Đồ án mô phỏng quá trình hóa khí viên nén RDF - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM

Đồ án tốt nghiệp công nghệ kỹ thuật nhiệt mô phỏng quá trình hóa khí viên nén RDF. Nghiên cứu cung cấp số liệu phân tích hiệu suất và cơ chế phản ứng chi tiết.

• Tác giả: Nguyễn Tấn Phát
• Người hướng dẫn: TS. Lê Minh Nhựt
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật nhiệt
• Đề tài: Mô phỏng quá trình hóa khí viên nén RDF
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô phỏng quá trình hóa khí viên nén RDF

Hóa khí viên nén RDF là công nghệ nhiệt hóa tiên tiến. Quá trình này biến đổi chất thải rắn thành khí tổng hợp giàu năng lượng. Thành phần chính của syngas gồm carbon monoxide, hydro và methane. Công nghệ này giúp giảm thiểu đáng kể khối lượng chất thải chôn lấp. Việc chế biến rác thải sinh hoạt thành nhiên liệu RDF mang lại giá trị kinh tế cao. Tuy nhiên, các thí nghiệm thực tế thường tốn kém nhiều chi phí và thời gian. Do đó, phần mềm Aspen Plus trở thành công cụ mô phỏng đắc lực cho các nhà nghiên cứu. Aspen Plus cho phép thiết lập mô hình nhiệt động học với độ tin cậy cao. Phần mềm hỗ trợ dự đoán thành phần khí sinh ra và tính toán cân bằng năng lượng toàn diện. Các kỹ sư có thể khảo sát và tối ưu hóa các thông số vận hành trước khi chế tạo hệ thống thực tế. Mô hình mô phỏng giúp đánh giá chính xác ảnh hưởng của nhiệt độ và tỷ lệ cấp khí. Đây là giải pháp khoa học then chốt thúc đẩy công nghệ biến rác thành năng lượng phát triển mạnh mẽ.

1.1. Khái niệm và đặc tính nhiên liệu viên nén RDF

Viên nén RDF được sản xuất từ các thành phần cháy được trong chất thải rắn sinh hoạt và công nghiệp. Quy trình chế biến bao gồm các bước phân loại, sấy khô, nghiền nhỏ và ép viên định hình dưới áp suất cao. Sản phẩm viên nén có độ ẩm thấp dưới 15% và nhiệt trị cao ổn định so với rác thải thô ban đầu. Quá trình nén ép giúp tăng đáng kể khối lượng riêng của nhiên liệu, tạo thuận lợi lớn cho việc vận chuyển và lưu trữ lâu dài. Thành phần RDF chứa tỷ lệ chất bốc cao và hàm lượng tro tương đối thấp. Đây là nguồn nhiên liệu tái tạo tiềm năng thay thế than đá trong các ngành công nghiệp. Sử dụng RDF giúp giảm áp lực chôn lấp rác và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.

1.2. Vai trò của phần mềm Aspen Plus trong mô phỏng hóa khí

Aspen Plus là phần mềm mô phỏng nhiệt động học hàng đầu trong công nghệ hóa chất và năng lượng. Công cụ này có khả năng xử lý hiệu quả các cấu tử không thông thường như sinh khối, than đá và viên nén RDF. Phần mềm ứng dụng phương pháp cân bằng nhiệt động và cực tiểu hóa năng lượng tự do Gibbs để giải các bài toán phản ứng phức tạp. Người dùng có thể tính toán chính xác cân bằng vật chất và năng lượng cho toàn bộ hệ thống hóa khí. Aspen Plus cung cấp hệ thống thư viện mô hình đa dạng và các công cụ phân tích độ nhạy thông số. Nhờ đó, việc dự báo hiệu suất chuyển hóa khí tổng hợp đạt độ tin cậy khoa học rất cao.

II. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hóa khí viên nén RDF

Quá trình hóa khí viên nén RDF chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi nhiều thông số kỹ thuật phức tạp. Hệ số tương đương không khí đóng vai trò quyết định đến chất lượng và thành phần khí syngas đầu ra. Tỷ lệ cấp oxy không phù hợp sẽ làm suy giảm nghiêm trọng nhiệt trị của sản phẩm khí. Nếu lượng oxy quá thấp, quá trình khí hóa diễn ra không triệt để và hình thành nhiều muội than. Ngược lại, lượng oxy dư thừa sẽ thúc đẩy phản ứng cháy hoàn toàn tạo ra nhiều khí carbonic không mong muốn. Độ ẩm của viên nén RDF cũng là một thách thức kỹ thuật lớn đối với quá trình vận hành. Độ ẩm cao tiêu hao lượng nhiệt lớn để bay hơi nước trong giai đoạn sấy ban đầu. Hiện tượng này làm sụt giảm nhiệt độ vùng phản ứng và giảm hiệu suất sinh khí hydro. Ngoài ra, sự xuất hiện của hợp chất hắc ín gây tắc nghẽn đường ống và hỏng hóc các thiết bị xử lý khí. Sự biến động về thành phần rác thải đầu vào gây khó khăn cho việc duy trì điều kiện vận hành tối ưu. Việc kiểm soát các phản ứng dị thể đòi hỏi dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác.

2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và hệ số tương đương không khí

Nhiệt độ buồng hóa khí tác động trực tiếp đến tốc độ phản ứng và sự phân hủy của hợp chất hắc ín. Nhiệt độ cao thúc đẩy mạnh mẽ các phản ứng thu nhiệt, làm tăng nồng độ khí CO và H2 trong syngas. Khi nhiệt độ vượt quá 800 độ C, hiệu suất chuyển hóa carbon tăng lên đáng kể. Tuy nhiên, nhiệt độ quá cao có thể gây kết tụ tro và làm hư hỏng cấu trúc lò phản ứng. Hệ số tương đương không khí tối ưu thường nằm trong phạm vi từ 0.2 đến 0.4. Tỷ lệ này đảm bảo sự cân bằng hài hòa giữa phản ứng tỏa nhiệt và phản ứng thu nhiệt. Vận hành ngoài dải tỷ lệ này sẽ làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng khí.

2.2. Thách thức từ độ ẩm và sự hình thành tro xỉ trong lò hóa khí

Độ ẩm cao trong nhiên liệu rắn làm giảm đáng kể hiệu suất nhiệt của toàn bộ quá trình hóa khí. Năng lượng tiêu hao cho việc sấy khô làm giảm nhiệt độ phản ứng, cản trở quá trình nhiệt phân diễn ra hoàn toàn. Đồng thời, độ ẩm cao làm tăng hàm lượng hơi nước và khí CO2 trong sản phẩm khí tổng hợp. Bên cạnh đó, các khoáng chất trong tro của RDF tiềm ẩn nguy cơ gây tắc nghẽn và đóng xỉ ở nhiệt độ cao. Hiện tượng tro nóng chảy bám dính vào bề mặt truyền nhiệt làm giảm hiệu quả trao đổi nhiệt của thiết bị. Việc kiểm soát thành phần tro đòi hỏi hệ thống xả xỉ chuyên dụng và chi phí bảo trì định kỳ.

