Phương án xử lý rác nhiều hữu cơ phát điện - một số chỉ tiêu kỹ thuật

TÓM TẮT:

Nghiên cứu đề cập đến phương án xử lý rác thải nhiều hữu cơ (HC) bằng phương án tách một phần HC ra khỏi rác để xử lý phát điện riêng bằng hệ thống lên men khô, xây dựng phần mềm tính toán các thông số kỹ thuật và cân bằng năng lượng, vật chất của phương án. Nghiên cứu cho thấy, đầu tư thêm hệ thống tách lọc HC, hiệu quả mang lại là rõ rệt, công suất lò đốt - lò hơi giảm, hiệu quả tận dụng nhiệt tăng, lượng điện sản xuất tăng. Giải pháp công nghệ đưa ra có thể áp dụng cho xử lý rác theo modun với lượng rác 300 - 700 tấn/ngày.

Từ khóa: điện rác, lên men khô, tách lọc rác, xử lý rác phát điện, nhiệt trị rác.

1. Đặt vấn đề

Việc xử lý rác thải tận dụng nhiệt để phát điện đang là vấn đề được quan tâm tại Việt Nam cũng như tại các nước đang phát triển. Các chính sách tại Việt Nam về xử lý chất thải rắn (CTR): Luật Bảo vệ môi trường năm 2014, Quyết  định  số 2149/QĐ-TTg (2009), Quyết định số 31/2014/QĐ-TTg đều hướng đến việc xử lý CTR tận dụng năng lượng, như vậy việc đầu tư các nhà máy (NM) điện rác tại các địa phương là xu thế tất yếu/. Tại Việt Nam, rác thường chưa được phân loại, thành phần rác phụ thuộc vào vùng miền, tỉ lệ HC lớn: (rác chợ: 86%, rác hộ gia đình: 60%[13]). Nếu đốt trực tiếp, dù rác để trong hố nhận nhiều ngày thì độ ẩm rác vẫn cao. Ở các vùng miền Việt Nam, rác hữu cơ chiếm từ 53-77%[13,15], nên độ ẩm cao và đó là một trong những thách thức về kinh tế và đầu tư khi xây dựng NM điện rác. Thành phần hữu cơ của rác ở các nước đang phát triển khác cũng khá cao, Mexico: 60%, Thái Lan: 61%, Bangladesh: 84%. Một trong những giải pháp là phải tách phần hữu cơ ra trước khi đốt rác phát điện[4, 13, 14, 17]. Các NM điện rác hiện nay ở các nước phát triển đang đốt rác trực tiếp [16]. Việt Nam cũng đang có 2 NM điện rác đốt trực tiếp, rác được chứa trong hố để giảm ẩm. Tại Trung Quốc có gần 200 NM điện rác, nhiệt trị rác thấp, từ 3.000-6.700kJ/kg, độ ẩm đến 50%[19]. Tại các NM điện rác ở Ấn Độ, độ ẩm rác lên đến 54%, rác chứa trong hố 6 ngày để tách ẩm, nhiệt trị rác tăng từ 5.812kJ/kg lên đến 6.900kJ/kg[16].

Nghiên cứu này tập trung vào tính toán tách HC ra xử lý riêng khỏi rác đốt. Kết quả  có thể được áp dụng cho bài toán xử lý rác ở Việt Nam và các nước đang phát triển.

2. Phương án xử lý chất thải rắn nhiều hữu cơ

Chất HC trong rác bao gồm: thức ăn thừa, rau củ quả thừa, rác chợ hỗn tạp, lá cây, rác vườn, phân gia súc gia cầm, chất thải NM chế biến gia súc, NM sản xuất giấy, bột giấy, NM thực phẩm… thường có độ ẩm rất lớn[1]. Phương án tách HC trước khi đốt rác phát điện[4,16,20] và tổng hợp về các phương pháp xử lý CTR[17] đã nêu rõ xử lý HC dùng phương án sinh khí sẽ có lợi hơn.

Đối với chất thải HC, đã có nhiều nghiên cứu về xử lý bằng phương án lên men yếm khí Anaebobic Digestion (AD) sinh khí biogas. Nguyen T.V.[14]  đã tính cho rác Thành phố Hồ Chí Minh, với lượng hữu cơ 1 ngày 4.500 - 5850 tấn nếu sinh khí sẽ sản xuất ra 540.000 - 702.000 m³. Ildefonso[10]  tổng hợp về thiết bị AD từ rác HC của các hãng châu Âu. NAGY V. [9]  thực hiện thí nghiệm sinh khí biogas đối với rác HC. Vai trò AD ở châu Âu tăng dần trong những năm gần đây.

