Nghiên cứu thiết kế, chế tạo tổ hợp thiết bị nhiệt phân nhiệt độ thấp tái chế phế thải giầy da thành nhiên liệu

K t qu nghiên c u KHCN

NGHI£N CøU THIÕT KÕ, CHÕ T¹O

Tỉ HỵP THIÕT BÞ NHIƯT PH¢N NHIƯT §é THÊP

T¸I CHÕ PHÕ TH¶I GIÇY DA
THµNH NHI£N LIƯU

T

Tóm tắt

TS. D

ng Văn Long, KS. Đinh Qu c C
ng
Vi n Nghiên c u C
khí, B Cơng Th

ng

heo thống kê, các
thành phần chính của
phế thải rắn từ q
trình gia cơng sản xuất da giầy
ở Việt Nam, phế thải da thuộc
khó phân hủy chiếm tỷ lệ lớn
gần 80%. Nếu khơng có giải
pháp tái xử lý, lượng phế thải
này sẽ là một trong những
ngun nhân gây ơ nhiễm mơi
trường nghiêm trọng với các
khu vực xung quanh. Bằng
nghiên cứu thực nghiệm, Viện
Nghiên cứu Cơ khí (NARIME)
đã thiết kế, chế tạo tổ hợp thiết

bị nhiệt phân, ứng dụng xử lý
chất thải có nguồn gốc hữu cơ,
tiêu biểu là phế thải da thuộc
thành các sản phẩm dạng
nhiên liệu. Ngồi ra, tổ hợp
thiết bị thân thiện mơi trường,
q trình hoạt động khơng tạo
ra ơ nhiễm thứ cấp. Kết quả
chạy khảo nghiệm trên tổ hợp
thiết bị đã chế tạo xử lý phế thải
da thuộc từ nhà máy gia cơng
sản xuất giầy da cho sản phẩm
dầu, khí và than nhiệt phân có
giá trị nhiệt trị tương đương các

nhiên liệu truyền thống. Kết
quả của đề tài là tiền đề quan
trọng cho việc xây dựng giải
pháp tái sử dụng chất thải
nguồn gốc hữu cơ khó phân
hủy như phế thải da thuộc.
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong những năm gần đây,
ngành Da-Giày Việt Nam đã
tăng trưởng mạnh mẽ, một mặt
góp phần tích cực cho sự phát
triển của đất nước, mặt khác
đã làm phát sinh lượng chất
thải rắn khó phân hủy ngày
càng lớn. Ngành Da-Giày Việt

Nam tập trung chủ yếu vào gia
cơng xuất khẩu. Các nhà máy
sau khi nhận ngun phụ liệu
từ đối tác nước ngồi (hoặc
trực tiếp mua tồn bộ hay một
phần nhỏ ngun liệu) sẽ tiến
hành tổ chức gia cơng sản xuất
sử dụng nhiều chất độc hại,
các chất chứa kim loại nặng
nên phát thải chất thải rắn, nhất
là chất thải rắn khó phân hủy
(cao su, vụn xốp, da thuộc…)
Chất thải rắn trong q trình
sản xuất giầy dép, túi ví da chủ

yếu là chất thải rắn sinh hoạt và
chất thải rắn phát sinh trong
q trình sản xuất như các loại
bavia, đế giầy, dép bằng các
vật liệu như da thuộc, cao su…
Vì vậy, việc tạo ra thiết bị xử lý,
tái chế hiệu quả phế thải nguồn
gốc hữu cơ như da thuộc đang
được các nhà khoa học, nhà
quản lý và các doanh nghiệp
hết sức quan tâm.
Hiện nay, phương án xử lý
chủ yếu được áp dụng đối với
các thành phần hữu cơ khó
phân hủy là phương án chơn

lấp hoặc đốt thiêu hủy. Tuy
nhiên, với phế thải da thuộc,
thời gian phân hủy kéo dài đến
hàng chục năm cùng lượng
nước rỉ rác lớn phát sinh đã
làm các bãi chơn lấp q tải.
Với phương án đốt thiêu hủy,
chỉ có khu xử lý tại các đơ thị
lớn là đầu tư lò đốt nhưng
khơng đủ cơng suất xử lý cũng
như hiệu quả xử lý khói lò
khơng cao, làm phát sinh ơ
nhiễm khơng khí với các khí
độc như SO2, CO2, dioxin,

Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2014

89


K t qu nghiên c u KHCN

furan... Đặc biệt, phương pháp
đốt thiêu hủy phế thải da thuộc
gây ra vấn đề ơ nhiễm khơng
khí nghiêm trọng do sự phát
thải Crơm hóa trị sáu (Cr6+),
hợp chất hữu cơ halogen,
hydrocarbon thơm… vào mơi
trường. Các kết quả nghiên

cứu trên thế giới đã cho thấy,
trong q trình đốt thiêu hủy
phế thải da thuộc ở 800°C, có
40% Cr3+ được chuyển đổi
thành Cr6+. Các loại sản phẩm
chính độc hại hình thành từ Cr3+
trong q trình đốt là Cr2(SO4)3,
CrOCl2 và Cr2O3. Đây là các
chất mà sau đó bị chuyển đổi
thành Cr6+, phát tán trong mơi
trường, dễ dàng xâm nhập vào
các tế bào sống, gây ảnh
hưởng độc hại cho tế bào và là
ngun nhân gây ra nhiều bệnh
ung thư khác nhau. Tiếp xúc
ngắn trên mức ơ nhiễm tối đa,
Cr6+ gây ra tình trạng dị ứng
nặng hoặc lở lt da và dạ dày.
Tiếp xúc lâu dài trên mức ơ
nhiễm tối đa có thể gây ra viêm
da, tổn thương gan, suy thận,
phá hủy mơ thần kinh và tử
vong [1]. Nhằm khắc phục
nhược điểm của các phương
pháp nêu trên, một trong
những phương pháp đang
được hướng tới sử dụng trên
thế giới là cơng nghệ nhiệt
phân nhiệt độ thấp với việc tái
sử dụng năng lượng chất thải

cơng nghiệp. Bài báo này trình
bày kết quả của đề tài “Nghiên
cứu, thiết kế, chế tạo tổ hợp
thiết bị nhiệt phân nhiệt độ thấp
tái chế phế thải giày da thành
nhiên liệu” do nhóm tác giả của
Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ
Cơng thương thực hiện.

90

II. ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ
NHIỆT PHÂN NHIỆT ĐỘ
THẤP TRONG PHÁT TRIỂN
THIẾT BỊ NHIỆT PHÂN XỬ LÝ
PHẾ THẢI TỪ GIA CƠNG SẢN
XUẤT GIẦY DA
Cơng nghệ nhiệt phân nhiệt
độ thấp được coi là tiềm năng
trong các cơng nghệ xử lý với
mục đích tái sử dụng năng
lượng chất thải cơng nghiệp và
chất thải sinh hoạt nguồn gốc
hữu cơ do mức độ tiêu thụ
năng lượng cho q trình xử lý
thấp, cơng nghệ xử lý khơng
phát sinh ơ nhiễm thứ cấp, tỷ lệ
chơn lấp nhỏ và sản phẩm
nhiệt phân có giá trị sử dụng
cũng như có giá trị kinh tế.

Thiết bị nhiệt phân là cơ sở và
là chìa khóa quyết định hiệu
quả tái chế chất hữu cơ về tỷ lệ
sản phẩm nhiệt phân rắn, lỏng,
khí tạo thành và giá trị sử dụng
của chúng
Hiện nay, tồn tại nhiều loại
thiết bị nhiệt phân có cấu tạo và
ngun lý làm việc khác nhau.
Theo ngun tắc phản ứng
chính là truyền nhiệt giữa
nguồn nhiệt và khối lượng chất
hữu cơ được xử lý, các thiết bị
có thể được chia thành dạng

thiết bị nhiệt phân gia nhiệt gián
tiếp (truyền nhiệt từ bên ngồi
thiết bị) và thiết bị nhiệt phân
gia nhiệt trực tiếp (truyền nhiệt
đối lưu trực tiếp trong lòng thiết
bị)[2]. Mỗi thiết bị đều có ưu
nhược điểm riêng, tuy nhiên,
cho đến nay chưa có thiết bị
nào được cơng nhận là thiết bị
nhiệt phân lý tưởng. Vì vậy,
việc phát triển thiết bị nhiệt
phân đáp ứng các tiêu chí về
kỹ thuật (hiệu quả xử lý, mức
độ cơ khí - tự động hóa...), về
kinh tế (chi phí đầu tư, vận

