Tổng quan nghiên cứu

Theo số liệu thống kê của Cục Môi trường, tổng lượng chất thải rắn nguy hại phát sinh hàng năm tại ba vùng kinh tế trọng điểm của Việt Nam đã vượt mức 113.000 tấn. Trong đó, khu vực kinh tế trọng điểm phía Nam chiếm tỷ trọng lớn nhất với 80.332 tấn/năm (riêng Thành phố Hồ Chí Minh là 44.976 tấn/năm), khu vực phía Bắc đạt 28.000 tấn/năm và khu vực miền Trung đạt khoảng 4.768 tấn/năm. Tính chung trên toàn quốc, lượng chất thải rắn nguy hại phát sinh hàng năm đạt khoảng 152.000 tấn, đồng thời tồn lưu hơn 300 tấn thuốc bảo vệ thực vật độc hại tại 61 tỉnh thành (gồm 97.374 lít dạng lỏng và 109.145 kg dạng bột). Trong khi đó, cả nước chỉ có khoảng 61 lò đốt chất thải y tế với tổng công suất 30 tấn/ngày nhưng hoạt động kém đồng bộ, khiến chi phí đầu tư xây dựng các khu xử lý tập trung lên tới 40 - 100 triệu USD mỗi khu vực.

Đề tài nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán cấp bách về công nghệ xử lý chất thải rắn nguy hại thông qua việc thiết kế, chế tạo, vận hành thử nghiệm và chuyển giao công nghệ lò đốt đa vùng UCE-80. Mục tiêu cụ thể là làm chủ dây chuyền công nghệ nhiệt phân có công suất thiết kế 80 - 100 kg/h (công suất vận hành thực tế 70 - 80 kg/h), kiểm soát triệt để khí thải độc hại và hạ giá thành xử lý. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Xí nghiệp Xử lý chất thải Nam Sơn, huyện Sóc Sơn, Hà Nội trong khuôn khổ Dự án KC03.DA02 giai đoạn 2004 - 2005. Công trình mang ý nghĩa quan trọng khi tối ưu hóa suất tiêu hao nhiên liệu ở mức 0,6 kg dầu DO cho mỗi kg rác, hạ tỷ lệ tro xỉ xuống dưới 6% và đảm bảo khí thải đạt tiêu chuẩn TCVN 5939-1995 cùng TCVN 6560-1999.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên hai nền tảng lý thuyết cốt lõi của kỹ thuật môi trường và nhiệt động lực học: lý thuyết phân hủy nhiệt phân - oxy hóa đa vùng và lý thuyết cân bằng vật chất - năng lượng trong buồng đốt kín. Theo mô hình nhiệt phân đa vùng, quá trình tiêu hủy chất thải rắn nguy hại diễn ra tuần tự qua hai pha: pha khí hóa nhiệt phân trong điều kiện thiếu oxy tại buồng sơ cấp (dải nhiệt 550°C - 850°C) và pha oxy hóa hoàn toàn khí cháy tại buồng thứ cấp (dải nhiệt 1050°C - 1250°C).

Mô hình tính toán tổn thất nhiệt của vách lò được xác lập dựa trên phương trình truyền nhiệt qua tường đa lớp gồm bê tông chịu lửa dày 250 mm (chịu nhiệt độ từ 1450°C đến 1600°C), lớp bông thủy tinh cách nhiệt dày 50 mm và vỏ bọc thép CT3 dày 5 mm. Trong nghiên cứu, bốn khái niệm kỹ thuật giữ vai trò bản lề: (1) Thời gian lưu khói trong buồng thứ cấp bắt buộc lớn hơn 1,0 giây để bẻ gãy liên kết dioxin/furan; (2) Quá trình cháy cốc hóa và oxy hóa kiệt; (3) Hệ thống xử lý khí thải 2 cấp tích hợp buồng lưu nhiệt, xyclon tách bụi khô và tháp hấp thụ ướt dung tích 0,7 m3; (4) Tự động hóa điều khiển chu trình nạp liệu thủy lực 5 piston qua bộ lập trình PLC.

