại xỉ trơ như thủy tinh giữ lại hầu hết các kim loại nặng và kiềm từ chất thải. Xỉ
thủy tinh hóa có thể được sử dụng làm vật liệu xây dựng. Ngoài ra, NOx và SOx không
được thải ra do điều kiện thiếu O2 bên trong lị plasma nhiệt. Nồng độ điơxin cũng rất
thấp so với các lị đốt thơng thường để xử lý CTRSH do nhiệt độ lị tích hợp cao. Do đó,
các quy trình plasma nhiệt là một giải pháp thay thế thân thiện với mơi trường cho q
trình khí hóa CTRSH.
Một nhà máy khí hóa plasma được xây dựng ở quy mơ 10 TPD bằng cách sử dụng
một lị tích hợp được trang bị hai ngọn đuốc plasma nhiệt không truyền nhiệt, và đã hoạt
động trong 3,5 năm mà khơng gặp bất kỳ sự cố nào. Nó đã được chứng minh thành cơng
rằng q trình plasma nhiệt chuyển đổi CTRSH thành xỉ vô hại, với mức thấp hơn nhiều
phát thải chất ơ nhiễm mơi trường khơng khí và sản xuất khí tổng hợp như một nguồn
năng lượng tiềm năng (287 Nm3 / tấn H2 và 395 Nm3 / tấn đối với CO), sử dụng 1,14
MWh / tấn điện (ngọn đuốc plasma nhiệt (0,817 MWh / tấn) + tiện ích (0,322 MWh) /
tấn)) và 7,37 Nm3 / tấn khí hóa lỏng (LPG). Dữ liệu thu được trong 3,5 năm vận hành đã
cung cấp nhiều hiểu biết sâu sắc về hoạt động của nhà máy như các yếu tố kinh tế và các
thông số thiết kế để mở rộng công suất.
Chúng tôi đã thu được một đánh giá chi tiết về tính kinh tế đối với thang điểm 10
TPD bao gồm chi phí xây dựng và chi phí vận hành. Tổng chi phí vận hành là 0,99 triệu
USD / năm (300 USD / tấn chưa VAT). Ngồi ra, chính quyền địa phương phải trả 110
USD / tấn để xử lý CTRSH. Điều này có nghĩa là tổng biên lợi nhuận là âm 190 USD /
tấn ở quy mô 10 TPD. Tuy nhiên, dựa trên cơ sở này hoàn toàn tin tưởng rằng tính kinh tế
của q trình sẽ được cải thiện nếu tăng quy mơ xử lý do giảm chi phí xây dựng khi tăng

cơng suất, lợi nhuận từ việc sử dụng khí tổng hợp làm nguồn năng lượng và giảm tổng
chi phí vận hành như như chi phí lao động và chi phí chung. Chúng tơi cũng đánh giá tính
kinh tế của quy trình khí hóa plasma nhiệt 100 TPD cho MSW. Do đó, chúng tơi tính tốn
rằng tổng chi phí vận hành là 3,34 triệu đô la Mỹ / năm (101 đô la Mỹ / tấn chưa VAT) và
tổng lợi nhuận từ việc bán điện và xử lý CTRSH là khoảng 6,2 triệu đô la Mỹ / năm cho
một nhà máy 100 TPD, tương đương 187 USD / tấn. Điều này có nghĩa là tổng biên lợi
nhuận là dương 86 đô la Mỹ / tấn ở quy mơ 100 TPD.
Mặc dù tính khả thi về mặt kỹ thuật của q trình khí hóa bằng plasma nhiệt
CTRSH đã được chứng minh rõ ràng, nhưng hiện tại vẫn chưa rõ ràng rằng quy trình này
có hiệu quả kinh tế trên thị trường tồn cầu vì sự thay đổi theo khu vực của chi phí xử lý
CTRSH. Tuy nhiên, rõ ràng là việc tái sử dụng xỉ thủy tinh hóa và sản xuất năng lượng từ
khí tổng hợp sẽ cải thiện khả năng thương mại của q trình này, và đã có những tiến bộ
tiếp tục hướng tới sự phát triển hơn nữa của quá trình này.