hành, xử lý chất thải thứ cấp,
giá trị sản phẩm tái chế, thị
trường tiêu thụ sản phẩm nhiệt
phân...) và về an tồn, thân
thiện mơi trường (chỉ số an tồn
kỹ thuật, chỉ số thân thiện mơi
trường...), dễ dàng mở rộng
trong cơng nghiệp vẫn được coi
là trọng tâm của việc nghiên
cứu và là một trong những
hướng chính của cơng nghệ
nhiệt phân trên tồn thế giới.
III. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO
THIẾT BỊ NHIỆT PHÂN BẰNG
THỰC NGHIỆM
Đối tượng được lựa chọn
tiến hành nghiên cứu là phế
thải da thuộc thu gom từ nhà

Hình 1. Ph th i da thu c t q trình gia cơng s n xu t gi y da

Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2014


K t qu nghiên c u KHCN

máy gia cơng sản xuất giầy da xuất khẩu. Đây là phế thải nguồn
gốc hữu cơ có tỷ lệ lớn trong thành phần CTR cơng nghiệp phát
sinh từ q trình gia cơng giày da.
Chế tạo tổ hợp thiết bị nhiệt phân nhiệt độ thấp được thực hiện

trên cơ sở kết quả nghiên cứu thực nghiệm, kết quả nghiên cứu
tính tốn thiết kế tại Trung tâm Cơng nghệ và Thiết bị Mơi trường,
Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Cơng Thương. Tổ hợp thiết bị nhiệt
phân nhiệt độ thấp cơng suất 50 kg/mẻ đã được chế tạo (h.2) và
chạy khảo nghiệm xử lý các đối tượng phế thải nguồn gốc hữu cơ
như da thuộc, cao su, nhựa…
Tổ hợp thiết bị nhiệt phân này được thiết kế chế tạo hoạt động
theo ngun lý hóa hơi chất hữu cơ bằng cách gia nhiệt gián tiếp
từ bên ngồi lò phản ứng, sau đó hơi nhiệt phân được phân ly,
ngưng tụ để tách các pha rắn, lỏng, khí trong hỗn hợp hơi - khí
nhiệt phân tạo thành.

Hình 2. T h p thi t b nhi t phân nhi t đ th p
do NARIME thi t k ch t o

Với tiêu chí thiết kế mở, dễ dàng điều chỉnh, hiệu chỉnh các
thơng số, mức độ tự động hóa kiểm sốt, điều khiển chế độ hoạt
động trong q trình vận hành cao, tổ hợp thiết bị pilot nhiệt phân
nhiệt độ thấp xử lý chất thải có nguồn gốc hữu cơ được xây dựng
gồm các thiết bị chính như sau: (1) Lò phản ứng nhiệt phân; (2)
Buồng cấp nhiệt; (3) Thiết bị phân ly I; (4) Thiết bị ngưng tụ dạng
gián tiếp; (5) Thiết bị hấp thụ-ngưng dầu trực tiếp; (6) Thiết bị phân
ly III; (7) Hệ thống tái sử dụng khí nhiệt phân làm nhiên liệu cho tổ
hợp.

Ngun lý ho t đ ng:
Ngun liệu được đưa vào lò
phản ứng nhiệt phân với khối
lượng 50kg/mẻ. Sau khi nhận
đủ khối lượng chất thải rắn cần

xử lý, nắp lò phản ứng nhiệt
phân được đóng kín, khởi động
bộ phận cấp nhiệt. Nhiệt độ của
lò phản ứng được cài đặt theo
giá trị định trước tại tủ điều
khiển. Nhiên liệu được sử dụng
cho đầu đốt cấp nhiệt là dầu
DO (hoặc dầu nhiệt phân) và
khí nhiệt phân khơng hóa lỏng
được còn lại trong q trình
hoạt động của hệ
thống thiết bị. Khí thải
(sản phẩm cháy) từ
buồng cấp nhiệt theo
hệ thống đường ống
qua bộ phận xử lý khí
thải dùng than hoạt
tính và được thải ra
mơi trường qua ống
khói. Phản ứng nhiệt
phân xảy ra khi nhiệt
độ trong lò phản ứng
đạt giá trị nhiệt độ
nhiệt phân đã thiết
lập. Phế thải da thuộc
bị nhiệt phân thành
hỗn hợp khí - hơi
nhiệt phân đi ra khỏi
lò phản ứng sang hệ
thống thiết bị phân ly,

ngưng tụ hóa lỏng,
phần còn lại là than nhiệt phân
ở lại trong lò phản ứng sẽ được
lấy ra ở giai đoạn kết thúc mẻ
nhiệt phân bằng bộ phận tháo
tro ở đáy lò và chuyển vào
thùng chứa.
Hỗn hợp khí - hơi nhiệt phân
sau khi ra khỏi lò phản ứng qua
cửa ra khí ở đỉnh lò đi qua thiết
bị phân ly I – cyclone đơn –

Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2014

91


K t qu nghiên c u KHCN

tách phần tro than bị cuốn theo
trong q trình chuyển động
của dòng khí-hơi. Phần tro than
(nếu có) được tách bởi thiết bị
phân ly I sẽ chuyển đến thùng
chứa. Hỗn hợp khí-hơi nhiệt
phân đã được tách tro than sẽ
qua cửa ra ở đỉnh thiết bị phân
ly I, chuyển sang thiết bị ngưng
tụ dạng gián tiếp, thiết bị hấp
thụ - ngưng dầu dạng trực tiếp

để thu dầu nhiệt phân. Phần
khí nhiệt phân khơng hóa lỏng
được còn lại sẽ di chuyển sang
thiết bị phân ly III - có nhiệm vụ
tách pha lỏng và pha khí, pha
lỏng chảy theo đường ống ra
ngồi, khí nhiệt phân được đi
tiếp đến buồng cấp nhiệt làm
nhiên liệu cho q trình cháy
cấp nhiệt cho q trình nhiệt
phân.
Sản phẩm dầu nhiệt phân sẽ
được đưa vào bình chứa sản
phẩm hoặc cung cấp cho
buồng cấp nhiệt làm nhiên liệu.
Cặn dầu được thu gom riêng
và chuyển vào lò phản ứng để
nhiệt phân trong mẻ tiếp theo.
Nh n xét:
Kết quả thực nghiệm cho
thấy, phế thải da thuộc trên kém
bền với nhiệt nên dễ bị phân
hủy bởi nhiệt. Ở chế độ nhiệt độ
thích hợp (trong khoảng 280 –
4000C), áp suất thấp (< 1 at),
trong mơi trường khơng có oxy
hoặc thiếu oxy, phế thải da
thuộc bị phân hủy (phản ứng
cracking nhiệt) tạo thành than
bán cốc, dầu nhiệt phân (sau

ngưng tụ) có hàm lượng lưu
huỳnh rất thấp và khí nhiệt phân
(khí tổng hợp có đặc tính hóa lý
như khí biogas) [2, 3].

92

Các sản phẩm này đều có giá trị về mặt năng lượng: nhiệt trị
than nhiệt phân có giá trị tương đương nhiệt trị than cám 5, nhiệt
trị dầu nhiệt phân có giá trị gần bằng nhiệt trị dầu FO, DO; lượng
khí nhiệt phân lớn được quay lại sử dụng trực tiếp đốt gia nhiệt
cho q trình nhiệt phân, góp phần giảm chi phí vận hành. Sản
phẩm cháy của dầu, khí và than nhiệt phân qua quan trắc, đo đạc
phân tích đều an tồn về các chỉ tiêu phát thải, hồn tồn có thể
sử dụng làm nhiên liệu đốt.
Kết quả quan trắc, đo đạc phân tích được thể hiện trong các
bảng 1, 2, 3, 4.

Mặt khác, qua nghiên cứu thực nghiệm đã xác định được
khoảng nhiệt độ diễn ra q trình nhiệt phân, chế độ nhiệt độ phù
hợp với mục tiêu tạo tỷ lệ sản phẩm dầu nhiệt phân nhiều nhất;
hướng điều chỉnh chế độ nhiệt độ nhiệt phân và tốc độ nâng nhiệt
để thu được tỷ lệ nhiều hay ít khí hoặc than nhiệt phân đối với phế
thải da thuộc. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm của đề tài đã được
sử dụng làm cơ sở xây dựng u cầu và định mức thiết kế hệ
thống thiết bị nhiệt phân (chế độ nhiệt độ nhiệt phân, tốc độ nâng
nhiệt của lò phản ứng nhiệt phân…).
B ng 1. K t qu phân tích d u nhi t phân da thu c 2
Chỉ tiêu
phân tích