III. Phương pháp xây dựng mô hình hóa khí viên nén RDF bằng Aspen Plus

Xây dựng mô hình hóa khí trên Aspen Plus đòi hỏi quy trình thiết lập bài bản và chặt chẽ. Nhiên liệu RDF và tro xỉ được định nghĩa dưới dạng các cấu tử không thông thường trong cơ sở dữ liệu. Người nghiên cứu sử dụng mô hình nhiệt động HCOALGEN để tính toán enthalpy và DCOALIGT để xác định khối lượng riêng. Dữ liệu phân tích thành phần tức thời và phân tích nguyên tố được nhập trực tiếp vào hệ thống. Quá trình hóa khí được chia tách thành các khối phản ứng chuyên biệt để phản ánh đúng hiện tượng vật lý. Khối RYield thực hiện phân rã nhiệt phân nhiên liệu RDF thành các nguyên tố hóa học cơ bản. Tiếp theo, khối RGibbs mô phỏng các phản ứng cháy và phản ứng hóa khí dựa trên nguyên lý cân bằng năng lượng tự do Gibbs cực tiểu. Khối SSplit được cấu hình để phân tách dòng tro rắn ra khỏi dòng khí syngas sạch. Việc thiết lập đúng dòng hồi lưu và điều kiện biên giúp mô hình đạt độ hội tụ nhanh chóng. Kết quả mô phỏng cung cấp dữ liệu toàn diện về lưu lượng, nhiệt trị và thành phần khí.

3.1. Khai báo đặc tính nhiên liệu không thông thường trong Aspen Plus

Aspen Plus yêu cầu khai báo đầy đủ các đặc tính kỹ thuật của viên nén RDF dưới dạng cấu tử phi quy ước. Người dùng cần nhập kết quả phân tích tức thời gồm độ ẩm, chất bốc, carbon cố định và độ tro. Kết quả phân tích nguyên tố bao gồm tỷ lệ phần trăm khối lượng của carbon, hydro, oxy, nitơ và lưu huỳnh. Phần mềm sử dụng các phương pháp tương quan thực nghiệm như Boie hoặc Dulong để tính toán nhiệt trị và enthalpy tạo thành. Các thông số này là nền tảng để phần mềm xác định cân bằng vật chất và năng lượng. Việc khai báo dữ liệu chính xác quyết định mức độ tin cậy của toàn bộ kết quả mô phỏng.

3.2. Cấu hình khối phản ứng RYield và RGibbs trong lưu trình mô phỏng

Khối RYield được sử dụng để chuyển hóa nhiên liệu RDF từ cấu tử không thông thường thành các nguyên tố thông thường theo phân tích thành phần. Một thuật toán Fortran tích hợp được thiết lập để kiểm soát việc bảo toàn khối lượng trong quá trình phân rã nhiệt. Dòng sản phẩm sau đó được chuyển trực tiếp vào khối phản ứng nhiệt động RGibbs. Khối RGibbs tính toán cân bằng pha và cân bằng hóa học bằng phương pháp cực tiểu hóa năng lượng tự do Gibbs. Các phản ứng tạo khí CO, H2, CH4 và CO2 diễn ra đồng thời tại khối này mà không cần nhập phương trình động học. Cấu hình này giúp mô hình đạt độ ổn định và độ chính xác cao.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của mô phỏng hóa khí viên nén RDF

Mô phỏng quá trình hóa khí viên nén RDF bằng Aspen Plus mang lại giá trị ứng dụng thực tiễn to lớn cho ngành năng lượng. Kết quả tính toán cung cấp cơ sở khoa học tin cậy để thiết kế và mở rộng quy mô lò phản ứng công nghiệp. Giải pháp mô phỏng giúp giảm thiểu chi phí chế tạo thử nghiệm và rút ngắn thời gian nghiên cứu. Doanh nghiệp có thể đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật trước khi đầu tư các dự án nhà máy điện rác. Khí tổng hợp thu được từ quá trình hóa khí là nguồn nhiên liệu sạch cho động cơ đốt trong và turbine khí. Công nghệ này góp phần xử lý triệt để vấn đề ô nhiễm rác thải đô thị tại các thành phố lớn. Đồng thời, quá trình tạo ra nguồn năng lượng tái tạo ổn định, phục vụ mục tiêu phát triển bền vững. Việc ứng dụng công cụ mô phỏng giúp các kỹ sư chủ động làm chủ công nghệ và tối ưu hóa quy trình. Đây là bước tiến quan trọng thúc đẩy mô hình kinh tế tuần hoàn tại Việt Nam.

4.1. Ứng dụng khí syngas trong phát điện và sản xuất hóa chất

Khí syngas thu được từ quá trình hóa khí viên nén RDF có giá trị sử dụng cao trong nhiều ngành công nghiệp. Khí sau khi được làm sạch bụi và hắc ín có thể dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong hoặc turbine khí để phát điện. Nguồn khí này cũng có thể cấp cho các lò hơi công nghiệp để thay thế nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Ngoài ra, syngas giàu CO và H2 là nguyên liệu quan trọng để tổng hợp các hóa chất giá trị như methanol, amoniac và nhiên liệu lỏng tổng hợp. Việc khai thác hiệu quả khí syngas giúp đa dạng hóa nguồn cung cấp năng lượng và giảm thiểu phát thải khí nhà kính.

4.2. Tiềm năng triển khai công nghệ Waste to Energy tại Việt Nam

Việt Nam đang đối mặt với sức ép lớn về xử lý rác thải sinh hoạt tại các đô thị đang phát triển nhanh. Công nghệ hóa khí viên nén RDF mở ra hướng đi bền vững cho các dự án biến rác thải thành năng lượng. Giải pháp này giúp giảm hơn 90% thể tích rác chôn lấp, hạn chế ô nhiễm đất và nguồn nước ngầm. Mô hình mô phỏng trên Aspen Plus hỗ trợ các doanh nghiệp nội địa thiết kế nhà máy điện rác phù hợp với đặc thù rác thải tại Việt Nam. Việc ứng dụng công nghệ hiện đại này đóng góp tích cực vào mục tiêu giảm phát thải carbon và xây dựng nền kinh tế xanh quốc gia.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong cơ cấu tiêu thụ năng lượng tại Việt Nam, các nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống gồm than đá, dầu mỏ và khí thiên nhiên đóng vai trò chủ đạo. Theo số liệu thống kê được nhóm tác giả trích dẫn, Việt Nam có trữ lượng ước tính khoảng 15 triệu tấn dầu thô và 20 tỷ $\text{m}^3$ khí thiên nhiên, với dự báo khả năng cạn kiệt trong vòng 25 năm tới. Nhu cầu năng lượng nội địa giai đoạn 1990–2007 tăng trưởng bình quân khoảng 5%/năm (từ 24,3 triệu tấn dầu tương đương năm 1990 lên 55,6 triệu tấn dầu tương đương năm 2007) và tiếp tục duy trì mức tăng dự báo 5,5%/năm. Trong khi đó, các nguồn thủy điện phụ thuộc lớn vào điều kiện thời tiết mùa vụ, còn năng lượng tái tạo như gió và mặt trời chưa thể thay thế hoàn toàn nguồn điện nền trong ngắn hạn, đặt ra nguy cơ Việt Nam phải phụ thuộc vào năng lượng nhập khẩu.

