Thiết kế lò đốt trong xử lý chất thải

PGS.TS ĐINH XN THẮNG

MƠN HỌC: LỊ ĐỐT CHẤT THẢI
Khối lượng: 4 Tín chỉ,
Số tiết: 60; trong đó: Lý thuyết: 42, Bài tập 18
Hình thức đánh giá:
–Tiểu luận:
30%
–Kiểm tra giữa kỳ: 20%
–Thi cuối kỳ:
50%

1


Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT THẢI
RẮN NGUY HẠI
1.

Khái niệm chất thải rắn nguy hại

2.

Phân loại

3.

Tính chất chất thải nguy hại

4.

Các phương pháp xử lý CTRNH

2


1.1 KHÁI NIỆM CTNH
1.1.1 Định nghĩa CTNH
–Theo UNEP: CTNH là các chất thải mà bản chất của nó có khả
năng phản ứng, có tính độc, có tính cháy nổ, tính ăn mòn hoặc
những bản chất khác gây nguy hại hoặc có nguy cơ gây nguy hại
đến sức khỏe con người hoặc môi trường.
–Theo Cơ Quan Bảo Vệ Môi Trường Mỹ (US EPA): CTNH là các
chất thải có một trong bốn tính chất sau:
•
•
•
•

Tính cháy nổ.
Tính ăn mịn (tính axít hoặc tính kiềm cao).
Tính phản ứng.
Tính độc cao (chất thải có khả năng phóng thích các chất đặc biệt vào
nước ở nồng độ cao).

–Theo Việt Nam: CTNH là chất thải có chứa các chất hoặc hợp
chất có một trong các đặc tính gây nguy hại trực tiếp (dễ cháy,
dễ nổ, làm ngộ độc, dễ ăn mòn, dễ lây nhiễm và các đặc tính gây
nguy hại khác) hoặc tương tác với các chất khác gây nguy hại tới
môi trường và sức khỏe con người.
3

1.1 KHÁI NIỆM CTNH
1.1.2 Các đặc tính của chất nguy hại
• Chất có khả năng gây cháy.
• Chất có tính ăn mịn.
• Chất có hoạt tính hố học cao.
• Chất có tính độc hại.
• Chất có khả năng gây ung thư và đột biến gen.
• Do chất độc hại có tác động rõ ràng lên môi trường và sức
khoẻ con người, nên dễ phát hiện và ngăn ngừa, xử lý cũng
dễ dàng hơn. Những chất nguy hại thường không thể hiện
rõ tác động ơ nhiễm của nó nếu chưa đạt đến mức độ giới
hạn
4


1.2 PHÂN LOẠI
1.2.1 Dựa trên bản chất của nguồn gốc sinh ra chất thải
–
–

–
–

CTNH sinh ra từ các hộ gia đình (pin, ắc quy, đèn ống)
CTNH sinh ra từ các cơ sở sản xuất công nghiệp bao gồm
các khu công nghiệp (KCN), khu chế xuất (KCX), các nhà
máy lớn nằm độc lập, riêng rẻ, các cơ sở sản xuất có quy
mô nhỏ và vừa nằm trong khu dân cư.

CTNH sinh ra từ các cơ sở thương nghiệp kinh doanh
xăng, dầu, đại lý thuốc bảo vệ thực vật, dược liệu...)
Chất thải sinh ra từ bệnh viện.

5


1.2 PHÂN LOẠI
1.2.2 Phân loại chất thải dựa trên tính chất nguy hại
•
•
•
•
•

CTNH có mức độ độc hại cao (có chứa chì, thủy ngân,
asen, cadami, PCB...)
CTNH dễ cháy (xăng dầu, dung mơi hữu cơ ...)
CTNH dễ ăn mịn ( axít, kiềm ...)
CTNH dễ nổ ( ví dụ : thuốc nổ hết thời hạn sử dụng )
CTNH dễ lây nhiễm ( ví dụ : bệnh phẩm)