Phương pháp nghiên cứu

Dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ hai giai đoạn vận hành tại hiện trường: giai đoạn nghiệm thu kỹ thuật ban đầu với mẻ đốt 255 kg rác công nghiệp (thời gian vận hành 3,4 giờ) và giai đoạn chạy thử nghiệm liên tục trong 6 tháng (từ tháng 2 đến tháng 7 năm 2005) với tổng khối lượng rác xử lý tích lũy đạt hơn 3.095 kg. Cỡ mẫu nghiên cứu được xác lập thông qua phương pháp lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng từ các dòng thải công nghiệp nhẹ, hóa chất, cơ khí và bao bì chứa hóa chất độc hại, sau đó chia thành từng mẻ nạp chuẩn 30 - 40 kg với chu kỳ nạp 20 - 25 phút/lần.

Về phương pháp phân tích, nghiên cứu sử dụng thiết bị đo khí xách tay IMR-2800P của Mỹ lắp tại ống khói inox cao 18 m (đường kính 400 mm) để giám sát tức thời nồng độ oxy, CO, CO2, SO2, NOx và CxHy. Đồng thời, Trung tâm Kỹ thuật 1 thuộc Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng đã tiến hành lấy mẫu phân tích độc lập tại phòng thí nghiệm hiện trường vào ngày 19 tháng 3 năm 2005. Lý do lựa chọn tổ hợp phương pháp phân tích này là nhằm kiểm soát trực tiếp động học quá trình cháy theo thời gian thực, loại bỏ sai số cục bộ và xác thực khách quan mức độ đáp ứng tiêu chuẩn TCVN 5939-1995 và TCVN 6560-1999.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình chạy thử nghiệm và kiểm định thực tế lò đốt UCE-80 đã mang lại 4 phát hiện then chốt:

Thứ nhất, lò đốt đạt công suất vận hành ổn định 75 - 80 kg/h, hoàn thành 100% chỉ tiêu công suất thiết kế. Thời gian gia nhiệt từ trạng thái nguội đến khi buồng sơ cấp đạt 800°C và buồng thứ cấp đạt 1100°C chỉ mất trung bình 90 phút, rút ngắn hơn 25% thời gian so với các mẫu lò đốt công nghiệp cùng quy mô.

Thứ hai, mức tiêu hao nhiên liệu được tối ưu hóa vượt trội với tỷ suất trung bình chỉ 0,6 kg dầu DO cho mỗi kg rác thải công nghiệp. Tổng công suất tiêu thụ điện năng của toàn bộ hệ thống gồm 4 quạt gió, bơm hóa chất và tủ điều khiển chỉ ở mức 3,8 kW.

Thứ ba, tỷ lệ tro xỉ còn lại sau khi cháy kiệt chỉ chiếm dưới 5% đến 6% tổng khối lượng rác nạp vào, giúp giảm hơn 94% thể tích chất thải cần chôn lấp. Hệ thống xả tro xỉ bán tự động hoạt động an toàn với tần suất tháo tro 1 - 2 lần mỗi ngày.

Thứ tư, chất lượng khí thải đầu ra đạt độ trong suốt hoàn hảo, không màu và không có khói đen. Các chỉ tiêu nồng độ bụi, oxit lưu huỳnh, oxit nitơ và khí CO đo bằng máy IMR-2800P đều nằm sâu dưới ngưỡng quy chuẩn cho phép của TCVN 5939-1995 và TCVN 6560-1999.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý vượt bậc của lò đốt UCE-80 bắt nguồn từ nguyên lý đốt đa vùng kết hợp mỏ đốt hai cấp công suất 15/30 kg/h của hãng Riello Press. Khi nhiệt độ buồng sơ cấp vượt qua 850°C, rác tự duy trì phản ứng cháy nội sinh, hệ thống cảm biến sẽ tự động ngắt mỏ đốt để tiết kiệm dầu. So với giải pháp đồng xử lý trong lò nung clinke xi măng đòi hỏi nhiệt độ 1400°C - 2000°C với chi phí đầu tư chuyển đổi dây chuyền rất đắt đỏ, mô hình lò đốt UCE-80 tỏ ra linh hoạt và phù hợp hơn với điều kiện kinh tế của các đô thị Việt Nam.