Song song với áp lực năng lượng, quá trình đô thị hóa và gia tăng dân số làm phát sinh lượng chất thải rắn (CTR) rất lớn. Báo cáo Hiện trạng môi trường quốc gia năm 2017 chỉ ra rằng lượng CTR đô thị tại Việt Nam tăng từ 10% đến 16% mỗi năm, đạt khoảng 18,2 triệu tấn vào năm 2017, trong đó CTR sinh hoạt chiếm 60–70%. Tại khu vực nông thôn, mỗi năm phát sinh hơn 14.000 tấn bao bì hóa chất bảo vệ thực vật và 76 triệu tấn rơm rạ; CTR công nghiệp thông thường phát sinh ước tính khoảng 25 triệu tấn/năm. Theo Báo cáo Chuyên đề Quản lý CTR sinh hoạt năm 2019 của Bộ Tài nguyên và Môi trường, cả nước có 1.322 cơ sở xử lý CTR sinh hoạt nhưng phương pháp chôn lấp vẫn chiếm tới 71% (tương đương 35.000 tấn/ngày), trong khi chế biến compost chiếm 16% (7.900 tấn/ngày) và thiêu đốt chiếm 13% (6.400 tấn/ngày). Việc chôn lấp quá mức gây quá tải bãi rác và ô nhiễm môi trường thứ cấp.

Trước thực trạng đó, công nghệ chuyển đổi rác thải thành năng lượng (Waste-to-Energy - WtE), đặc biệt là công nghệ hóa khí nhiên liệu tái chế từ rác (Refuse-Derived Fuel - RDF), được đánh giá là giải pháp giảm phát thải khí nhà kính và tận dụng triệt để nguồn năng lượng tái tạo. Tuy nhiên, các dữ liệu vận hành thực nghiệm trên nguồn RDF tại Việt Nam còn hạn chế, đòi hỏi các nghiên cứu mô hình hóa để dự báo chất lượng khí tổng hợp.

Đồ án xác định 3 nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

1. Xây dựng mô hình toán học của quá trình hóa khí.
2. Mô phỏng quá trình hóa khí RDF trong lò hóa khí với tác nhân hóa khí là không khí và không khí kết hợp hơi nước.
3. Đánh giá điều kiện vận hành lò hóa khí.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng quá trình: Quá trình chuyển hóa nhiệt hóa học của viên nén RDF trong lò hóa khí.
• Đối tượng vật liệu: Viên nén RDF (RDF-5) sản xuất từ chất thải rắn không nguy hại, sử dụng số liệu phân tích thành phần do Công ty TNHH Phúc Trường Hải cung cấp.
• Phương pháp nghiên cứu: Mô hình cân bằng nhiệt động phi tỉ lượng (non-stoichiometric) trên phần mềm Aspen Plus V11.
• Không gian và thời gian: Đồ án được thực hiện tại Bộ môn Công nghệ Nhiệt Điện lạnh, Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, hoàn thành vào tháng 8/2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và khái niệm

Quá trình hóa khí (gasification) là phản ứng nhiệt hóa chuyển đổi nguyên liệu chứa carbon bằng việc oxy hóa không hoàn toàn ở nhiệt độ cao thành khí tổng hợp (syngas), với thành phần chính gồm carbon monoxide ($\text{CO}$), hydro ($\text{H}_2$), cùng một lượng nhỏ carbon dioxide ($\text{CO}_2$), methane ($\text{CH}_4$), hơi nước ($\text{H}_2\text{O}$), nitrogen ($\text{N}_2$), tro và hắc ín (tar).

Quá trình diễn ra trong lò khí hóa bao gồm 4 giai đoạn nối tiếp:

• Giai đoạn sấy ($T > 100^\circ\text{C}$): Thoát ẩm tự do khỏi bề mặt hạt nhiên liệu.
• Giai đoạn nhiệt phân ($T > 200^\circ\text{C}$): Phân hủy chất bốc sinh ra các cấu tử khí, hắc ín ngưng tụ và phần rắn gồm tro cùng carbon cố định (char).
• Giai đoạn cháy ($T$ có thể đạt tới $1450^\circ\text{C}$): Phản ứng tỏa nhiệt giữa carbon/khí cháy với oxy nhằm cung cấp nhiệt cho toàn bộ hệ thống.
• Giai đoạn hóa khí (khử): Các phản ứng dị thể giữa char với $\text{CO}_2$, $\text{H}_2\text{O}$ và phản ứng đồng thể giữa các phân tử khí tạo thành syngas.

Khái niệm chất thải rắn được xác định theo Nghị định số 09/VBHN-BTNMT ngày 25/10/2019. Nhiên liệu RDF được phân loại theo tiêu chuẩn ASTM (từ RDF-1 đến RDF-7), trong đó dạng viên nén được sử dụng trong nghiên cứu thuộc cấp độ RDF-5 (d-RDF: densified refuse-derived fuel), đã qua các bước tiền xử lý: băm nhỏ, sàng lọc, phân loại khí động học, tách từ kim loại, sấy khô hạ độ ẩm từ 55–70% xuống dưới 15%, và ép định hình giúp giảm thể tích 5–8 lần.