6


1.2 PHÂN LOẠI
1.2.3 Phân loại chất thải dựa theo tính chất hóa học
–
–
–

Chất thải rắn vơ cơ
Hố chất hữu cơ
Chất hữu cơ gốc sinh vật

1.2.4 Phân loại chất thải dựa theo tính chất vật lý
–
–
–

CTNH dạng khí ( hơi dung môi hữu cơ xy len, tolyen ...)
CTNH dạng lỏng (xăng dầu phế thải, dung mơi hữu cơ phế
thải, axít phế thải)
CTNH dạng rắn (bao gồm rắn khối nguyên, rắn dạng hạt, rắn
dạng bột )

1.2.5 Phân loại chất thải dựa theo loại hình cơng nghiệp
Có thể coi đây là phương pháp thích hợp, dễ áp dụng ví dụ chất
thải rắn cơng nghiệp của các ngành dệt nhuộm, may mặc, giày
da, giấy và bột giấy, cơ khí, hóa chất, xăng dầu, điện và điện tử
…

•
7


TÍNHCHẤT
CHẤTCHẤT
CHẤT THẢI
1.31.3

TÍNH
THẢINGUY
NGUYHẠI
HẠI
1.3.1 Tính chất vật lý
– Thành phần
– Độ ẩm
– Tỷ trọng
1.3.2 Tính chất hố học và giá trị nhiệt lượng
– Tính chất hố học
– Giá trị nhiệt lượng

8


1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ CTRNH
1. Phương pháp trơ hóa (cố định và đóng rắn)
2. Phương pháp chơn lấp
3. Phương pháp đốt

9


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÔNG
NGHỆ ĐỐT CHẤT THẢI NGUY HẠI

10


2.1 BẢN CHẤT QUÁ TRÌNH ĐỐT CHẤT THẢI

2.1.1 Các nguyên tắc cơ bản của quá trình cháy
a) Nhiệt độ (Temperature):
- Nhiệt độ của buồng đốt phải phù hợp với loại chất thải cần xử lý
-

Nếu nhiệt độ quá cao, lưu lượng của khí sinh ra quá lớn, ảnh
hưởng đến thời gian lưu khí trong buồng thứ cấp => thời gian
lưu cháy thấp, khí cháy khơng hồn tồn nên sẽ có khói đen,
nồng độ các chất ơ nhiễm như: CO, THC trong khí thải cao.

- Nếu nhiệt độ khơng đủ cao, phản ứng sẽ xảy ra khơng hồn tồn
và sản phẩm khí thải cũng sẽ có khói đen.
11


2.1 BẢN CHẤT QUÁ TRÌNH ĐỐT CHẤT THẢI
b) Độ xáo trộn (Turbulence): Độ xáo trộn có thể đánh giá thơng
qua yếu tố xáo trộn :

luong khơng khí lý thut
F=
×100%
luong khơng khí tơng cơng
Trong đó :
• F : Yếu tố xáo trộn.
• F : Càng gần 100% thì hiệu quả xử lý càng cao.
12


2.1 BẢN CHẤT QUÁ TRÌNH ĐỐT CHẤT THẢI

c) Thời gian lưu (Time)
Thời gian lưu cháy phải đủ để phản ứng oxy hóa xảy ra hồn
tồn. Khi đốt những chất thải nguy hại thì cần phải đảm bảo thời gian
lưu cháy để hạn chế quá trình sinh ra độc chất dioxins/furans.
Các ngun tắc trên có liên hệ khăng khít với nhau, ví dụ khi
nhiệt độ phản ứng cao, xáo trộn tốt thì thời gian phản ứng giảm vẫn bảo
đảm hiệu quả cháy.
Những chất thải có thành phần xenlulơ cao như giấy chẳng hạn khi đốt
chỉ cần duy trì ở nhiệt độ 7600C, thời gian cháy cần tối thiểu 0,5 giây.
Có nhiều chất hữu cơ như Dioxins/Furans chỉ cháy hoàn toàn ở nhiệt độ
trên 1.1000C và thời gian cháy tối thiểu là 2 giây.
13


3.1 BẢN CHẤT QUÁ TRÌNH ĐỐT CHẤT THẢI
2.1 BẢN CHẤT QUÁ TRÌNH ĐỐT CHẤT THẢI
TT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13