Đối với HC phân hủy để sinh khí, các khái niệm độ ẩm (W: water), chất rắn toàn phần TS (total solid), chất rắn bốc hơi VS (volatile solid) là quan trọng để xác định lượng khí sinh ra.

Hình 1 cho phương án xử lý rác nhiều HC. Rác tươi được tách lọc thành HC, rác đốt và vô cơ (HC tách ra khoảng 40 - 80%). HC được lên men yếm khí (AD) để sinh khí biogas đưa vào động cơ khí và phát điện. Bã HC được sấy và đốt lẫn với rác đốt trong buồng đốt lò hơi. Phần phát điện dùng lò hơi turbine. Phần tro xỉ sau đốt có thể được tận dụng 1 phần để làm gạch, giảm phần chôn lấp. Với phương án này, khối lượng rác vào đốt sẽ giảm đáng kể, giảm qui mô của buồng đốt, lò hơi, turbine. Rác dễ cháy hơn do độ ẩm giảm so với ban đầu, quá trình đốt sinh ra ít chất gây ô nhiễm môi trường hơn.

Nghiên cứu tính toán dòng vật chất và năng lượng để xác định tính hiệu quả của Nhà máy điện rác theo phương án này.

Hình 1: Phương án xử lý rác nhiều hữu cơ phát điện

Nguồn: Nhóm tác giả nghiên cứu

3. Xác định thành phần nguyên tố và nhiệt trị rác của phương án

Để tính toán các phương án XLR như một loại nhiên liệu, cần xác định thành phần nguyên tố (TPNT) và từ đó xác định nhiệt trị thấp (NT) theo công thức Mendeleep:

     Q_t=((340*C^ar+1250*H^ar+110*(S^ar-O^ar)))*100-25*(9*H^ar+W^ar)*100;kJ/kg  (1)

Trong đó, với C, H, S, O, W: thành phần khối lượng ở điều kiện sử dụng ar, kg/kg. Nhiệt trị cao xác định theo công thức: Q_c= Q_t + 25*(9*H^ar+W^ar)*100; kJ/kg    (2)

Trong một số nghiên cứu cho gần đúng TPNT của rác hữu cơ. Ví dụ,  Mohamad[11]  cho công thức của rác hữu cơ C₆H_9,6O_3,5N_0,28S_0,2; của giấy: C₆H_9,6O_3,54N_0,036S_0,01. Một số lấy công thức gần đúng cho rác hữu cơ là C₆H₁₀O₄.

Hình 2. Sơ đồ tính TPNT và NT của rác

 Nguồn: Nhóm tác giả nghiên cứu

Sơ đồ tính được cho trong Hình 2. Mỗi thành phần cơ bản đã được nghiên cứu, xác định TPNT cho mẫu khô[11, 12]  nên có thể xác định TPNT và NT của rác tươi. Từ tỉ lệ tách hữu cơ và vô cơ, xác định TPNT và NT của rác đốt và hữu cơ, từ đó xác định dòng vật chất và dòng năng lượng. 

Ví dụ: Rác có thành phần cơ bản như cho trong Bảng 1, cột 1,2,3. HC được phân ra thành các thành phần, như: lá cây + cỏ, thức ăn thừa, rau thừa, hoa quả thừa, rác vườn. Hình 3 cho cái nhìn tổng quát về rác, thành phần HC lớn đến 65%.