Giai đoạn	Phản ứng hóa học chính	Ký hiệu	Nhiệt phản ứng $\Delta H$ (kJ/kmol)
Sấy	$\text{Nhiên liệu (ẩm)} \rightarrow \text{Nhiên liệu khô} + \text{H}2\text{O}{(g)}$	R3.1	$< 0$
Nhiệt phân	$\text{Chất bốc} \rightarrow \text{CO} + \text{CO}_2 + \text{H}_2 + \text{H}_2\text{O} + \text{CH}_4 + \text{tar}$	R3.2	$< 0$
Đốt cháy	$\text{C} + 0,5\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}$	R3.3	$+110.700$
Đốt cháy	$\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2$	R3.4	$+393.790$
Đốt cháy	$2\text{CO} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{CO}_2$	R3.5	$+283.000$
Đốt cháy	$\text{H}_2 + 0,5\text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O}$	R3.6	$+241.820$
Chuyển dịch nước - khí	$\text{CO} + \text{H}_2\text{O} \leftrightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2$	R3.7	$+41.170$
Methanation	$\text{CO} + 3\text{H}_2 \leftrightarrow \text{CH}_4 + \text{H}_2\text{O}$	R3.8	$+206.300$
Khử hơi nước (Water-gas)	$\text{C} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CO} + \text{H}_2$	R3.9	$-131.400$
Phản ứng Boudouard	$\text{C} + \text{CO}_2 \rightarrow 2\text{CO}$	R3.10	$-172.580$
Khử hydro	$\text{C} + 2\text{H}_2 \rightarrow \text{CH}_4$	R3.12	$+74.900$

Hiệu suất hóa khí được tính toán qua hai chỉ tiêu nhiệt động:

• Hiệu suất khí nguội (Cold-gas efficiency): $$\eta_{cg} = \frac{Q_g \cdot M_g}{\text{LHV}_f \cdot M_f}$$
• Hiệu suất khí nóng (Hot-gas efficiency): $$\eta_{hg} = \frac{Q_g \cdot M_g + M_g \cdot C_p (T_f - T_o)}{\text{LHV}_f \cdot M_f}$$ Trong đó $Q_g$ là nhiệt trị thấp của syngas ($\text{kJ/m}^3$), $M_g$ là lưu lượng syngas ($\text{m}^3/\text{h}$), $\text{LHV}_f$ là nhiệt trị thấp của nhiên liệu ($\text{kJ/kg}$), $M_f$ là lưu lượng cấp nhiên liệu ($\text{kg/h}$), $T_f$ và $T_o$ lần lượt là nhiệt độ syngas đầu ra và nhiên liệu đầu vào.

Phương pháp nghiên cứu và mô hình hóa

Đồ án sử dụng phương pháp mô hình hóa cân bằng nhiệt động phi tỉ lượng (non-stoichiometric thermodynamic equilibrium) dựa trên nguyên lý cực tiểu hóa năng lượng tự do Gibbs (Gibbs Free Energy Minimization). Phương pháp này tính toán trạng thái cân bằng pha và cân bằng hóa học trực tiếp từ thành phần nguyên tố đầu vào của nhiên liệu mà không phụ thuộc vào hằng số cân bằng của từng phản ứng riêng lẻ.

Mô hình được thiết lập trên phần mềm Aspen Plus V11 với các khối chức năng:

• Định nghĩa cấu tử phi quy chuẩn (Nonconventional Solid): Viên nén RDF và tro (Ash) không có công thức hóa học cố định được mô tả thông qua thành phần phân tích kỹ thuật (Proximate Analysis - PROXANAL) và phân tích nguyên tố (Ultimate Analysis - ULTANAL).
• Hệ nhiệt động: Sử dụng gói thuộc tính IDEAL; mô hình tính toán enthalpy tổng quát HCOALGEN (kết hợp các hiệu chỉnh Boie, Dulong, Grummel-Davis, IGT) và mô hình khối lượng riêng DCOALIGT cho nhiên liệu rắn.
• Cấu trúc sơ đồ công nghệ (Flowsheet):
  • Khối RYIELD: Mô phỏng quá trình nhiệt phân chuyển đổi dòng RDF phi quy chuẩn thành các đơn chất nguyên tố cấu thành ($\text{C}, \text{H}_2, \text{O}_2, \text{N}_2, \text{S}$, tro và ẩm).
  • Khối RGIBBS: Mô phỏng buồng phản ứng hóa khí ở trạng thái cân bằng nhiệt động Gibbs.
  • Khối SEP (Separate): Phân tách tro xỉ rắn ra khỏi dòng khí syngas thành phẩm.
  • Khối CALCULATOR: Thực hiện các thuật toán tính toán lưu lượng, hệ số đương lượng không khí ($ER$), hệ số hơi nước ($SBR$), nhiệt trị thấp ($\text{LHV}$) và hiệu suất chuyển đổi nhiệt.

Nguồn dữ liệu

• Số liệu phân tích kỹ thuật và phân tích nguyên tố của mẫu viên nén RDF do Công ty TNHH Phúc Trường Hải cung cấp.
• Cơ sở dữ liệu nhiệt động tiêu chuẩn của Viện Tiêu chuẩn và Kỹ thuật Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) tích hợp trong Aspen Plus V11.
• Dữ liệu thống kê về hiện trạng năng lượng và môi trường từ Bộ Tài nguyên và Môi trường (Báo cáo năm 2017, 2019) cùng các tài liệu khoa học chuyên ngành.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của nghiên cứu dựa trên bối cảnh cạn kiệt tài nguyên hóa thạch và ô nhiễm do chất thải rắn chôn lấp tại Việt Nam. Tác giả tổng hợp các công trình nghiên cứu mô phỏng hóa khí trên thế giới (Tapas Kumar Patra và Pratik N. Seth, 2015; Atikah và Razif Harun, 2019; María Pilar Gonzalez-Vazquez và cs, 2020) và tại Việt Nam (Bùi Trung Thành và cs, 2012; Lê Minh Quân và cs, 2017; Lê Cao Chiến và cs, 2018). Từ đó, đề tài xác định đối tượng là quá trình hóa khí viên nén RDF, phương pháp cân bằng nhiệt động trên Aspen Plus V11 và công bố cấu trúc đồ án gồm 6 chương.

Chương 2: Tổng quan về hóa khí RDF

Chương 2 phân tích tổng quan công nghệ hóa khí và nhiên liệu RDF qua các nội dung:

• Lịch sử phát triển công nghệ hóa khí qua 4 giai đoạn: 1850–1940 (khí hóa than chiếu sáng và sưởi ấm, ra đời lò tầng sôi Winkler 1926, Lurgi 1931); 1940–1975 (ứng dụng trong động cơ đốt trong và tổng hợp hóa dầu); 1975–2000 (phát triển nhà máy chu trình hỗn hợp hóa khí tích hợp IGCC sau khủng hoảng dầu mỏ); và giai đoạn sau năm 2000 (tập trung vào sinh khối carbon trung tính và giảm phát thải khí nhà kính).
• Khái niệm và phân loại chất thải rắn theo Nghị định số 09/VBHN-BTNMT.
• Thực trạng phát sinh và xử lý CTR tại Việt Nam với số liệu thống kê 71% khối lượng CTR sinh hoạt xử lý bằng chôn lấp, gây quá tải bãi rác.
• Phân loại nhiên liệu RDF theo tiêu chuẩn ASTM từ RDF-1 đến RDF-7.
• Chuỗi quy trình công nghệ chế biến RDF từ CTR đô thị: phân loại sơ bộ, giảm kích thước cơ học, sàng quặng, phân loại khí động học, tách từ kim loại (hiệu suất thu hồi 85–90%), sấy khô hạ ẩm dưới 15% và ép tạo hình viên nén d-RDF (RDF-5).