Về mặt kinh tế, chi phí tiêu hủy chất thải nguy hại của lò UCE-80 ước tính khoảng 50 triệu đồng/tấn đối với hóa chất bảo vệ thực vật, thấp hơn đáng kể so với mức chi phí 6.500 USD/tấn tại các nước châu Âu hoặc 80 - 90 USD/tấn tại Hàn Quốc. Dữ liệu thực nghiệm có thể được trình bày trực quan qua biểu đồ đường biểu diễn mối tương quan giữa thời gian gia nhiệt (0 - 120 phút) với nhiệt độ buồng đốt, cùng bảng so sánh chi tiết nồng độ khí thải thực tế với các chỉ tiêu giới hạn của TCVN 5939-1995 nhằm làm nổi bật tính ưu việt của công nghệ.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu và chuyển giao thực tế, 4 giải pháp cụ thể được đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng lò đốt UCE-80:

Một là, cải tiến độ bền cơ khí và hệ thống thủy lực: Nâng cấp chiều dài hành trình của piston đẩy rác và thay thế gioăng phớt chịu nhiệt nhằm loại bỏ hoàn toàn hiện tượng rò rỉ dầu thủy lực và ngăn ngừa rác bắt cháy sớm tại cửa nạp liệu, hướng tới mục tiêu giảm 100% sự cố kỹ thuật trước tháng 12 năm 2005 do Liên hiệp Khoa học Sản xuất Công nghệ Hóa học chủ trì thực hiện.

Hai là, chuẩn hóa quy trình nạp liệu và giám sát khí thải liên tục: Áp dụng nghiêm ngặt định mức nạp rác 30 - 40 kg cho mỗi chu kỳ 20 - 25 phút, đồng thời vận hành cố định máy đo khí IMR-2800P tại ống khói 18 m để kiểm soát nồng độ oxy và độ tổn thất nhiệt 24/7 trong giai đoạn 2005 - 2006 do Xí nghiệp Xử lý chất thải Nam Sơn phụ trách.

Ba là, mở rộng mạng lưới lò đốt chất thải nguy hại phân tán: Đề xuất Bộ Tài nguyên và Môi trường cùng Ủy ban nhân dân các tỉnh bố trí nguồn vốn ngân sách và vốn đóng góp của doanh nghiệp để lắp đặt thêm 10 - 15 cụm lò đốt UCE công suất 80 - 100 kg/h tại các khu công nghiệp miền Bắc và miền Trung, đặt mục tiêu xử lý tại chỗ 50.000 tấn chất thải nguy hại mỗi năm đến năm 2010.

Bốn là, đẩy mạnh công tác đào tạo và an toàn lao động: Tổ chức định kỳ các khóa tập huấn kỹ thuật 5 ngày cho 100% cán bộ, công nhân vận hành về phương pháp xử lý tro xỉ nguy hại, thao tác với can nhiệt loại K/loại S và kỹ năng khắc phục 8 sự cố vận hành cơ bản do Công ty Môi trường Đô thị Hà Nội phối hợp với các chuyên gia kỹ thuật tổ chức hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung nghiên cứu và tài liệu chuyển giao công nghệ lò đốt UCE-80 mang lại giá trị thực tiễn cho 4 nhóm đối tượng:

Thứ nhất, kỹ sư cơ khí nhiệt và chuyên gia công nghệ môi trường: Có thể khai thác các thông số kỹ thuật chi tiết về buồng sơ cấp dung tích 1,6 m3, buồng thứ cấp 0,8 m3, kết cấu bê tông chịu nhiệt 250 mm chịu được 1600°C và sơ đồ mạch điều khiển quạt gió đa cấp để ứng dụng vào thiết kế lò đốt công nghiệp.

Thứ hai, ban quản lý và kỹ thuật viên tại các khu xử lý chất thải, bệnh viện, khu công nghiệp: Sử dụng tài liệu như một cẩm nang hướng dẫn vận hành chuẩn xác, kiểm soát định mức tiêu hao dầu DO dưới 0,6 kg/kg rác và xử lý nhanh chóng các lỗi tụt áp suất dầu hoặc kẹt van phân phối thủy lực.

Thứ ba, cơ quan quản lý nhà nước và nhà hoạch định chính sách môi trường: Tham khảo cơ sở dữ liệu về 152.000 tấn chất thải nguy hại/năm và kết quả quan trắc đạt chuẩn TCVN 5939-1995 để xây dựng khung biểu phí xử lý rác, quy hoạch trung tâm xử lý cấp vùng và ban hành hướng dẫn kỹ thuật xả thải.

Thứ tư, học viên cao học, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Kỹ thuật Môi trường, Công nghệ Hóa học: Tiếp cận phương pháp thiết lập phương trình cân bằng nhiệt - vật chất, quy trình đánh giá khí thải thực tế và bộ câu hỏi thu hoạch nghiệp vụ phục vụ công tác nghiên cứu học thuật chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

Lò đốt chất thải nguy hại UCE-80 tiêu thụ bao nhiêu nhiên liệu trong quá trình vận hành? Mức tiêu hao nhiên liệu trung bình của lò UCE-80 là 0,6 kg dầu DO cho 1 kg chất thải nguy hại. Khi nhiệt độ buồng sơ cấp đạt trên 850°C, hệ thống điều khiển tự động sẽ ngắt mỏ đốt Riello Press GW để rác tự cháy, giúp giảm thiểu tối đa lượng dầu tiêu thụ trong suốt ca làm việc.