Bảng 1. Thành phần cơ bản của rác thải tươi

			Thành phần nguyên tố, db (dry basic): mẫu khô
Thành phần cơ bản trong rác thải	% KL	W, %	C, db	H, db	O, db	N, db	S, db	A, db	Cộng
(1)	(2)	(3)	(4)	(5)	(6)	(7)	(8)	(9)	(10)
Lá cây + cỏ	10,00	40	42,50	5,86	42,99	0,98	0,39	7,28	100
Thức ăn thừa	15,00	65	45,06	6,98	40,28	2,90	0,27	4,51	100
Rau thừa	22,80	85	45,06	6,98	40,28	2,90	0,27	4,51	100
Hoa quả thừa	18,00	80	48,50	6,20	39,50	1,40	0,20	4,20	100
Nhựa	5,00	1,7	62,50	4,76	32,00	0,03	0,09	0,62	100
Giấy	6,50	6,23	34,96	4,60	48,51	0,08	0,08	11,77	100
Gỗ	3,20	35	41,93	5,72	44,40	0,70	0,10	7,15	100
vải	3,20	10	52,54	5,69	40,71	0,44	0,21	0,41	100
Cao su	0,50	11	45,72	6,67	30,80	1,45	0,39	14,97	100
Da	0,50	11	60,00	8,00	11,60	10,00	0,40	10,00	100
Chất cháy khác	4,40	15	46,00	6,00	38,00	3,40	0,30	6,30	100
kim loại	0,80	3	4,50	0,60	4,30	0,10	0,00	90,50	100
Thủy tinh	1,40	2	0,50	0,10	0,40	0,10	0,00	98,90	100
Chất trơ khác	8,70	20	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	100,00	100
Cộng	100

Nguồn: Nhóm tác giả nghiên cứu

Nguồn: Nhóm tác giả nghiên cứu

Ví dụ: Tỉ lệ tách HC ra khỏi rác là 60%, chất trơ là 30%, kim loại là 90% và thủy tinh là 80%.

Kết quả tính toán để phục vụ cho sơ đồ trong Hình 4 sẽ bao gồm: TPNT và NT của toàn bộ quá trình.  

Ngoài ra, Bảng 2 cũng cho thấy dòng vật chất trong cả quá trình, tính cho lượng rác ban đầu là 500 tấn/ngày. Q_t và Q_c được tính theo công thức (1) và (2):

Bảng 2. Thành phần nguyên tố và nhiệt trị của rác trong quá trình xử lý

 Nguồn: Nhóm tác giả nghiên cứu

Nguồn: Nhóm tác giả nghiên cứu

Từ Bảng 2, có thể viết công thức quy đổi:

- Cho rác tươi ban đầu: C₆H_9,08O_3,937N_0,164S_0,0108

- Cho rác tách để đốt: C₆H_8,595O_3,871N_0,140S_0,0093

- Cho thành phần HC tách ra: C₆H_10,381O_4,133N_0,226S_0,0151

- Nước ép ra là 100,8T/ngày.

4. Tính cân bằng nhiệt và vật chất

Phản ứng sinh khí biogas từ HC:

C₄H₁₀O₄ + 1,5H₂O à 3,25CH₄ + 2,75CO₂

Theo phản ứng thì tỉ lệ thể tích là CH₄:CO₂ là 54:46. Một số thực nghiệm xác định lượng biogas sinh ra đối với hữu cơ độ ẩm 80% là 114 Nm³/tấn HC ẩm, tương ứng 573Nm³/tấn HC khô. Như vậy, nếu tỉ lệ VS của HC trên mẫu khô là 80%, thì phần VS phân hủy sinh khí là 73,9%kl, (khối lượng riêng biogas là 1,289kg/Nm³), hay phần VS chuyển thành biogas đạt 92,3%. Trong hệ thống AD thực tế lượng biogas sinh ra dao động từ 80 - 200 Nm³/tấn HC ẩm.

Dòng nhiệt hay dòng năng lượng được xác định bằng các công thức:

- Đối với rác vào đốt, chỉ xác định lượng nhiệt có ích khi đốt nên dùng Q_t:

                                  Q_RA=G_RA*Q_t, kW                                               (3)

- Đối với HC tách ra, xác định nhiệt có ích có thể sử dụng sinh khí nên dùng Q_c:

                                  Q_HC=G_HC*Q_c, kW                                               (4)

- Đối với biogas, dòng nhiệt xác định theo nhiệt trị của biogas HV:

                                  Q_Bi=V_Bi*HV, kW                                                  (5)

Với G_RA và G_HC: kg/s; V_Bi: Nm³/s; HV: kJ/Nm³

+ Với tỉ lệ trên, lượng HC tách ra là G_HC=197,4Tấn/ngày, Q_cHC = 4788kJ/kg, dòng nhiệt HC lấy theo là:

                         Q_HC=G_HC*HHV_HC = 197,4*1000/24/3600*4.788 = 10.940kW

+ Lấy khả năng sinh khí là 115 Nm³/tấn hữu cơ ẩm, nhiệt trị biogas là HV= 19.330kJ/Nm³, lượng biogas sinh ra là 22.700 Nm³/ngày, tương ứng dòng nhiệt:

                            Q_Bi=V_Bi*HV = 22.700/24/3600*19.330 = 5.078kW

 Như vậy, dòng nhiệt do biogas lấy đi so với dòng nhiệt HC tách ra bằng: a =  Q_Bi/ Q_HC = 46,42%. Dòng nhiệt bã hữu cơ còn lại là: Q_ba = Q_HC  -  Q_Bi = 5861kW.

