tính toán, thiết kế mô hình thực nghiệm cacbon hóa chất thải rắn đô thị công suất 3-5kg/mẻ

Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT

TrÇn V¨n HuÖ 1 MSSV: 505303026

LỜI NÓI ĐẦU
Vấn đề môi trường đang là vấn đề bức bách không chỉ đối với mỗi người,
mỗi quốc gia, mà còn trở thành vấn đề toàn cầu. Một trong những vấn đề môi
trường được quan tâm nhiều đó là vấn đề rác thải sinh hoạt.
Mỗi năm cả nước thải trên 15 triệu tấn rác, nhưng mới chỉ thu gom được
45% - 50%. Điều kiện chủ yếu để đảm bảo tốt trạng thái vệ sinh ở khu dân cư đô
thị là phải có kế hoạch làm sạch và quét dọn thường xuyên các loại chất thải ở
các khu nhà ở. Đó là chất thải sinh hoạt, thức ăn dư thừa, các loại rác thải đường
phố… Các loại chất thải này sẽ gây ô nhiễm, nhiễm khuẩn đối với môi trường
xung quanh. Rác thải được thu gom chủ yếu đổ vào các bãi tạm bợ, đại khái mà
không được xử lý, hoặc chôn lấp theo quy hoạch và hợp vệ sinh vẫn gây ảnh
hưởng đến môi trường sống, nguồn nước mặt, nguồn nước ngầm, tốn diện tích…
Khối lượng chất thải rắn trong đô thị ngày càng tăng do tác động của sự
gia tăng dân số, phát triển kinh tế xã hội và sự phát triển về trình độ và tính chất
tiêu dùng trong các đô thị. Lượng chất thải rắn nếu không được xử lý tốt sẽ dẫn
đến hàng loạt vấn đề tiêu cực đối với môi trường.
Có rất nhiều phương pháp xử lý rác thải đô thị đã được đề xuất và áp dụng
trong đó có phương pháp thiêu đốt. Phương pháp thiêu đốt xử lý được nhiều loại
chất thải (đặc biệt là các chất thải rắn khó phân huỷ như plastic,da…), tiết kiệm
được diện tích cho các bãi chôn lấp. Tuy nhiên phương pháp thiêu đốt trước đây
gây tác động xấu đến môi trường không khí, hoặc chi phí cho việc xử lý khí
thiêu đốt rất tốn kém. Mặt khác, hiện nay nguồn nguyên liệu hoá thạch đang dần
bị cạn kiệt, đòi hỏi chúng ta phải tìm ra những nguồn nguyên liệu mới. Một
phương pháp xử lý chất thải rắn mới, được đề xuất đó là phân loại và đốt các
chất thải rắn cháy được trong điều kiện thiếu ôxy hoặc không có ôxy hoàn toàn.
Phương pháp này tiết kiệm được nhiên liệu dùng cho quá trình đốt, không tạo ra
khí thải độc hại gây ô nhiễm môi trường, đồng thời tạo ra một nguồn nguyên

liệu mới đó là than sạch (than hoạt tính), phục vụ cho các nhiều lĩnh vực khác
trong cuộc sống như: nghiên cứu khoa học, hay xử lý các loại nước thải…
Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT

TrÇn V¨n HuÖ 2 MSSV: 505303026

Trong quá trình làm nghiên cứu khoa học, nhóm sinh viên (khoa Công
nghệ sinh học và môi trường - Trường đại học Phương Đông) đã tiến hành thực
nghiệm tại Viện Công nghệ môi trường, với quy mô nhỏ 10-50 g chất thải với
các thành phần chất thải đô thị khác nhau như vải, gỗ, giấy… ở các nhiệt độ,
thời gian khác nhau, đã có một số kết quả nhất định về khả năng thu được sản
phẩm và giá trị của sản phẩm. Chính vì vậy muốn phát triển nghiên cứu ở mức
độ cao hơn, quy mô lớn hơn để có thể tiến dần đến việc triển khai ứng dụng.
Xuất phát từ những lý do trên, tác giả đã chọn đề tài nghiên cứu: “Tính
toán, thiết kế mô hình thực nghiệm cacbon hóa chất thải rắn đô thị công suất
3-5kg/mẻ ”
Trong nghiên cứu này, tôi đã cố gắng tìm hiểu tài liệu, thu thập thông
tin,… để hoàn thành báo cáo. Song, không thể tránh khỏi những thiếu sót trong
quá trình nghiên cứu, rất mong nhận sự đóng góp ý kiến của Quý thầy cô, cùng
các bạn để báo cáo được hoàn thiện hơn. Sau đây là những nội dung chính mà
tác giả trình bày trong báo cáo:
Chương I: Tổng quan công nghệ cacbon hoá
Chương II: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
Chương III: Tính toán và thiết kế các thông số cơ bản của lò đốt
Chương IV: Kết luận và kiến nghị

Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT

TrÇn V¨n HuÖ 3 MSSV: 505303026

Chương I: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ CACBON HOÁ
Trong 20 năm qua, kể từ khi Việt Nam áp dụng đường lối đổi mới, nền
kinh tế Việt Nam đã có những bước phát triển nhanh và ổn định, tăng trưởng
GDP trung bình hàng năm đạt 7-8%. Mức sống dân cư nói chung từng bước
được nâng cao, phong cách tiêu dùng, thói quen sinh hoạt của xã hội đã và đang
có nhiều thay đổi. Từ những yếu tố trên mà chất thải rắn đô thị phát sinh từ các
hộ gia đình cũng biến đổi không ngừng cả về số lượng, chất lượng và thành
phần. Nếu những chất thải này không được thu gom và xử lý kịp thời sẽ gây tác
động xấu đến môi trường sống, làm ảnh hưởng đến đời sống và sức khỏe con
người. Vì vậy, việc quản lý chất thải là một thách thức lớn, với chi phí cho hoạt
động không nhỏ, nhưng điều quan trọng là nó đem lại lợi ích cho môi trường và
sức khỏe cộng đồng. Mặt khác nếu quản lý theo hướng có thể tái chế thì đây sẽ
là nguồn tài nguyên lớn. Khi tính toán thiết kế mô hình, cần xác định tiềm năng
phát triển công nghệ, sau đây là một số tìm hiểu về tiềm năng phát triển công
nghệ cacbon hóa ở Việt Nam.
I.1. Hiện trạng chất thải rắn Việt Nam
Lượng phát sinh CTR ở Việt Nam lên đến hơn 15 triệu tấn mỗi năm,
trong đó chất thải sinh hoạt từ các hộ gia đình, nhà hàng, khu chợ và kinh doanh
chiếm tới 80% tổng lượng chất thải phát sinh trong cả nước. Lượng còn lại phát
sinh từ các cơ sở công nghiệp. Chất thải nguy hại công nghiệp và các nguồn chất
thải y tế nguy hại, tuy phát sinh với khối lượng ít hơn nhiều, nhưng cũng được