Nhiệt độ các buồng đốt được duy trì ở mức nào để đảm bảo phân hủy hoàn toàn chất độc hại? Buồng đốt sơ cấp được kiểm soát ở dải nhiệt độ 700°C - 850°C để khí hóa và nhiệt phân chất thải rắn. Buồng đốt thứ cấp duy trì nhiệt độ từ 1050°C đến 1250°C với thời gian lưu khói lớn hơn 1,0 giây, đảm bảo oxy hóa và bẻ gãy hoàn toàn các hợp chất hữu cơ bền vững.

Khí thải từ hệ thống lò đốt UCE-80 có đáp ứng tiêu chuẩn môi trường Việt Nam không? Khí thải sau khi qua buồng lưu nhiệt dài 3000 mm, xyclon lắng bụi và tháp hấp thụ kiềm dung tích 0,7 m3 hoàn toàn không màu và ít bụi. Kết quả kiểm định của Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng xác nhận khí thải đạt chuẩn TCVN 5939-1995 đối với công nghiệp và TCVN 6560-1999 đối với y tế.

Tỷ lệ tro xỉ tồn dư sau quá trình thiêu đốt là bao nhiêu và được xử lý như thế nào? Tỷ lệ tro xỉ trung bình chỉ chiếm từ 5% đến 6% tổng khối lượng chất thải đưa vào lò. Lượng tro xỉ này được làm nguội tự động ở đáy buồng sơ cấp, thu gom an toàn định kỳ 1 - 2 lần mỗi ngày và vận chuyển về bãi chôn lấp chuyên dụng hoặc hóa rắn làm vật liệu xây dựng.

Người vận hành cần xử lý thế nào khi xảy ra sự cố khói phả ngược ra cửa nạp rác? Hiện tượng khói phả ngược thường do cửa tháo tro xỉ chưa đóng kín hoặc áp suất buồng đốt chưa đạt mức âm. Người vận hành cần kiểm tra và đóng chặt cửa xả tro, kiểm tra động cơ quạt khói 0,37 kW, quạt tăng cường 2,2 kW và điều chỉnh giảm khối lượng nạp rác mỗi mẻ về mức tiêu chuẩn 30 - 40 kg.

Kết luận

Nghiên cứu và chuyển giao công nghệ lò đốt chất thải công nghiệp nguy hại UCE-80 mang lại 5 đóng góp học thuật và thực tiễn nổi bật:

  • Chế tạo thành công lò đốt nhiệt phân đa vùng công suất 75 - 80 kg/h, xử lý triệt để khí thải đạt chuẩn môi trường TCVN 5939-1995 và TCVN 6560-1999.
  • Rút ngắn thời gian gia nhiệt xuống 90 phút, tối ưu hóa suất tiêu hao nhiên liệu ở mức 0,6 kg dầu DO/kg rác và tiết kiệm điện năng tiêu thụ toàn hệ thống chỉ 3,8 kW.
  • Giảm hơn 94% thể tích chất thải nguy hại với tỷ lệ tro xỉ tồn dư dưới 6%, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng khói đen ô nhiễm.
  • Hoàn thiện bộ quy trình công nghệ, tổ chức khóa đào tạo 5 ngày và chuyển giao thành công thiết bị cho đơn vị vận hành tại bãi rác Nam Sơn.
  • Khẳng định tính tự chủ khoa học công nghệ nhiệt lò đốt trong nước, tiết kiệm hàng triệu USD chi phí nhập khẩu thiết bị từ nước ngoài.

Về lộ trình tiếp theo, các đơn vị nghiên cứu cần tiếp tục nâng cấp hệ thống xả tro tự động và nhân rộng công nghệ cho các cơ sở công nghiệp trong giai đoạn 2005 - 2010. Các doanh nghiệp và đơn vị quản lý môi trường hãy chủ động áp dụng công nghệ lò đốt UCE-80 để giải quyết dứt điểm nguồn thải nguy hại tại chỗ, hướng tới mục tiêu phát triển bền vững.