14
15
16
17

Chất hữu cơ
Acetic anhydride
Aniline
Benzene
Butene
Carbon tetrachloride
Chloroform
Dichlorobenzen
Ethane
Hexachlorobenzene
Hexachloroethane
Methane
Monochlorobenzene
Nitrobenzene
Pentachlorobiphenyl
Tetrachlorobenzene
Toluene
Trichlorobenzene

Nhiệt độ phân huỷ, 0C
0,5 giây

1,0 giây

2,0 giây

429
782
883
931
1.086
683
909
872
983
781
994
1.109
735
762
1.035
748 – 1.128
901

411
761
837
901
994
658
837
845
932
731
950

1.003
713
742
961
723 – 1.218
853

392
741
794
871
915
634
818
819
886
685
908
913
693
722
894
14
700 – 1.180
808


3.1 BẢN CHẤT QUÁ TRÌNH ĐỐT CHẤT THẢI
3.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình cháy
a) Thành phần và tính chất của chất thải

 Các tính chất của chất thải cần quan tâm khi đốt: thành phần
hoá học của chất thải, khả năng ăn mòn, độ nhớt...
 Ảnh hưởng của từng thành phần hố học đổi với q trình cháy:
cacbon, hydro, lưu huỳnh, oxy và nitơ, độ tro…

15


3.1
2.1 BẢN CHẤT QUÁ TRÌNH ĐỐT CHẤT THẢI
b) Hệ số cấp khí (hệ số dư khơng khí) (α)
Hệ số cấp khí là tỉ số giữa lượng khơng khí thực tế ta cấp vào và lượng
khơng khí tính trên lý thuyết, là thơng số rất quan trọng ảnh hưởng tới
q trình nhiệt phân và đốt chất thải.
Giá trị α liên quan tới sự tăng hay giảm nhiệt độ của lò đốt, tốc độ sinh
‘khí gas’. Hệ số cấp khí được thể hiện qua cơng thức :

Trong đó :

VTT
α=
VLT

•VTT : lượng khơng khí (lượng oxy) được cấp vào buồng.
•VLT : lượng khơng khí (lượng oxy) để oxy hóa hồn tồn chất thải.
16


2.1 BẢN CHẤT Q TRÌNH ĐỐT CHẤT THẢI

Hình 3.1 Đường
biểu diễn quan
hệ giữa nhiệt độ
và hệ số cấp khí

17


3.1
2.1 BẢN CHẤT QUÁ TRÌNH ĐỐT CHẤT THẢI
Nhu cầu cấp khí của một số chất thải
Chất thải

Lượng khơng khí lý thuyết
(m3 khơng khí/ kg chất thải)

Polyetylen
PET
Photoresist
Polystyren
Polyuretan
PVC
Giấy
Bệnh phẩm
Carton
Plastic
Vải
Cao su
Thực phẩm
Rác vườn

12,3
4,2
5,7
10
6,9
6,2
3,1
3,1
2,3
5,9
4,1
9,2
3,6
3,3

18


2.1 BẢN CHẤT QUÁ TRÌNH ĐỐT CHẤT THẢI
c) Nhiệt trị
Nhiệt trị của chất thải là lượng nhiệt sinh ra khi đốt cháy hoàn toàn 1
kg chất thải (Kcal/kg hoặc KJ/kg).
Nhiệt trị của nhiên liệu rắn, lỏng được tính theo cơng thức
Mendeleep :
Q(Kcal/kg) = 81C + 300H + 26(O - S) – 6(9A + W)
Trong đó :
C, H, O, S, A, W là hàm lượng phần trăm trọng lượng của các nguyên
tố carbon, hydro, oxy, lưu huỳnh, tro, độ ẩm trong chất thải.
Vì thành phần Cl, F, N thấp nên thường được bỏ qua trong tính tốn

nhiệt trị.
19


2.1 BẢN CHẤT QUÁ TRÌNH ĐỐT CHẤT THẢI
Nhiệt trị của một số chất thải.
Thành phần

Nhiệt trị Trung bình
(kcal/kg)