Phương
pháp

Dầu nhiệt phân

Đơn vò

da thuộc

thử

Nhiệt độ chớp
cháy cốc kín

ASTM D
93 - 10

Nhiệt trò

ASTM D
240 - 07

Hàm lượng lưu
huỳnh

ASTM D
129 - 00

o

C

< 25

kcal/kg

7878

%KL

0,041

B ng 2. K t qu phân tích than nhi t phân ph th i da thu c 3
Chỉ tiêu

Phương

phân tích

pháp thử

Hàm lượng
tro

ASTM D
3174

Nhiệt trò

ASTM D
240 – 072/
D48063

Đơn vò
%
kh. lg
kcal/kg

Than

Than nhiệt

cám 5

phân da thuộc

26 – 33

43,99

5.500

5804

Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2014


K t qu nghiên c u KHCN

B ng 3. K t qu phân tích s n ph m cháy khí nhi t phân 1
Chỉ tiêu
phân tích
SO2

NOx

CO

Thiết bò
phân tích
SA633 Kimoto
electric Co.,
LTD
NA 623
Kimoto electric
Co., LTD
CO ZRF
Kimoto electric
Co., LTD

Đơn
vò

QCVN
19:2009

SPC khí nhiệt
phân da thuộc

mg/m3

500

85,3

mg/m3

850

38,1

mg/m3

1.000

66,8

B ng 4. K t qu quan tr c khí th i t h p thi t b nhi t phân ph
th i da thu c1
Vò trí lấy mẫu

Thông số

o

quả

QCVN
30:2010/

BTNMT

48

-

53,58

150

0

300

NOx

1,06

500

CO

24,66

300

Nhiệt độ
Trong ống khói
thải tổ hợp thiết
bò nhiệt phân khi

đốt dầu và khí
nhiệt phân

Đơn vò

Kết

C

Bụi (TSP)
trung bình
SO2

mg/Nm3

Ghi chú:
1: Kết quả phân tích do Trạm Quan trắc và Phân tích Mơi
trường lao động, Viện Nghiên cứu KHKT Bảo hộ lao động –
WEMOS thực hiện;
2: Kết quả phân tích do VILAS 067 - Phòng Thử nghiệm
Hóa chất và Vật liệu, Trung tâm Phụ gia Dầu mỏ, Viện Hóa
học Cơng nghiệp Việt Nam thực hiện;
3: Kết quả phân tích do phòng Nhiên liệu – Dầu – Mỡ, Viện
Hóa học – Vật liệu, Bộ Quốc Phòng thực hiện)
IV. KẾT LUẬN

Bài báo đã giới thiệu kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo và
chạy khảo nghiệm tổ hợp thiết bị nhiệt phân nhiệt độ thấp xử lý
phế thải da thuộc phát sinh từ q trình gia cơng sản xuất giầy da.

Qua kết quả chạy khảo
nghiệm, đo đạc, phân tích và
quan trắc cho phép kết luận:

- Tổ hợp thiết bị nhiệt phân
nhiệt độ thấp đã chế tạo được
thiết kế đồng bộ, hợp lý. Các
thơng số hoạt động điều khiển
phù hợp cho phế thải da thuộc.
Các chỉ số phát thải của tổ hợp
thiết bị nằm trong chỉ tiêu quy
chuẩn Việt Nam cho phép đối
với lò đốt chất thải cơng
nghiệp;
- Sản phẩm nhiệt phân: than,
dầu, khí có giá trị sử dụng về
mặt nhiên liệu đốt. Sản phẩm
cháy của các dạng sản phẩm
nhiên liệu nhiệt phân thu được
nằm trong chỉ tiêu phát thải quy
chuẩn Việt Nam quy định.

- Có thể sử dụng tổ hợp thiết
bị nhiệt phân trong các nhà
máy xử lý chất thải và trong
nhà máy có sử dụng nhiên liệu
đốt truyền thống.
TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Young Gary.C. (2010).

Municipal solid waste to energy
conversion processes. John
Wiley & Sons,Inc., Hoboken,
NewJersey.

[2]. Thomas P. Wampler (2007).
Applied Pyrolysis Handbook.
CRC Press Taylor & Francis
Group.
[3]. Nguyễn Hữu Đĩnh, Đỗ Đình
Rãng (2003). Hóa học hữu cơ.
NXB. Giáo dục. Hà Nội.

Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2014

93