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Chương 3 xây dựng nền tảng lý thuyết nhiệt động học và thiết bị cho quá trình hóa khí:

• Cơ chế phản ứng nhiệt hóa qua 4 giai đoạn: sấy, nhiệt phân, cháy và hóa khí kèm bảng tổng hợp biến thiên enthalpy ($\Delta H$) của từng phản ứng từ R3.1 đến R3.12.
• Phân loại lò hóa khí: Theo phương pháp cấp nhiệt (tự nhiệt và cấp nhiệt riêng) và theo tiếp xúc pha (lò tầng cố định fixed bed gồm downdraft và updraft; lò tầng sôi fluidized bed gồm tầng sôi bọt BFB và tuần hoàn CFB nhiệt độ 800–1000$^\circ\text{C}$; lò dòng cuốn entrained flow bed hoạt động ở nhiệt độ ~2000$^\circ\text{C}$ và áp suất 35 bar). Trong đó, lò downdraft có ưu thế hàm lượng tar thấp do dòng khí nhiệt phân đi qua vùng cháy nhiệt độ cao ($>1000^\circ\text{C}$).
• Đánh giá các loại tác nhân hóa khí: oxy nguyên chất, không khí, hơi nước và hỗn hợp không khí - hơi nước.
• Thiết lập hệ thống công thức xác định nhiệt trị cao (HHV), nhiệt trị thấp (LHV), hiệu suất khí nguội ($\eta_{cg}$) và hiệu suất khí nóng ($\eta_{hg}$).
• Tổng quan 4 nhóm mô hình mô phỏng: Cân bằng nhiệt động (stoichiometric và non-stoichiometric), Động học hóa học, Động lực học lưu chất tính toán (CFD - sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn FVM), và Mạng thần kinh nhân tạo (ANN).
• Đề xuất quy trình thiết kế hệ thống hóa khí dựa trên mô hình toán học dự đoán thành phần syngas từ dữ liệu phân tích thành phần nhiên liệu đầu vào.

Chương 4: Mô phỏng quá trình hóa khí viên nén RDF

Chương 4 mô tả chi tiết quy trình thiết lập mô phỏng trên phần mềm Aspen Plus V11:

• Cơ sở tính toán của phần mềm dựa trên cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng và quan hệ nhiệt động phản ứng.
• Khai báo các cấu tử quy chuẩn ($\text{H}_2, \text{CO}, \text{CO}_2, \text{CH}_4, \text{H}_2\text{O}, \text{N}_2, \text{O}_2, \text{S}, \text{C}$) và cấu tử phi quy chuẩn (RDF, ASH).
• Thiết lập gói thuộc tính IDEAL, mô hình enthalpy HCOALGEN và mô hình tỷ trọng DCOALIGT.
• Xây dựng sơ đồ công nghệ flowsheet kết nối các khối:
  • Dòng nhiên liệu RDF đầu vào qua khối RYIELD để phân hủy thành các đơn chất dựa trên dữ liệu phân tích PROXANAL, ULTANAL và SULFANAL.
  • Dòng tác nhân hóa khí (không khí hoặc hỗn hợp không khí - hơi nước) được đưa vào khối RGIBBS cùng với sản phẩm từ RYIELD.
  • Khối RGIBBS tính toán cân bằng hóa học ở điều kiện cực tiểu hóa năng lượng tự do Gibbs.
  • Khối SEP phân tách dòng rắn (tro xỉ) ra khỏi dòng khí tổng hợp syngas.
  • Thiết lập khối CALCULATOR để xác định nồng độ phần trăm thể tích các cấu tử, nhiệt trị syngas và hiệu suất chuyển đổi nhiệt.

Flowsheet mô phỏng:
[Dòng RDF]     --> [Khối RYIELD] --> [Các đơn chất C, H, O, N, S, Tro]
                                             |
[Dòng Tác nhân (Không khí / Hơi nước)] ------> [Khối RGIBBS] --> [Hỗn hợp phản ứng] --> [Khối SEP] --> [Dòng Syngas]
                                                                                            |
                                                                                            +---------> [Dòng Tro/Xỉ]

Chương 5: Kết quả và bàn luận

Chương 5 trình bày và thảo luận kết quả tính toán mô phỏng theo 3 kịch bản vận hành:

• Kịch bản 1: Tác nhân hóa khí là không khí. Khảo sát ảnh hưởng của hệ số đương lượng không khí ($ER$) đến thành phần thể tích các khí $\text{CO}, \text{H}_2, \text{CO}_2, \text{CH}_4, \text{N}_2$, nhiệt trị syngas và hiệu suất chuyển đổi nhiệt.
• Kịch bản 2: Tác nhân hóa khí là hỗn hợp không khí và hơi nước. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ hơi nước/nhiên liệu ($SBR$) kết hợp với các mức $ER$ khác nhau đến nồng độ $\text{H}_2, \text{CO}, \text{CO}_2$, nhiệt độ buồng phản ứng và hiệu suất nhiệt.
• Kịch bản 3: Tác nhân hóa khí là không khí có gia nhiệt sơ bộ. Đánh giá sự biến thiên thành phần khí cháy và nhiệt độ phản ứng khi thay đổi nhiệt độ không khí cấp đầu vào kết hợp biến thiên $ER$.

Chương 6: Kết luận và kiến nghị

Chương 6 đúc kết các kết luận về tính khả thi của mô hình cân bằng nhiệt động trong việc mô tả quá trình hóa khí viên nén RDF, xác định xu hướng ảnh hưởng của các thông số công nghệ ($ER, SBR$, nhiệt độ gia nhiệt) và đưa ra kiến nghị tiếp tục nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng trên mô hình thực tế.

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu chính

1. Xây dựng hoàn chỉnh mô hình mô phỏng cân bằng nhiệt động non-stoichiometric cho quá trình hóa khí viên nén RDF trên nền tảng Aspen Plus V11, tích hợp các mô hình enthalpy HCOALGEN và tỷ trọng DCOALIGT.
2. Định lượng ảnh hưởng của hệ số đương lượng không khí ($ER$):
   • Khi tăng $ER$, lượng oxy cung cấp cho quá trình cháy tăng lên, thúc đẩy các phản ứng oxy hóa hoàn toàn tạo thành $\text{CO}_2$ và $\text{H}_2\text{O}$, đồng thời hàm lượng $\text{N}_2$ trong syngas tăng mạnh do tỷ lệ không khí cấp tăng.
   • Hàm lượng các khí cháy mong muốn ($\text{CO}, \text{H}_2$) và nhiệt trị của syngas đạt giá trị tối ưu ở một khoảng $ER$ xác định trước khi suy giảm do hiện tượng cháy hoàn toàn và pha loãng bởi $\text{N}_2$.
3. Đánh giá ảnh hưởng của tác nhân hỗn hợp không khí - hơi nước ($SBR$):
   • Bổ sung hơi nước thúc đẩy phản ứng khử hơi nước ($\text{C} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CO} + \text{H}_2$) và phản ứng chuyển dịch nước - khí ($\text{CO} + \text{H}_2\text{O} \leftrightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2$).
   • Sự gia tăng $SBR$ làm tăng đáng kể nồng độ phần trăm thể tích của khí $\text{H}_2$, đồng thời làm giảm nhiệt độ phản ứng trong buồng hóa khí do phản ứng khử hơi nước là phản ứng thu nhiệt mạnh ($\Delta H = -131.400\text{ kJ/kmol}$).
4. Đánh giá ảnh hưởng của việc gia nhiệt sơ bộ không khí:
   • Việc gia nhiệt không khí đầu vào cung cấp thêm nhiệt lượng ngoại vi cho buồng phản ứng, giúp nâng cao nhiệt độ vùng hóa khí, thúc đẩy các phản ứng thu nhiệt Boudouard và khử hơi nước, từ đó cải thiện nồng độ khí $\text{CO}$ và nâng cao hiệu suất nhiệt tổng thể.