coi là nguồn thải đáng lưu ý do chúng có nguy cơ gây nguy hại cho sức khoẻ
con người và môi trường rất cao nếu như nó không được xử lý theo cách
thích hợp [1].
I.1.1. Chất thải sinh hoạt [1,2,6,7]
Nguồn phát thải chính là các thành phố ở Việt Nam (Bảng 1). Các đô thị,
dân số đô thị chỉ chiếm khoảng 24% dân số cả nước nhưng lại phát sinh đến hơn
6 triệu tấn mỗi năm (khoảng 50% tổng lượng chất thải rắn sinh hoạt cả nước),
đến năm 2010 với quy mô dân sô đô thị chiếm xấp xỉ 33% thì lượng chất thải
Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT

TrÇn V¨n HuÖ 4 MSSV: 505303026

rắn sinh hoạt tiếp tục gia tăng. Ước tính mỗi người dân đô thị ở Việt Nam trung
bình thải ra khoảng trên 2/3 kg mỗi ngày, gấp đôi lượng thải bình quân đầu
người ở nông thôn.
Bảng 1. Phát sinh chất thải sinh hoạt [1]
Địa điểm Lượng phát thải
theo đầu người
(kg/người/ngày)
% so với
tổng lượng
thải
% thành phần
hữu cơ
Đô thị (toàn quốc) 0,7 50 55
Tp. Hồ Chí Minh 1,3 9

Hà Nội 1,0 6
Đà Nẵng 0,9 2
Nông thôn (toàn quốc) 0,3 50 60-65

Nguồn: Khảo sát của nhóm tư vấn 2004; số niệu về nông thôn tính toán từ số
liệu của cục môi trường năm 2000 và ĐHNN I Hà Nội năm 2003.
I.1.2. Chất thải công nghiệp [1,2,6,7]
Ước tính, lượng phát sinh chất thải công nghiệp chiếm khoảng 20-25%
tổng lượng chất thải, tuỳ theo quy mô và cơ cấu công nghiệp của từng tỉnh,
thành phố (Hình 1).
48%
10%
5%
30%
6%
1%
Đông nam bộ Đồng bắng sông Cửu long
Miền núi phía Bắc Đồng bằng sông Hông
Nam trung bộ Tây nguyên

Hình 1. Tỉ lệ lượng phát sinh chất thải công nghiệp theo quy mô vùng
Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT

TrÇn V¨n HuÖ 5 MSSV: 505303026

Chất thải công nghiệp tập trung nhiều ở miền Nam, chủ yếu là khu vực
Đông Nam bộ, trong đó Thành phố Hồ Chí Minh chiếm khối lượng đáng kể
(31% tổng lượng chất thải công nghiệp cả nước).
Chất thải công nghiệp phát sinh từ các làng nghề ở vùng nông thôn chủ
yếu tập trung ở các tỉnh phía Bắc. Với 1.450 làng nghề mỗi năm phát thải cỡ
774.000 tấn chất thải công nghiệp không nguy hại (54% lượng chất thải này phát
sinh từ 2 tỉnh Bắc Ninh và Hà Nội (bao gồm cả tỉnh Hà Tây cũ))
I.1.3. Chất thải nguy hại [1,2,6,7]
Tổng lượng chất thải nguy hại năm 2003 phát sinh ước tính khoảng

160.000 tấn, trong đó 130.000 tấn phát sinh từ công nghiệp, 21.000 tấn phát sinh
từ các bệnh viện, cơ sở y tế và điều dưỡng. Trong khi các nguồn phát sinh chất
thải nguy hại từ hoạt động nông nghiệp chỉ chiếm khoảng 8.600 tấn.
Phần lớn chất thải công nghiệp nguy hại phát sinh ở miền Nam, chiếm
khoảng 64% tổng lượng chất thải nguy hại phát sinh của cả nước, trong đó một
nửa là lượng chất thải phát sinh từ Thành phố Hồ Chí Minh. Tiếp theo là các
tỉnh phía Bắc với lượng chất thải nguy hại phát sinh chiếm 33%. Ngành công
nghiệp nhẹ là nguồn phát sinh chất thải công nghiệp nguy hại lớn nhất (chiếm
47%), tiếp theo là ngành công nghiệp hoá chất (24%) và ngành công nghiệp
luyện kim (20%). (Hình 2).
47%
24%
20%
8%
1%
Công nghiệp nhẹ Hóa chất
Luyện kim Chế biến thực phẩm
Điện, điện tử

Hình 2. Tỉ lệ đóng góp lượng chất thải nguy hại của một số ngành
Mỗi tỉnh/thành đều phát sinh một lượng lớn chất thải y tế nguy hại.
Khoảng 20% tổng lượng chất thải y tế là chất thải nguy hại. Tuy Thành phố Hồ
Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT

TrÇn V¨n HuÖ 6 MSSV: 505303026

Chí Minh và Hà Nội chiếm 23% tổng công suất bệnh viện của cả nước, nhưng
hệ thống các bệnh viện trong cả nước đã được đầu tư xây dựng rất tốt với số
lượng giường bệnh của mỗi tỉnh ít nhất đạt mức 500 giường. Thành phố Hồ Chí
Minh, Thanh Hoá và Hà Nội phát sinh cỡ 6.000 tấn chất thải y tế nguy hại mỗi

năm. Các tỉnh/thành phố khác có khối lượng phát sinh chất thải y tế nguy hại ít
hơn, cỡ khoảng 70-600 tấn mỗi năm.
Các hoạt động nông nghiệp mỗi năm phát sinh một lượng khá lớn các chất
tồn dư thuốc bảo vệ thực vật độc hại và các loại bao bì, thùng chứa thuốc trừ
sâu. Khoảng 8.600 tấn chất thải nông nghiệp nguy hại chủ yếu gồm các loại
thuốc trừ sâu, bao bì và thùng chứa thuốc trừ sâu, mà trong số đó có nhiều loại
thuốc trừ sâu đã cấm sử dụng và được nhập lậu. Lượng thuốc trừ sâu được dùng
nhiều nhất là ở vùng Đồng bằng sông Cửu Long.
Việt Nam đang trong thời kỳ đổi mới và phát triển kinh tế, quá trình đô thị
hoá và hiện đại hoá diễn ra nhanh. Với tốc độ tăng trưởng như hiện nay thì dự
báo đến năm 2010 tổng lượng chất thải phát sinh sẽ lên đến trên 23 triệu tấn và
thành phần chất thải sẽ thay đổi từ chỗ dễ phân huỷ và ít nguy hại sang khó phân
huỷ và nguy hại.
I.1.4. Thành phần chất thải rắn đô thị [7,8,11]
Thành phần chất thải rắn ở nước ta rất đa dạng và đặc trưng theo từng khu
vực dân cư sinh sống (thói quen, mức độ văn minh, tốc độ phát triển). Các đặc
trưng chính của chất thải rắn
- Hợp phần có nguồn gốc hữu cơ cao (50,27% - 62,22%)
- Chứa nhiều đất cát, sỏi đá vụn, gạch vỡ.
- Độ ẩm cao, nhiệt trị thấp (900 kcal/kg)
Việc phân tích thành phần chất thải rắn đóng vai trò rất quan trọng trong
việc lựa chọn các công nghệ xử lý. Thành phần chất thải rắn của một số đô thị,
một số khu dân cư tại các đô thị Việt Nam. Qua các bảng thành phần này ta thấy
khả năng áp dụng công nghệ cacbon hóa để xử lý chất thải sinh hoạt là rất lớn.

Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT

TrÇn V¨n HuÖ 7 MSSV: 505303026

Bảng 2. Thành phần chất thải rắn ở một số đô thị [7]

(tính theo trọng lượng, %)
TT

Thành phần
Hà
nội
Hải
Phòng
TP
Hạ Long
Đà
Nẵng
TP
Hồ Chí
Minh
1 Chất hữu cơ 50,10 50,58 40,1- 44,7 31,50 41,25
2 Cao su, nhựa 5,50 4,52 2,7- 4,5 22,50 8,78
3 Giấy, catton, giẻ vụn 4,20 7,52 5,5- 5,7 6,81 24,83
4 Kim loại 2,5 0,22 0,3- 0,5 1,40 1,55
5 Thủy tinh, sứ, gốm 1,8 0,63 3,9- 8,5 1,8 5,59
6 Đất, đá, cát, gạch vụn 35,90 36,53 47,5- 36,1 36,00 18,00
Độ ẩm
Độ tro
Tỷ trọng (tấn/m
3
)
47,7
15,9
0,42
45- 48

16,62
0,45
40- 46
11,0
0,57- 0,65
39,05
40,25
0,38
27,18
58,75
0,412
Nguồn: Số liệu quan trắc - CEETIA
Bảng 3. Thành phần chất thải ở Hà Nội [7]
Thành phần chất thải
Tỷ lệ phần trăm so với tổng lượng chất thải rắn
(năm)
1995 2003
Hữu cơ 51,8 48,1
Vải, giấy 4,2 1,8
Nhựa, cao su, da, gỗ,
lông da cầm
4,3
10,5
Nhựa là 15%
Kim loại 5,5 5,0
Thủy tinh 0,5 7,2
Chất trơ 30,0 10,4
Khác 0,2 0,4
Nguồn: Số liệu năm 2003 lấy từ số liệu quan trắc của CEETIA, 2003.
Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT

TrÇn V¨n HuÖ 8 MSSV: 505303026

Bảng 4. Thành phần chất thải ở khu dân cư điển hình Cầu Giấy - Hà Nội[11]
Loại rác NT, kg LQTT,
kg
YH, kg Tổng,
kg
NT,
%
LQTL,
%
YH, % Trung
bình %
Giấy 8,193 11,771 13,342 34,026 13,50 18,52 11,28 13,73
Plastic 5,955 6,846 12,572 25,373 9,02 10,77 10,63 10,24
Vải 0,701 0,498 1,742 2,941 1,06 0,78 1,47 1,19
Cao su 0,197 0,015 0,308 0,520 0,30 0,02 0,26 0,21
Da 0,305 0,305 0,48 0,12
Thủy tinh 0,796 0,947 2,507 4,250 1,21 1,49 2,12 1,71
Kim loại 1,227 0,985 0,912 3,124 1,86 1,55 0,77 1,26
Lá, cành
cây
2,657 1,430 8,206 12,293 4,02 2,25 6,94 4,96
Gỗ 0,392 0,470 1,220 2,082 0,59 0,74 1,03 0,84
Gốm, sứ 0,059 0,116 1,493 1,668 0,09 0,18 1,26 0,67
Thức ăn 30,669 38,138 63,609 132,416 46,45 60,02 53,78 53,43
Khác 14,460 2,027 12,365 28,852 21,90 3,19 10,45 11,64
Tổng 66,026 63,547 118,276 247,850 100,00 100,00 100,00 100,00
NT: Khu chung cư Nghĩa Tân nhiều tầng kiểu cũ; LQTTL: Làng Quốc tế Thăng