Rác làm vườn

1.558

Rác sinh hoạt

2501

Giấy

4004

Carton

3894

Nhựa dẻo

7788

Cao su

5563

Vải

4194

Da

4194

20


2.2 CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ
LÝ CHẤT THẢI CỦA LÒ ĐỐT
2.2.1 Hiệu quả phân huỷ DRE (Destruction and Removal
Efficiency )
Hiệu quả phân hủy là khả năng phân hủy một chất hữu cơ nguy
hại khó phân hủy nhất trong một hỗn hợp chất thải. Hiệu quả phân hủy
thường được áp dụng khi đốt chất thải có thành phần nguy hại và được
tính theo cơng thức sau:

DRE = [(Win – Wout)/Win] x 100%
Trong đó :
•DRE : hiệu quả xử lý chất thải (phá hủy chất thải).
•Win : tải trọng (nồng độ) chất ơ nhiễm đầu vào (kg/giờ).
•Wout : tải trọng (nồng độ) chất ô nhiễm đầu ra (kg/giờ).

Đối với các hợp chất dioxins/furans theo qui định của Mỹ
21
thì hiệu quả phân hủy DRE phải đạt giá trị 99,9999%.


2.2 CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ
LÝ CHẤT THẢI CỦA LÒ ĐỐT
2.2.2 Hiệu quả đốt CE (Combustion Efficiency )
Để đánh giá hiệu quả của quá trình cháy người ta có thể sử dụng một
trong hai chất là CO và tổng hydrocácbon (THC), tuy nhiên việc đo
nồng độ THC phức tạp hơn so với CO nhiều nên người ta hay đánh
giá thông qua CO và CO2. Hiệu quả đốt được tính theo cơng thức
sau:

[
CO2 ]
CE =
x100%
{[ CO ] + [ CO2 ]}

Trong đó :
CO2, CO : nồng độ phần trăm theo thể tích trong khí thải khơ ở
điều kiện chuẩn ở 7% hoặc 9% O2.
Đối với lò đốt chất thải nguy hại thì u cầu hiệu quả lị đốt phải
22
đạt trên 99,9%


2.2 CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ

XỬ LÝ CHẤT THẢI CỦA LÒ ĐỐT
2.2.3 Chỉ số cháy I (Incinerability Index)
Trong hỗn hợp các chất hữu cơ đem đốt cần xác định chất “khó
bị cháy nhất” để đánh giá. Tức là thông qua chỉ số cháy I như sau:

I = C + (a/H)
Trong đó:
•

a - hằng số, a = 100kcal/gam;

•

I - chỉ số cháy, khơng thứ ngun;

•

C - hàm lượng, phần trăm

•

H - nhiệt trị, kcal/gam.

Giá trị I càng cao có nghĩa là chất càng khó bị cháy.

23


2.2 CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ
LÝ CHẤT THẢI CỦA LÒ ĐỐT

2.2.4 Hiệu chỉnh nồng độ các chất trong khí thải
Nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí thải thông thường được đưa
về cùng một điều kiện chuẩn theo 3% , 7%, 11% O2 hoặc 12% CO2 khí
khơ (% thể tích khí khơ).
Nồng độ chuẩn theo ơxy:
Pn = Pm x (21 – n)/(21 – Y)
•Trong đó :
• Pn - nồng độ đã hiệu chuẩn theo n% O2 (n = 3,7,11)
•
•

Pm - nồng độ đo được
Y - nồng độ ôxy đo được trong khí thải

Nồng độ chuẩn theo 12% CO2:

P12 = Pm x 12/[CO2]m

Trong đó :
• P12 - nồng độ chất ơ nhiễm ở 12% CO2
• Pm - nồng độ đo được trong điều kiện lấy mẫu
•

[CO ] - nồng độ CO đo được trong khí thải trong điều kiện thu mẫu.

24


2.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA LÒ ĐỐT

NHIỆT PHÂN
2.3.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình nhiệt phân
Chất thải → Các chất bay hơi hay “khí gas”+ cặn rắn.
Trong đó : Khí gas gồm : CxHy, H2, COx, NOx, SOx và hơi nước.
Cặn rắn : Carbon cố định + tro.

25