Ưu điểm của tách HC ra xử lý phát điện riêng là về mặt năng lượng sẽ không bị mất đi phần chênh lệch giữa nhiệt trị thấp Q_t và cao Q_c. Tổ máy Genset có hiệu suất nhiệt điện cao hơn so với tổ lò hơi - turbine. (39% so với 21,5%).

Kết quả tính toán cân bằng vật chất và năng lượng được thể hiện tại Hình 5. Kết quả tính cho 500 tấn rác/ngày cho thấy, nếu đốt trực tiếp trong buồng đốt rác, công suất nhiệt đưa vào chỉ là 31.440kW, trong khi nếu tách HC ra xử lý riêng thì phần công suất nhiệt của biogas là 5.078kW và của rác vào đốt là 28.899kW, tổng là 28.899+5.078 = 33.977kW, tức lớn hơn công suất nhiệt ban đầu khoảng 8%. Công suất điện phát ra từ 2 nguồn: cụm Genset (tổ máy động cơ - máy phát) 1.980kW và turbine hơi 6.212kW, tổng 8.192kW. Nếu chỉ đốt phát điện thì công suất điện sản xuất ra là 21,5%*31.440kW = 6.760kW. Như vậy, phương án tách HC ra xử lý phát điện riêng, lượng điện sản xuất ra sẽ lớn hơn 8.192/6.760 = 1,21 lần hay lớn hơn 1.432kW. Với phương án tách HC, nhiệt thừa sau genset sẽ được sử dụng để sấy bã HC và làm tăng nhiệt trị lên đến 12.059kJ/kg.

Hình 5: Cân bằng vật chất và năng lượng

Nguồn: Nhóm tác giả nghiên cứu

5. Kết luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy, với rác nhiều hữu cơ, nếu tách một phần hữu cơ ra để xử lý phát điện bổ sung thì hiệu quả sử dụng nhiệt sẽ tăng lên. Lượng rác đốt giảm, nhiệt trị rác đốt tăng, giảm qui mô phần buồng đốt, lò hơi, turbine và hệ xử lý khói thải. Sản lượng điện tăng lên theo mức độ tách HC.

Với rác nhiều HC như ở Việt Nam và các nước đang phát triển, rất cần các giải pháp hợp lý để xử lý rác tận dụng nhiệt để phát điện. Nghiên cứu tính toán các chỉ tiêu kỹ thuật sẽ góp một phần vào quyết định cho các nhà đầu tư xây dựng các Nhà máy xử lý rác ở Việt Nam sao cho hiệu quả và thân thiện hơn với môi trường. Nghiên cứu sẽ còn tiếp tục với phần tính hiệu quả kinh tế nếu áp dụng giải pháp này và Việt Nam làm chủ được các công nghệ liên quan.

 

Chúng tôi trân trọng cảm ơn Công ty Cổ phần Đầu tư Công nghiệp Xuất nhập khẩu Đông Dương (Imex. Co., SJC.) đã hỗ trợ nghiên cứu trong lĩnh vực xử lý chất thải rắn phù hợp điều kiện Việt Nam.

 