Long; YH: Khu nhà liền kề Yên Hòa
Nguồn: Viện Công nghệ Môi trường năm 2006
I.2. Tổng quan công nghệ Cacbon hóa [7]
I.2.1. Khái niệm quá trình cacbon hoá
Hiện nay, phương pháp thiêu đốt được sử dụng phổ biến để xử lý chất thải
y tế, và chất thải nguy hại, nhằm ngăn ngừa dịch bệnh và các sự cố nguy hiểm
về môi trường. Tuy nhiên, phương pháp này còn hạn chế vì chi phí xử lý cao và
có nhiều nguy cơ tạo thành dioxin và furan. Một số công nghệ mới được đề xuất
dựa trên nguyên lý sự đốt cháy, nhưng trong môi trường thiếu oxy. Đó là công
nghệ xử lý chất thải bằng phương pháp cacbon hóa, công nghệ này cho phép thu
hồi nguồn năng lượng (như nhiệt năng, điện năng) hoặc nguyên liệu, nhiên liệu
sạch (than sạch, than hoạt tính). Phương pháp này sẽ góp phần xử lý ô nhiễm
Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT

TrÇn V¨n HuÖ 9 MSSV: 505303026

môi trường và lượng rác thải cho bãi chôn lấp, đây là một yếu tố quan trọng
trong vấn đề quản lý chất thải.
Cacbon hóa là quá trình loại bỏ các hợp chất hữu cơ nhẹ có thể bay hơi có
mặt trong nhiên liệu nhằm mục đích thu nhận cacbon. Đây là quá trình đốt cháy
không hoàn toàn nguyên liệu. Các hợp chất hữu cơ phân hủy dưới tác dụng của
nhiệt và tạo thành cacbon. Quá trình cacbon hóa có thể chia thành 2 bước: sấy
khô và đốt cháy không hoàn toàn nguyên liệu.
Có một số khác biệt giữa phương pháp thiêu đốt truyền thống và công
nghệ mới. Phương pháp thiêu đốt truyền thống biến toàn bộ chất thải đầu vào
thành khí thải và tro, sinh ra lượng khí thải độc hại. Ngược lại, phương pháp
nhiệt phân biến chất thải thành các loại nhiên liệu giàu năng lượng bằng việc đốt
chất thải ở trạng thái kiểm soát, quy trình xử lý nhiệt lại hạn chế sự biến đổi để
quá trình đốt cháy không xảy ra trực tiếp, chất thải được biến thành những chất
trung gian, có thể xử lý thành các vật liệu tái chế hoặc thu hồi năng lượng. Dưới

tác dụng của nhiệt, các loại rác thải chuyển hóa kèm theo quá trình phân hủy tạo
thành nước, khí và than tổng hợp. Than tổng hợp được làm lạnh trong vòng 90
giây mà không cần một sản phẩm phụ gia nào trong khoang giảm nhiệt, đây là
sản phẩm chính của quá trình xử lý nhiệt phân rác thải ở nhiệt độ thấp, loại than
này có chứa hàm lượng lưu huỳnh thấp khoảng 0,2%. Điều đáng lưu ý là, công
nghệ nhiệt phân rác thải nhiệt độ thấp này sẽ giúp tránh được nguy cơ phản ứng
sinh ra các chất độc hại, đặc biệt là các hợp chất dioxin vì xử lý ở nhiệt độ thấp.
Nhiệt phân là quá trình làm suy giảm nhiệt của các vật liệu cacbon ở nhiệt
độ từ 400
o
C - 800
o
C hoặc trong điều kiện thiếu oxy hoặc có nguồn cung cấp oxy
rất hạn chế. Quá trình này làm bay hơi và phân hủy các vật liệu rắn hữu cơ bằng
nhiệt, không bằng đốt lửa trực tiếp. Khi chất thải bị nhiệt phân (ngược với quá
trình đốt trong lò thiêu đốt), khí và than ở dạng rắn được sinh ra. Than dưới
dạng rắn là hợp chất của các nguyên liệu khó cháy với cacbon. Khí tổng hợp
được sinh ra là hỗn hợp của các khí gồm cacbon monoxit, hydro, mêtan và một
Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT

TrÇn V¨n HuÖ 10 MSSV: 505303026

số loại hợp chất hữu cơ khác dễ bay hơi. Khí tổng hợp có nhiệt trị là
10 - 20 MJ/Nm
3
.
I.2.2. Ưu điểm của công nghệ cacbon hoá
- Giảm khối lượng chất thải rắn
- Làm cho chất thải an toàn và biến thành chất trơ
- Thu được giá trị của chất thải, các loại năng lượng nhiên liệu (như điện

năng, than… )
- Đi theo hướng phát triển bền vững, tiến tới việc tái sử dụng và tái chế
- Chất thải biến thành năng lượng là sự bổ sung cho việc tái chế các
vật liệu.
-
Là một biện pháp xử lý thích hợp đối với lượng chất thải đang gia
tăng.

- Đẩy mạnh việc thay đổi thành phần chất thải rắn ở bãi chôn lấp.
- Giải quyết tình trạng thiếu nơi chôn lấp chất thải.
- Ứng phó với những công cụ kinh tế và tài chính (ví dụ như thuế chôn
lấp và các khoản trợ cấp cho các nguồn thay thế)
- Thay thế cho phương pháp chôn lấp hiện nay, do tình trạng quá tải và
không xử lý được các thành phần không có khả năng phân hủy sinh học.
I.3. Tình hình nghiên cứu công nghệ Cacbon hóa [7,8,9]
I.3.1 Công nghệ cacbon hóa ở nhiệt độ thấp
Một trong những vấn đề được thảo luận nhiều nhất trong lĩnh vực chưng
cất nhiên liệu đó là nhiệt độ của quá trình cacbon hóa. Đã hơn một thế kỷ, than
đá được luyện thành than cốc để tạo khí phục vụ chiếu sáng do đó chủ đề này
được bàn luận rất nhiều cho đến nay. Những kỹ sư ban đầu đã công nhận một số
ý nghĩa, giá trị của quá trình cacbon hóa ở nhiệt độ thấp nhưng đối với họ, các
khí sản phẩm là quan trọng hàng đầu. Họ sử dụng đến các thí nghiệm để đưa ra
các giá trị tối ưu nhất và do đó họ thích phương pháp nhiệt độ cao hơn. Nhưng
xét thêm ý nghĩa về mặt kinh tế, phương pháp cacbon hóa ở nhiệt độ thấp lại
được khuyến khích và các thảo luận về cacbon hóa lại được tổ chức trở lại. Nói
Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT

TrÇn V¨n HuÖ 11 MSSV: 505303026

đến công nghệ cacbon hóa ở nhiệt độ thấp thì cốc hóa là một trong những ứng

dụng cơ bản và đầu tiên.
Ở Mỹ, từ những năm 1990 đã có nhiều nghiên cứu về các công trình
cacbon hóa ở nhiệt độ thấp. Frank M. Gentry có các công trình nghiên cứu về
quá trình luyện than cốc và khí hóa than ở nhiệt độ thấp.
Nhiệt độ của quá trình cacbon hóa ở nhiệt độ thấp được tranh cãi giữa các
nhà nghiên cứu. Parr và Layng quan niệm nhiệt độ thấp dưới 750
o
C hoặc 800
o
C,
trong khi Bone quan niệm nhiệt độ nằm trong giới hạn 550
o
C đến 600
o
C và
Gludd quan niệm nhiệt độ thấp trong giới hạn 500
o
C đến 600
o
C. Sự tranh cãi
này xuất phát từ một loại than đá mà các thí nghiệm tiến hành và các loại sản
phẩm than cốc riêng của từng nhà nghiên cứu. Parr và các cộng sự sử dụng than
Illinois để đảm bảo không có khói khi đốt. Bone sử dụng than của Anh và Gludd
sử dụng sản phẩm đầu tiên của nhựa đường với loại nhựa đường có tỷ lệ cacbon
tự do thấp. Do vậy, khoảng nhiệt độ phụ thuộc vào chất lượng sản phẩm tạo ra
của các nhà nghiên cứu và phương pháp thực hiện các quá trình.
Theo định nghĩa của các nhà khoa học, cacbon hóa nhiệt độ thấp (cốc
hóa) là quá trình chưng cất phá hủy của than hoặc dưới nhiệt độ cracking của
mạch H-C trong nhựa đường. Nhiệt độ là điều kiện vật lý của khí hóa, do đó
chưng cất trong điều kiện chân không nhiệt độ có thể không quá 450

o
C và trong
điều kiện có áp suất nhiệt độ có thể lên tới 1000
o
C. Trong hầu hết các trường
hợp, với áp suất khí quyển và chất lượng than trung bình, nhiệt độ của quá trình
cacbon hóa có thể lấy là 750
o
C.
Nhìn từ góc độ kinh tế, sự thiếu hiểu biết trong những phương pháp hiện
tại về việc tận dụng nhiên liệu dưới 2 dạng: khói lò - hình thành do đốt cháy
không hoàn toàn và việc tận dụng hết nhiên liệu do thiếu các phương pháp hoàn
chỉnh thích hợp. Như vậy có thể nói rằng, cacbon hóa nhiệt độ thấp là phương
pháp vừa giảm được lượng khói thải, vừa tăng được hiệu quả sử dụng nhiên liệu.
Nhưng nó cũng không có nghĩa rằng sẽ góp phần vào bảo tồn nguồn tài nguyên
Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT

TrÇn V¨n HuÖ 12 MSSV: 505303026

thiên nhiên, nhưng nó cũng làm tăng việc tiêu thụ các hàng hóa có ý nghĩa kinh
tế để góp phần duy trì tài nguyên thiên nhiên.
Các mô hình được nghiên cứu kỹ khi thành phần H-C trong than được xác
định. Cacbon giai đoạn đầu sẽ lắng xuống trong khoang đã được chia sẵn và tập
hợp thành cụm trước khi đốt cháy. Nếu tách H-C với nhiên liệu ngay ở giai đoạn
đầu, khói sẽ thải ra rất nhiều. Kèm theo đó là câu hỏi, cách bố trí thế nào để H-C
tách ra khỏi nhiên liệu mà vẫn giữ được giá trị. Câu trả lời đã được tìm ra trong
quá trình chưng cất phân đoạn nhựa đường để tái sử dụng trong công nghiệp.
Một số sản phẩm được sử dụng như dầu lửa hay phân bón.
Lịch sử của quá trình nghiên cứu cacbon hóa ở nhiệt độ thấp liên quan
chặt chẽ tới khí than. Một trong những người đầu tiên đề cập đến lượng dầu lớn

nhất thu được là Perkins, người đạt bằng sáng chế năm 1953 về việc chiết xuất
dầu khỏi đá phiến sét và các vật liệu cacbon khác bằng cách chưng cất ở nhiệt
độ thấp. Sau năm đó, Sparr đề nghị luyện than để lấy dầu nhờn hơn là lấy khí
trong điều kiện tự nhiên chân không cao. Mười năm sau, Parker người phát minh
ra quá trình cốc hóa, giành được bằng sáng chế cho sản phẩm nhiên liệu không
khói bằng cách chưng cất khí trơ ở nhiệt độ cao, như khí lỏng, khí than ở 600
o
C
đến 650
o
C. Sau đó, Parker còn đạt được bằng sáng chế cho việc đốt than trong
dòng khí thổi có nhiệt độ dưới 450
o
C. Đó chính là nền tảng để phát triển quá
trình cốc hóa.
Tại Mỹ, những thí nghiệm được tiến hành từ rất sớm tại đại học Illinois từ
năm 1902. Đã có một báo cáo kết quả vào năm 1908 và một báo cáo nghiên cứu
sâu hơn vào năm 1912 của Parr và công sự. Những nghiên cứu đầu tiên về lĩnh
vực này được nghiên cứu tại Mỹ, nhưng sau đó nó tiếp tục được nghiên cứu chủ
yếu ở những nước có nguồn dầu mỏ bị giới hạn và họ coi nguồn than dự trữ như
nguồn nguyên liệu lỏng quan trọng cho quốc gia. Chiến tranh thế giới đã tạo ra
sự thúc đẩy lớn cho lĩnh vực nghiên cứu này, đặc biệt là tại Anh và Đức. Những
nghiên cứu cơ bản về nhiên liệu của Anh xuất bản năm 1917 đẩy mạnh tiết kiệm
Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT

TrÇn V¨n HuÖ 13 MSSV: 505303026

nhiên liệu và tiếp tục phát triển những nghiên cứu về nhiên liệu. Nó đã góp phần
to lớn cho những nghiên cứu về cacbon hóa than .
Sau đây là một số quy trình cacbon hóa nhiệt độ thấp của một số nhà

nghiên cứu và tổ chức:
Quy trình cacbon hóa của Mcintire

Quy trình cacbon này dựa theo quy trình của tác giả Smith và được sự ủng
hộ của tổ chức The Internatinonal Coal products Company. Năm 1918, chính
phủ Mỹ đã cung cấp tài chính nhằm xây dựng một nhà máy với công suất 575
tấn than thô mỗi ngày tại Clinchfield, VA. Tuy nhiên, quá trình vận hành của
nhà máy gặp nhiều khó khăn, thêm vào đó là những trở ngại về kinh tế đã khiến
dự án Clinchfield tạm ngừng vào năm 1922. Sau này, mô hình này được
McIntire ứng dụng và phát triển.
Trong mô hình của dự án Clinchfield bao gồm 24 bình chưng cất, hợp
thành 4 buồng phía ngoài, và 30 lò được sắp xếp theo 10 hàng. Điểm nổi bật của
hệ thống này đó là sự kết hợp giữa quá trình cacbon hóa ở nhiệt độ thấp và cao
nhằm đạt được một quy mô sản xuất cao hơn.
Quy trình Coalite

Quy trình này dựa trên mô hình của Parker, một trong những người tiên
phong của quá trình cacbon hóa ở nhiệt độ thấp. Một mô hình được đưa ra từ
những năm đầu 1890, nhưng đến tận năm 1906 thì Coaltile mới giới thiệu về
nguyên lý của quá trình cacbon hóa. Trong mô hình này, các bình chưng cất ở
trang thái tĩnh, nhiệt được cung cấp từ bên trong và than được xếp từng
lớp mỏng.
Sau những thí nghiệm ban đầu của Parker, The Eticoal Syndicate đã dựng
lên một nhà máy ở gần Barnsley, nước Anh với công suất khoảng 50 tấn than..
Trong quá trình chưng cất, hơi nóng được duy trì từ trên xuống dưới. Nhiệt độ
trong bình chưng cất được duy trì ở 650
o
C trong vòng khoảng 4,5 giờ cho đến
khi quá trình cacbon hóa được hoàn thành.
Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT

TrÇn V¨n HuÖ 14 MSSV: 505303026

Năm 1911, The British Coaltile đã đưa ra một thiết kế khác tại Barking,
gần London. Trong mô hình này gồm 20 lò chưng cất với công suất là
32 tấn thô/ngày.
Thiết kế gần đây nhất của Coaltile là một cải tiến trong mô hình của
Davidson. Quá trình cacbon hóa ở nhiệt độ khoảng 650
o
C trong vòng 8 giờ với
lượng than xấp xỉ 36 tấn mỗi ngày. Mỗi đặc điểm đáng chú ý trong mô hình mới
của Coalite là các thiết bị có bộ phận thoát khí trong quá trình cacbon hóa và thu
hồi than. Khoảng 25-35% chất dễ bay hơi chứa trong than sẽ bị hóa hơi ở nhiệt
độ 550
o
C ở trong bình chưng cất.
Quy trình của tổ chức Fuel Research Board

Năm 1917, chính phủ nước Anh đã thành lập ra tổ chức Fuel Research
Board là một nhánh của trung tâm nghiên cứu khoa học và công nghiệp. Tổ
chức này đã đưa ra mô hình của quy trình cacbon với 9 bình chưng cất nằm
ngang. Than được nghiền nhỏ, xếp thành các lớp mỏng cho vào các bình chưng
cất nhằm làm giảm quá trình mất nhiệt. Trong các bình chưng cất này, nhiệt độ
lớn không cho phép vượt quá 600
o
C, và quá trình cacbon hóa được tiến hành
trong 3-4 giờ.
Tổ chức The Fuel Research Board đã nỗ lực trong việc đưa ra mô hình
cacbon hóa nhiệt độ thấp với tiêu chuẩn Glover - West vào vận hành nhưng
không thu được kết quả như mong muốn. Công suất 3,5 tấn/ngày, do nhiệt độ

cacbon hóa hạ dần đến 780
o
C, nên đầu vào giảm xuống 1,8 tấn/ngày.
Tổ chức The Fuel Research Board đã tiến hành nhiều thí nghiệm nhằm
đưa ra một quy trình có 4 bình chưng cất thẳng đứng liên tiếp làm bằng thép, 2
trong số 4 bình được thiết kế như chữ D rộng 4 inch ở trên và 8 inch ở dưới, 2
bình còn lại có dạng như chữ E thì thu được kết quả khả quan và mang lại những
thành công nhất định. Cơ quan Fuel Production Company, Ltd đã sử dụng mô
hình này với công suất 100 tấn/ngày.


Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT

TrÇn V¨n HuÖ 15 MSSV: 505303026

Quy trình Fusion
Quy trình cacbon hóa này là phát minh của Hutchin và được tập đoàn
Fusion quản lý. Theo Tupholme có hai loại mô hình được thiết kế, dạng đơn và
dạng kép.
Trong mô hình này dạng đơn có các lò quay bằng thép sắp xếp theo chiều
ngang. Nguyên liệu được nghiền, cho vào các lò và được đốt nóng. Sản phẩm
được hình thành ở một buồng cố định ở trạng thái tĩnh và sau đó được lấy ra, khí
thải ngưng lại và cho một khu vực riêng.
Mô hình lò kép có nguyên tắc cấu tạo như ở dạng lò đơn. Điểm khác biệt
là 2 lò quay được sắp xếp theo kiểu đồng tâm, và cả hai đều có bộ phận nghiền
nguyên liệu. Cấu tạo này, đem lại hai thuận lợi. Thứ nhất, việc nạp và lấy
nguyên vật liệu chỉ diễn ra một lần, do vậy tránh việc thoát khí trong vận hành.
Thứ hai, than được đốt nóng trước khi tiến hành quá trình cacbon hóa.
Ngày nay, công nghệ cacbon hóa ở nhiệt độ thấp còn được nghiên cứu
ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Các vật liệu có tỷ lệ thành phần

cacbon cao có thể được cacbon hóa thành những vật liệu có ích trong các hoạt
động xử lý chất thải rắn bảo vệ môi trường. Rác thải hữu cơ cháy được trong rác
thải đô thị hay các chất thải PVC có thành phần cacbon cao được cacbon hóa ở
nhiệt độ thấp tạo ra các hợp chất có độ xốp lớn, ứng dụng trong ngành công
nghiệp và công nghệ xử lý nước thải… Với trình độ khoa học hiện tại và thành
phần chất thải như hiện nay, việc áp dụng công nghệ cacbon hóa ở nhiệt độ thấp
rất có triển vọng tại Việt Nam.
I.4.2. Công nghệ cacbon hóa bằng phương pháp áp suất cao
Hiện nay, ngoài phương pháp cacbon hoá ở nhiệt độ thấp thì phương pháp
cacbon hóa áp suất cao cũng đạt được những thành tích đáng kể và là một công
nghệ cacbon hóa nhanh và hiệu quả, biến sinh khối của cacbon sinh học với
lượng có thể cân bằng giới hạn sau vài chục phút phản ứng. Công nghệ này cần
lưu ý sự cháy và lưu ý kiểm soát tia lửa trong khoang chứa sinh khối ở áp suất
cao. Sinh khối có thể sử dụng là gỗ và các sản phẩm nông nghiệp như lõi ngô,
Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT

TrÇn V¨n HuÖ 16 MSSV: 505303026

vỏ trấu. Trong các thí nghiệm tiêu biểu, hệ thống nén ở 1MPa bằng không khí và
điện được phát cho bộ phận làm nóng ở đáy của lò phản ứng. Sự cháy diễn ra
sau vài phút dưới áp suất cao, và các tia lửa sẽ bắt đầu làm cho sinh khối chuyển
thành cacbon sinh học. Nếu sinh khối sử dụng là lõi ngô, sản lượng cacbon được
giữ nguyên tuân theo lý thuyết, và phản ứng hoàn thành sau 20 phút.
Cacbon sinh học (than củi) được chế tạo ra hơn 38.000 năm và hiện giờ
vẫn là nguồn nhiên liệu có thể tái tạo quan trọng nhất được sử dụng. Tuy nhiên,
những công nghệ cacbon hóa có tính thương mại thì chậm và kết quả không rõ
rệt. Sản lượng đặc trưng của sản xuất than củi từ gỗ cứng của lò Missouri có chu
trình 7-12 ngày khoảng 25% trọng lượng. Những công nghệ cacbon hóa kém
hiệu quả hơn được sử dụng rộng rãi ở các nước và nó cũng là nguyên nhân hàng
đầu cho nạn phá rừng ở nhiều quốc gia nhiệt đới. Ngoài ra, vì những vấn đề ô

nhiễm liên quan đến công nghệ cacbon hóa kém hiệu quả, chu trình sản xuất
nhiên liệu than củi phát thải khí nhà kính nhiều nhất.
Theo lý thuyết, cacbon hóa sinh khối là phương pháp nhanh và hiệu quả,
với sản phẩm phụ là CO
2
, H
2
O, CH
4
và CO ở dạng vết. Cellulose là thành phần
chủ yếu của hầu hết các sinh khối. Ở 1 MPa, sản lượng cacbon thu được từ
cellulose là 27% khối lượng. Tài liệu khoa học về cacbon hóa sinh khối đã có
từ 150 năm trước đây. Không có ghi nhận nào về sản lượng cacbon từ sinh khối
vượt qua giá trị tại thời điểm cân bằng nhiệt hóa học. Hiển nhiên, sản lượng của
quá trình nhiệt phân cacbon từ sinh khối gần bằng giá trị tại thời điểm cân bằng,
bởi vậy các nhà khoa học thường lấy giá trị tại thời điểm cân bằng nhiệt là giá trị
của sản lượng cacbon. Tại thời điểm cân bằng năng lượng của quá trình nhiệt
phân celloluse ở 400
o
C và 1MPa, cacbon thu được chiếm 52,2% giá trị nhiệt
lượng của cellulose (17,4% MJ/kg) và 36,2% là năng lượng phát sinh từ sản
phẩm khí (chủ yếu là CH
4
). Còn lại khoảng 2 MJ/kg là nhiệt tỏa ra do quá trình
nhiệt phân. Giá trị cao nhất của sự tỏa ra từ quá trình nhiệt phân cellulose ở
trong lò áp suất cao là 0,66 MJ/kg.
Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT

TrÇn V¨n HuÖ 17 MSSV: 505303026

Hiện nay, gỗ và các sản phẩm nông nghiệp dư thừa được tận dụng để
cacbon hóa tạo ra các sản phẩm có ích và có tính thương mại. Ví dụ như lõi ngô
hay vỏ trấu.
Trong báo cáo Viện Năng lượng tự nhiên Hawai, Đại học Hawai của
nhóm tác giả Kazuhiro Mochizuki, Lloyd S. Paredes và Michael J. Antal, Jr năm
2002, sinh khối được đựng trong hộp hình trụ nhỏ và đưa vào khoang cacbon
hóa có áp suất không khí cao lên tới 1,1 MPa. Hệ thống lò có 2 bộ phận làm
nóng ở đáy của khoang cacbon hóa. Sự cháy bắt đầu sau vài phút và bộ phận
làm nóng được tắt đi. Sau đó, không khí đi vào nồi hơi và các tia lửa bắn ra và
chuyển sinh khối thành cacbon. Khi không khí đã cung cấp đủ cho quá trình
cacbon hóa thì sẽ tạm ngừng dòng khí cấp, khoang cacbon hóa sẽ giảm áp suất
và để nguội.
Lõi ngô là nguyên liệu tốt cho quá trình cacbon hóa, tại áp suất 1,2 MPa
sự cháy xảy ra sau 2 phút làm nóng và dòng khí thổi dừng sau 18 phút. Với công
nghệ này, sản lượng cacbon cố định đạt 100% sản lượng tại giới hạn cân bằng
nhiệt hóa học. Kết quả đạt được sự cải tiến to lớn so với công nghệ cũ, công
nghệ cũ thì sản lượng cacbon hóa cố định thu được ít hơn 70% sản lượng tại giới
hạn nhiệt hóa học sau hơn 300 phút phản ứng.
Giống như lõi ngô, vỏ trấu cháy dễ dàng trong không khí ở áp suất cao
nhưng sự lưu thông nhiệt và khí thì bị hạn chế. Với đặc tính đó, sản lượng
cacbon hóa cố định (24%) chỉ đạt được 82% giá trị tại giới hạn thành phần
cacbon hóa cố định của than thì ít thay đổi.
Như vậy, công nghệ cacbon hóa áp suất cao có hiệu quả lớn, tuy nhiên áp
dụng ở Việt Nam tại thời điểm hiện tại chưa phù hợp vì trình độ công nghệ hiện
tại chưa cao. Trong tương lai, Việt Nam được đầu tư nghiên cứu công nghệ này
với nguồn nguyên liệu của Việt Nam.



Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT

TrÇn V¨n HuÖ 18 MSSV: 505303026

I.4. Đánh giá tiềm năng nguyên liệu cho phương pháp cacbon hóa ở
Việt Nam [7]
Nguyên liệu cho phương pháp cacbon hóa ở Việt Nam rất đa dạng. Ngoài
các sản phẩm là sinh khối nông nghiệp, chất thải nông nghiệp như lõi ngô, vỏ
trấu, vỏ dừa ta còn có thể dùng các thành phần hữu cơ trong chất thải đô thị. Các
thành phần này (xương động vật, gỗ, cao su, plastic, giấy,…) khó phân hủy sinh
học. Phương pháp xử lý phổ biến ở nước ta hiện nay là chôn lấp hoặc thiêu đốt
có (hoặc không) thu hồi nhiệt năng. Thành phần cacbon hóa của các chất thải
này cao, do đó nó có thể đươc sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình cacbon
hóa vừa tạo ra các sản phẩm có ích, vừa giảm bớt gánh nặng cho việc xử lý rác
thải
Trong mục này, tác giả xin đề cập chi tiết đến thành phần rác thải đô thị ở
Hà Nội nói riêng để thấy được tiềm năng nguyên liệu cho phương pháp cacbon
hóa tại Việt Nam.
Một số kết quả nghiên cứu khảo sát của Viện Công nghệ môi trường -
Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam năm 2006 cho biết một cách cụ thể hơn
một số nét đặc trưng của rác thải sinh hoạt từ các hộ gia đình ở đô thị Việt Nam,
một thành phần đáng kể của rác thải đô thị nói chung.
Tại Hà Nội, tổng lượng chất thải được thu gom riêng ở khu vực nội thành
là 722.335 tấn/năm (khoảng 2.450 tấn/ngày) [Nguồn: URENCO, 2006]. Theo
kết quả nghiên cứu, điều tra, khảo sát của Viện Công nghệ môi trường - Viện
Khoa học và Công nghệ Việt Nam năm 2006, tỷ lệ thành phần rác thải hữu cơ
phát sinh từ các hộ gia đình khá cao, dao động quanh mức 80-85%, trong đó
khoảng 55% là rác thải hữu cơ thực phẩm thích hợp làm phân composting phục
vụ cho sản xuất nông nghiệp (bảng 5)

Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT

TrÇn V¨n HuÖ 19 MSSV: 505303026

Bảng 5. Tỷ lệ trung bình các thành phần rác thải chính khu vực
nội thành Hà Nội (%) [7]

Tổng rác thải phát sinh
từ các hộ gia đình
Rác thải không
tái chế
Giấy 13,73 9,8972
Plastic 10,24 8,2853
Vải 1,19 1,3100
Cao su 0,21 0,2316
Da 0,12 0,1359
Thủy tinh 1,71 0,6646
Kim loại 1,26 0,4975
Lá, cành cây 4,96 5,4756
Gỗ 0,84 0,9274
Gốm, sứ 0,67 0,7430
Thức ăn 53,43 58,9180
Khác 11,64 12,8510
Tổng 100,00 100,00
Nguồn: Viện công nghệ môi trường - Viện Khoa học và công nghệ Việt
Nam, 2006
Các chất hữu cơ khác như plastic, giấy, vải , cao su, da, cành, lá cây,… là
những chất phân hủy chậm trong điều kiện chôn lấp, chiếm khoảng 30%

(khoảng 750 tấn/ngày). Nếu xem xét các thành phần này trong rác thải của các
hộ gia đình đổ vào xe thu gom của các Công ty vệ sinh môi trường sau khi có sự
phân loại tự phát các thành phần có thể bán cho đồng nát thì còn khoảng 26%,
tức khoảng 611 tấn/ngày ở riêng thành phố Hà Nội (bảng 5).
Việc tái chế các loại chất thải trên để sử dụng như nguyên phụ liệu cho
các ngành sản xuất, với trình độ công nghệ hiện có, còn có giá thành cao và gây
ô nhiễm môi trường thứ phát mà hiện nay chưa kiểm soát nổi. Chính vì vậy, việc