Giải pháp và đóng góp của đề tài

• Về mặt phương pháp luận: Đồ án đề xuất quy trình thiết kế hệ thống hóa khí đi từ phân tích đặc tính nhiên liệu thô, sử dụng mô hình toán học trên Aspen Plus để dự báo chất lượng syngas, khắc phục hạn chế thiếu hụt dữ liệu thực nghiệm khi nghiên cứu các loại nhiên liệu mới như RDF tại Việt Nam.
• Về mặt kỹ thuật: Cung cấp bộ thông số công nghệ định hướng ($ER, SBR$, nhiệt độ không khí) phục vụ cho việc tính toán thiết kế, vận hành buồng đốt và lò hóa khí RDF ở quy mô công nghiệp.
• So với các nghiên cứu trước: Mở rộng đối tượng mô phỏng từ sinh khối truyền thống (trấu, củi, vi tảo) sang nhiên liệu tái chế từ rác thải rắn đô thị (RDF-5) với các đặc tính nhiệt động phức tạp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế của mô hình:
  • Mô hình cân bằng nhiệt động non-stoichiometric dựa trên giả định thời gian phản ứng vô hạn và sự hòa trộn lý tưởng, không xét đến kích thước hình học của lò, động học phản ứng và hiện tượng thủy động lực học bên trong thiết bị.
  • Mô hình cân bằng có xu hướng ước lượng nồng độ $\text{CH}_4$ và hắc ín (tar) thấp hơn so với thực tế, đặc biệt ở các chế độ vận hành nhiệt độ thấp ($< 800^\circ\text{C}$) do hắc ín chưa bị cracking hoàn toàn.
  • Các kết quả chưa được đối chứng trực tiếp với số liệu đo đạc thực nghiệm từ mô hình lò pilot chạy viên nén RDF cụ thể.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Phát triển mô hình động học hóa học hoặc mô hình CFD (Computational Fluid Dynamics) kết hợp phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) để mô tả trường vận tốc, nhiệt độ và nồng độ chất theo không gian và thời gian trong buồng phản ứng.
  • Chế tạo mô hình thực nghiệm quy mô pilot để đo đạc thành phần syngas thực tế, từ đó hiệu chỉnh các thông số trong mô hình Aspen Plus.
  • Nghiên cứu sâu về các biện pháp cracking tar và công nghệ tinh sạch khí tổng hợp.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các ngành Kỹ thuật Nhiệt, Năng lượng tái tạo, Kỹ thuật Hóa học và Kỹ thuật Môi trường. Tài liệu cung cấp hướng dẫn chi tiết về:

• Quy trình thiết lập thuộc tính cho nhiên liệu rắn phi quy chuẩn (Nonconventional solid) trong phần mềm Aspen Plus V11.
• Phương pháp sử dụng các mô hình nhiệt động HCOALGEN, DCOALIGT và liên kết các khối RYIELD, RGIBBS, SEP.
• Cơ sở lý thuyết về tính toán hiệu suất khí nguội, hiệu suất khí nóng và phân loại công nghệ lò hóa khí phục vụ xử lý rác thải thành năng lượng (WtE).

Câu hỏi thường gặp

1. Nhiên liệu viên nén RDF trong đồ án thuộc phân loại nào và do đơn vị nào cung cấp dữ liệu?
Nhiên liệu nghiên cứu thuộc phân loại RDF-5 (d-RDF: dạng viên nén/đầm nén) theo tiêu chuẩn phân loại của ASTM, được sản xuất từ chất thải rắn không nguy hại. Số liệu phân tích kỹ thuật và phân tích nguyên tố của viên nén RDF do Công ty TNHH Phúc Trường Hải cung cấp.

2. Tại sao tác giả sử dụng phương pháp cân bằng non-stoichiometric trong mô phỏng Aspen Plus?
Phương pháp non-stoichiometric tiếp cận dựa trên nguyên lý cực tiểu hóa năng lượng tự do Gibbs, chỉ yêu cầu dữ liệu về thành phần nguyên tố đầu vào từ phân tích cuối cùng mà không cần xác định trước tập hợp các phản ứng hóa học hay hằng số cân bằng phản ứng. Phương pháp này phù hợp với nhiên liệu RDF có cấu tạo phức tạp và chưa có đầy đủ dữ liệu động học phản ứng.

3. Các khối chức năng chính nào được sử dụng để xây dựng sơ đồ flowsheet trên Aspen Plus V11?
Flowsheet mô phỏng sử dụng 4 khối thiết bị chính: khối RYIELD (phân rã nhiên liệu RDF phi quy chuẩn thành các đơn chất nguyên tố), khối RGIBBS (tính toán cân bằng nhiệt động buồng hóa khí), khối SEP (tách tro xỉ rắn ra khỏi dòng khí) và khối CALCULATOR (lập trình tính toán các đại lượng hiệu suất và nhiệt trị).

4. Hai mô hình tính toán nào được chọn để xác định tính chất của chất rắn phi quy chuẩn (RDF và tro)?
Tác giả sử dụng mô hình enthalpy tổng quát HCOALGEN (tính toán enthalpy dựa trên các tương quan Boie, Dulong, Grummel-Davis, IGT) và mô hình khối lượng riêng DCOALIGT được tích hợp sẵn trong thư viện của Aspen Plus.