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1. Yvonne V., Christian R. L., Christian Z. et al. (2014). Anaerobic Digestion of Biowaste in Developing countries - Practical information and case studies. Switzerland: Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology Department of Water and Sanitation in Developing Countries (Sandec).
2. Khalid A., Arshad M., Anjum M. et al. (2011). The anaerobic digestion of solid organic waste - review. Waste Management, 31(8), 1737-44.
3. Nguyễn Thanh Quang, Bùi Thị Hương Lan. (2005). Nghiên cứu sản xuất, sử dụng khí sinh vật để phát điện. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Nhiệt, 62, 17-19.
4. Phan Quang Xưng, Nguyễn Thanh Quang. (2004). Rác thải và phương hướng xử lý nhiệt. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Nhiệt, 58, 6-8.
5. Nguyễn Thanh Quang (2004). Phát triển Biogas - cải thiện môi trường và tiết kiệm nhiên liệu trong tương lai. Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Đại Học Đà Nẵng, 34-37.
6. Quang, N.T., Bernstein, W.et al. (1998). Die Mitverbrennung von Abfallstoffen in der Zirkulierenden Wirbelschicht - Experimentelle Untersuchungen und mathematische Modellierung. Germany: VDI Berichte Nr. 1387.
7. Nguyễn Thanh Quang, Phan Quang Xưng, Nguyễn Sĩ Mão, et al. (2000). Xử lý rác thải ở Việt Nam: một vấn đề cấp thiết hiện nay. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Nhiệt, 12, 7-9.
8. Mohamad Y., Mustafa, Rajnish K., et al. (2016). Biogas from Organic Waste - A Case Study, 8th International Cold Climate HVAC 2015 Conference, CCHVAC 2015. Procedia Engineering, 146, 310-317.
9. NAGY V., SZABÓ E. (2011). Biogas from organic wastes. Vasile Goldis University Press, 21(4), 887-891.
10. Ildefonso R., Stuart T., Rafaella V., et al. (2020). Dry anaerobic digestion of organic waste: A review of operational parameters and their impact on process performance. Journal Bioresource Technology, 299,122681.
11. Ari D. P., Kilbergen W. G., Aryadi S. (2013). Feasibility of Recovering Energy from Municipal Solid Waste to Generate Electricity. Journal of Engineering and Technological Sciences, 45(3), 241-256.
12. Nehreen Majed. (2015). Physical and Chemical Properties of solid waste CE 431: Solid Waste Management. Retrieved from: https://uap-bd.edu/ce/nehreen/Lecture 2_431.pdf.
13. Bộ Tài nguyên và Môi trường. (2020). Báo cáo hiện trạng môi trường Quốc gia năm 2019. Nhà xuất bản Dân trí.
14. Nguyễn Trung Việt (2012). Tính kinh tế trong hoạt động tái sinh - tái chế chất thải rắn đô thị và sinh hoạt tại Thành phố Hồ Chí Minh. Nội san Khoa học Môi trường và Phát triển bền vững số 3. Khoa Công nghệ và Quản lý Môi trường, Trường Đại học Văn Lang.
15. Jochen Amrehn. (2014). Báo cáo Điện rác. Truy cập tại: http://gizenergy.org.vn/media/app/media/bai trinh bay/1-_Amrehn_Module_1-VIE.pdf.
16. BHOPAL MUNICIPAL SOLID WASTE PRIVATE LIMITED. Retrieved from: http://environmentclearance.nic.in/writereaddata/Online/EDS/0_0_26_Nov_2018_1232465401ADS.pdf
17. Maw M. T., Petr P., Dagmar J., et al. (2020). Renewable Waste-to-Energy in Southeast Asia: Status, Challenges, Opportunities, and Selection of Waste-to-Energy Technologies. Journal Applied Sciences,
18. Bảo Yến (2020). Góp ý hoàn thiện các quy định về quản lý chất thải rắn sinh hoạt trong Luật Bảo vệ môi trường. Truy cập tại: https://quochoi.vn/tintuc/pages/tin-hoat-dong-cua-quoc-hoi.aspx?ItemID=47922>
19. Dongliang Z., Guangqing H., Yimin X., et al. (2015). Waste-to-Energy in China: Key Challenges and Opportunities. Energies, 8, 14182-14196.

 

DETERMINING TECHNICAL FEATURES OF WASTE-TO-ENERGY METHOD WITH PRE-TREATING ORGANIC WASTE

PhD. NGUYEN THANH QUANG ¹

 NGUYEN HOANG KHOI ¹

TRAN KIM SA ²

NGUYEN MINH TAM ²

¹ Faculty of Heat - Refrigeration Engineering,

Industrial University of  Ho Chi Minh City

² Dong Duong Imex. Co., SJC.

ABSTRACT:

This study presents the pre-treatment of municipal solid waste by separating the organic waste for generating electricity with the use of dry fermentation system. In this study, a software was developed to calculate technical parameters and balance energy and material. The study’s results show that the additional investment into the organic waste separation and filtration system leads to the increase in heat utilization and electricity output, and the decrease in  furnace - boiler capacity. The study’s proposed technology solution can be applied to modular-block waste water treatment systems with the waste volume of 300 - 700 tons per day.

Keywords: Waste-to-Energy, dry fermentation, solid waste separation, waste power plant, solid waste heat value.

[Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, 

Số 25, tháng 10 năm 2021]