5. Việc bổ sung hơi nước làm tác nhân hóa khí (SBR) đem lại tác động gì đến thành phần syngas?
Việc cấp thêm hơi nước thúc đẩy phản ứng khử hơi nước ($\text{C} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CO} + \text{H}_2$) và phản ứng chuyển dịch nước - khí ($\text{CO} + \text{H}_2\text{O} \leftrightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2$), giúp làm tăng tỷ lệ thể tích khí $\text{H}_2$ trong syngas, phục vụ tốt cho các ứng dụng đòi hỏi hàm lượng hydro cao.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Mô phỏng quá trình hóa khí viên nén RDF" đã ứng dụng phương pháp cân bằng nhiệt động phi tỉ lượng trên phần mềm Aspen Plus V11 để mô hình hóa quá trình chuyển hóa rác thải rắn thành khí tổng hợp. Nghiên cứu đã phân tích chi tiết quy luật biến thiên của thành phần khí syngas, nhiệt trị và hiệu suất chuyển đổi nhiệt theo các thông số vận hành then chốt gồm hệ số đương lượng không khí ($ER$), hệ số hơi nước ($SBR$) và nhiệt độ không khí gia nhiệt sơ bộ. Kết quả mô phỏng cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu kỹ thuật hữu ích phục vụ công tác thiết kế, tối ưu hóa các hệ thống lò hóa khí chuyển hóa rác thải thành năng lượng sạch tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu Chương 2: Tổng quan về hóa khí RDF Chương 3: Cơ sở lý thuyết Chương 4: Mô phỏng quá trình hóa khí viên nén RDF Chương 5: Kết quả và bàn luận Chương 6: Kết luận và kiến nghị 6 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HÓA KHÍ RDF 2. Tổng quan công nghệ hóa khí 2. Khái niệm hóa khí Hóa khí là sự chuyển hóa nguyên liệu thô có nguồn gốc từ carbon bằng cách oxy hóa không hoàn toàn nguyên liệu ở nhiệt độ cao thành sản phẩm dạng khí, gọi là khí tổng hợp (syngas) có thành phần chủ yếu là hydro (H2), carbon dioxide (CO), và một lượng ít hơn các khí carbon dioxide (CO2), hơi nước (H2O), methane (CH4), nitrogen (N2), các hydrocacbon nặng ngưng tụ được gọi là hắc ín (tar) và tro. Syngas được sử dụng để làm nhiên liệu tổng hợp các hóa chất khác, sản xuất năng lượng nhiệt, điện hoặc nhiên liệu cho vận tải [7].

Công nghệ hóa khí có ưu điểm là tạo ra khí tổng hợp hiệu quả hơn quá trình đốt cháy trực tiếp nhiên liệu ban đầu vì nó có thể cháy ở nhiệt độ cao hơn, đồng thời sản phẩm syngas chứa ít tro nên quá trình thu hồi bụi sau hóa khí dễ dàng hơn. Hơn nữa, khí tổng hợp được sản xuất thành nhiên liệu lỏng rất thuận tiện và tiết kiệm chi phí trong việc vận chuyển và phân phối so với nhiên liệu rắn. Ngoài ra, quá trình hóa khí xảy ra ở nhiệt độ cao giúp loại bỏ các yếu tố ăn mòn như clorua và kali, cho phép sản xuất khí tổng hợp sạch từ nguồn nhiên liệu cho các ngành công nghiệp đòi hỏi chất lượng khí cao như nhà máy điện khí, tổng hợp hóa chất… 2. Sản phầm của hóa khí Trong quá trình hóa khí, bên cạnh các sản phẩm khí mong muốn như CO, H2, CH4, C2Hx, C3Hx còn có các thành phần làm giảm chất lượng của quá trình hóa khí.

Các thành phần này bao gồm: - Chất trơ: CO2, H2O, N2 - Các chất NH3, HCN, nitơ hữu cơ, H2S, COS, CS2, mercaptanes, thiopens, HCl, NaCl, KCl - Các hydrocacbon nặng ngưng tụ tại nhiệt độ khoảng 250 đến 300oC, được gợi là hắc ín (tar) 7 - Các hạt: tro, chất khoáng/ muối, char, hắc ín. Khí tổng hợp có thể được sử dụng để đốt trực tiếp để cung cấp nhiệt trong các thiết bị cháy hoặc dùng làm nhiên liệu cho các tuabin phát điện hoặc lò hơi. Ngoài ra các loại khí sản phẩm này còn được sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất nhiều hóa quan trọng trong công nghiệp như anomiac, phân urê, các sản phẩm hữu cơ… nhờ phản ứng tổng hợp Fischer- Tropsch. Hướng dẫn sử dụng sản phẩm của quá trình hóa khí [8] 2.

Lịch sử phát triển của hóa khí Lịch sử phát triển của công nghệ hóa khí có thể được chia làm 4 giai đoạn như dưới đây [8]: Giai đoạn 1850 – 1940: Trong giai đoạn đầu tiên này, khí đốt từ than đá được sử dụng chủ yếu để thắp sáng nhà cửa, đường phố và sưởi ấm. Chiếu sáng đã giúp ích cho cuộc Cách mạng Công nghiệp bằng cách kéo dài giờ làm việc trong các nhà máy đặc biệt là mùa đông. Việc phát minh ra bóng đèn điện vào khoảng năm 1900 đã làm giảm nhu cầu sử dụng khí đốt để thắp sáng, nhưng việc sử dụng nó để sưởi ấm và nấu nướng vẫn tiếp tục. Với việc phát hiện ra khí tự nhiên, nhu cầu hóa khí than và sinh khối đã giảm xuống.

Tuy vật, tất cả các công nghệ hóa khí thương mại chính đã được ra mắt đầu tiên trong giai đoạn này (thiết bị hóa khí tầng sôi của Winkler năm 1926, thiết bị hóa khí tầng dịch chuyển 8 có áp suất của Lurgi năm 1931 và thiết bị hóa khí dòng lôi cuốn của Koppers- Totzek), các dạng thiết bị hóa khí này sẽ được đề cập chi tiết ở chương sau. Giai đoạn 1940 – 1975: Đây là giai đoạn chứng kiến công nghệ hóa khí được đưa vào hai lĩnh vực ứng dụng như nhiên liệu tổng hợp: đốt trong và tổng hợp hóa học thành dầu. Một số lượng lớn ô tô và xe tải ở châu Âu hoạt động bằng thiết bị hóa khí than đá hoặc sinh khối được tích hợp trên phương tiện. Trong thời kỳ này, hơn một triệu thiết bị hóa nhỏ được chế tạo cho lĩnh vực vận tải.

Giai đoạn 1975 – 2000: Giai đoạn này, Hoa Kỳ và các nước phương Tây vốn phụ thuộc rất nhiều vào dầu mỏ bị thiếu hụt sau lệnh cấm từ Trung Đông. Điều này đã tạo động lực mạnh mẽ cho sự phát triển các công nghệ thay thế như hóa khí để giảm phụ thuộc vào dầu nhập khẩu. Bên cạnh cung cấp khí đốt để sưởi ấm, khí tổng hợp được sử dụng thương mại chủ yếu trong sản xuất hóa chất, thay thế cho dầu mỏ. Nhiều nước nhận thấy sự cần thiết phát triển công nghệ hóa khí ở quy mô lớn như nhà máy nhiệt điện sử dụng chu trình hỗn hợp hóa khí tích hợp (IGCC) vì những lợi ích về môi trường.

Giai đoạn sau năm 2000: Sự nóng lên toàn cầu và sự bất ổn của năng lượng dầu mỏ đã tạo động lực cho công nghệ hóa khí phát triển. Mối đe dọa biến đổi khí hậu nhấn mạnh sự cần thiết phải thoát khỏi sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Công nghệ hóa khí là một sự lựa chọn để chuyển đổi sinh khối carbon trung tính tạo thành khí. Nhiều quốc gia đã bắt đầu đẩy mạnh sự phát triển nhà máy IGCC.

Công nghệ hóa khí liên tục được nghiên cứu và cải tiến qua từng năm. Xu hướng phát triển Công nghệ hóa khí là công nghệ đã được phát hiện từ khá lâu, có quá trình phát triển lâu dài và được thương mại hóa. Tuy nhiên đây là một công nghệ phức tạp cần tiếp tục được làm rõ, qua các công việc nghiên cứu, phát triển và thử nghiệm để có thể nắm vững công nghệ và ứng dụng rộng rãi, đạt hiệu quả cao. Hiện nay, công nghệ hóa khí được tiếp tục nghiên cứu chủ yếu theo các hướng: - Tổng hợp khí từ nguyên liệu rắn có chứa carbon.

- Chưng cất cắt mạch các vật liệu có chứa carbon để tạo ra khí. 9 - Thiết kế và cải tiến các lò, bếp hóa khí sử dụng nhiên liệu sinh khối như củi, trấu, rác thải… ở quy mô nhỏ và quy mô công nghiệp có hiệu suất cao và ít ô nhiễm. - Công nghệ làm sạch hoặc biến tính khí chứa carbon monoxide. - Loại bỏ chất thải rắn.

- Mô phỏng quá trình hóa khí. Tổng quan về nhiên liệu Refuse-derived fuel (RDF) 2. Định nghĩa chất thải rắn Theo quan niệm chung: Chất thải rắn là toàn bộ các loại vật chất được con người loại bỏ trong các hoạt động kinh tế - xã hội của mình (bao gồm các hoạt động sản xuất, các hoạt động sống và duy trì sự tồn tại của cộng đồng v. Trong đó quan trọng nhất là các loại chất thải sinh ra từ các hoạt động sản xuất và hoạt động sống.

Nghị định số 09/VBHN-BTNMT ngày 25 tháng 10 năm 2019 của Bộ Tài nguyên và Môi trường về Quản lý chất thải và phế liệu đã đưa ra định nghĩa về chất thải, chất thải rắn đô thị và chất thải rắn sinh hoạt [9]: - Chất thải rắn là chất thải ở thể rắn hoặc sệt (còn gọi là bùn thải) được thải ra từ sản xuất, kinh doanh, dịch vụ, sinh hoạt hoặc các hoạt động khác. - Chất thải rắn sinh hoạt (còn gọi là rác sinh hoạt) là chất thải rắn phát sinh trong sinh hoạt thường ngày của con người. - Chất thải rắn công nghiệp là chất thải rắn phát sinh từ hoạt động sản xuất, kinh doanh, dịch vụ, trong đó bao gồm chất thải rắn nguy hại và chất thải rắn công nghiệp thông thường. Hiện nay, với tốc độ phát triển kinh tế cao, sự gia tăng dân số, cùng với sự phát triển về trình độ sản xuất và tiêu dùng, lượng chất thải do sinh hoạt ngày càng tăng lên.

Các nguồn phát sinh chất thải và phân loại chất thải được thể hiện như sau: 10 Bảng 2. Nguồn phát sinh và phân loại rác [10] 2. Thực trạng chất thải rắn ở Việt Nam Theo Báo cáo Hiện trạng môi trường quốc gia năm 2017, (Bộ TN&MT,2018), chất thải rắn đô thị VN tăng 10-16%/ năm, CTR sinh hoạt chiếm 60-70% tổng lượng CTR đô thị. Dựa vào số liệu Báo cáo Hiện trạng môi trường và quốc gia và số liệu dân số đô thị năm 2017, tổng lượng CTR đô thị ở Việt Nam năm 2017 khoảng 18,2 triệu tấn.

Còn đối với CTR nông nghiệp, mỗi năm khu vực nông thôn phát sinh hơn 14.000 tấn bao bì hóa chất bảo vệ thực vật, phân bón các loại, 76 triệu tấn rơm rạ. Lượng CTR sinh hoạt phát sinh trong ngày tại khu vực đô thị và nông thôn (theo vùng, 2019), BTNMT[9] Ngoài ra, lượng CTR công nghiệp cũng rất lớn, tính đến năm 2016, cả nước có 325 KCN (đã đi vào hoạt động 220 KCN), 04 khu chế xuất, 40 khu kinh tế, 04 khu công nghệ cao và 621 cụm công nghiệp đã đi vào hoạt động, phát sinh CTR từ các ngành công nhiệp khác rất lớn: sản xuất giấy, công nghiệp nhiệt điện than, hóa chất phân bân bón, khai thác khoáng sản… có đặc thù riêng và tăng lên nhanh chóng trong nhưng năm gần đây. Theo thống kê của Cục Quản lý chất thải và cải thiện môi trường, lượng CTR thông thường phát sinh từ hoạt động sản xuất công nghiệp ước tỉnh khoảng 25 triệu tấn/năm. Lượng CTR công nghiệp phát sinh tại một số địa phương (tấn) năm 2015[28] Với lượng chất thải rắn lớn và ngày càng tăng, yêu cầu quản lý chất thải rắn được đặc ra nhằm mục đích: bảo vệ môi trường, bảo vệ sức khỏe cộng đồng, sử dụng tối đa vật liệu, tiết kiệm tài nguyên và năng lượng, tái chế và sử dụng tối đa rác hữu cơ và giảm thiểu CTR.

Nguyễn Văn Phước [11] đã đưa ra thứ tự ưu tiên trong quản lý tổng hợp CTR: 1. Giảm thiểu tại nguồn Được cho là hiệu quả nhất trong mục đích giảm lượng CTR, giảm chi phí và hạn chế những tác động bắt lợi đối với môi trường. Giảm thiểu trong sản xuất được thực hiện xuyên suốt từ khâu thiết kế, sản xuất và đống gói sản phẩm, nhằm tiết kiệm nguyên vật liệu, giảm thành phần độc hại, giảm số lượng bao bì và tăng độ bền sản phẩm. Ở các hộ gia đình, trung tâm thương mại, nhà máy,… giảm thiểu tại nguồn bắt đầu ở việc lựa chọn hàng hóa đến tái sử dụng các sản phẩm vật liệu.

Tái chế 13 Tái chế là yếu tố quan trọng trong việc giảm nhu cầu sử dụng tài nguyên và và giảm khối lượng chôn lấp CTR một cách đáng kế.