Tổng quan nghiên cứu

Sự gia tăng nhanh chóng của chất thải rắn sinh hoạt đang tạo ra áp lực nặng nề đối với công tác bảo vệ môi trường và hạ tầng đô thị tại Việt Nam. Thống kê tại Thành phố Hồ Chí Minh ghi nhận khối lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh đạt khoảng 7.500 tấn/ngày, trong đó lượng rác được thu gom và đưa về các bãi chôn lấp tập trung chiếm tới 6.700 tấn/ngày. Chất thải nhựa phát sinh ước tính khoảng 250.000 tấn/năm và dự báo chạm mốc 500.000 tấn/năm. Các biện pháp xử lý truyền thống như chôn lấp hợp vệ sinh đang đối mặt với tình trạng cạn kiệt quỹ đất, nguy cơ ô nhiễm nguồn nước ngầm từ nước rỉ rác, trong khi các công nghệ nhiệt phân trước đây thường đòi hỏi hệ thống xúc tác đắt tiền và nguồn nguyên liệu nhựa sạch phân loại tại nguồn.

Nhằm giải quyết bài toán môi trường theo định hướng biến rác thành năng lượng, đề tài tập trung nghiên cứu thực nghiệm quá trình tái sinh thành phần polymer có nhiệt trị cao (chủ yếu là túi nylon nhựa PE, PP) còn sót lại trong chất thải rắn sinh hoạt sau phân loại thành nhiên liệu lỏng. Nghiên cứu được triển khai trong điều kiện vận hành đơn giản, an toàn ở nhiệt độ 400 độ C và áp suất 1 kG/cm2 không dùng chất xúc tác, đồng thời đánh giá toàn diện các chỉ tiêu cơ lý và thử nghiệm đốt thực tế trên mô hình buồng đốt cao áp. Nghiên cứu đóng góp trực tiếp vào mục tiêu của Chiến lược quốc gia về quản lý tổng hợp chất thải rắn đến năm 2025 và tầm nhìn đến năm 2050 theo Quyết định số 2149/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ, hướng tới tái chế và thu hồi năng lượng 85% tổng lượng chất thải rắn, cắt giảm tỷ lệ chôn lấp xuống dưới 10%, tạo ra nguồn nhiên liệu tái sinh đạt nhiệt trị ấn tượng 10.918 kcal/kg để phục vụ các lò đốt công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết nhiệt phân polymer (Thermal Pyrolysis) và lý thuyết quá trình cháy nhiên liệu lỏng trong buồng đốt công nghiệp. Bản chất của quá trình nhiệt phân là sự phân hủy nhiệt các hợp chất hữu cơ cao phân tử trong môi trường yếm khí hoặc thiếu oxy ở nhiệt độ từ 300 đến 500 độ C. Dưới tác động của nhiệt năng và áp suất, các liên kết cộng hóa trị carbon-carbon trong chuỗi macromolecule của nhựa Polyethylene (PE) và Polypropylene (PP) bị bẻ gãy ngẫu nhiên hoặc bẻ gãy mạch nhánh, chuyển hóa cấu trúc polyme mạch dài thành các hợp chất hydrocarbon có khối lượng phân tử nhỏ hơn ở ba pha: pha lỏng (dầu nhẹ, hợp chất paraffinic và olefinic), pha khí (hydrocarbon C1-C4) và pha rắn (than cặn carbon).

Bên cạnh đó, nghiên cứu vận dụng lý thuyết động học quá trình cháy hoàn toàn nhiên liệu lỏng và cơ chế phát tán các chất ô nhiễm không khí. Các khái niệm trung tâm bao gồm: Khái niệm biến rác thành năng lượng (Waste to Energy - WTE), nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp (Gross/Net Calorific Value), độ nhớt động học (Kinematic Viscosity) quyết định khả năng phun sương, và hệ số không khí thừa. Nhiên liệu lỏng khi được tán sương mịn qua đầu phun áp lực cao kết hợp nhiệt độ sấy sơ bộ thích hợp sẽ hòa trộn tối ưu với oxy, thúc đẩy quá trình oxy hóa triệt để thành CO2 và H2O, hạn chế sự hình thành các sản phẩm cháy dở dang như CO, muội than và các khí axit độc hại.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn nguyên liệu là thành phần polymer thải nhiệt trị cao thu gom từ chất thải rắn sinh hoạt sau phân loại tại Công ty Cổ phần Môi trường Đồng Xanh (Thành phố Hồ Chí Minh). Kích thước cỡ mẫu rác nhựa sau khi qua hệ thống tiền xử lý cơ học cắt nhỏ đạt khoảng 10 đến 20 mm. Phương pháp chọn mẫu tập trung vào nhóm màng nhựa polyolefin (PE, PP) chiếm tỷ trọng lớn trong dòng thải sinh hoạt thực tế.

Quy trình thực nghiệm được tiến hành qua hai hệ thống mô hình chính trong mốc thời gian từ tháng 08 năm 2012 đến tháng 06 năm 2013:

  • Hệ thống thiết bị phản ứng nhiệt phân gián tiếp theo mẻ (Batch Reactor): Vận hành thử nghiệm tại các dải nhiệt độ 300 độ C, 350 độ C và 400 độ C dưới áp suất kiểm soát 1 kG/cm2, thời gian lưu nhiệt từ 30 đến 180 phút để khảo sát động học thu hồi sản phẩm lỏng.
  • Hệ thống mô hình buồng đốt nhiên liệu tái sinh: Sử dụng mỏ đốt nhiên liệu lỏng cao áp biến bụi bằng khí nén với áp suất nén lớn hơn 500 kN/m2 qua béc phun đường kính 2,0 mm; nhiên liệu lỏng được gia nhiệt sơ bộ đến 90-110 độ C và duy trì hệ số dư không khí alpha bằng 1,20.

Phương pháp phân tích hóa lý và xử lý dữ liệu: Xác định nhiệt trị nhiên liệu bằng bom nhiệt lượng; đo độ nhớt động học ở 50 độ C theo tiêu chuẩn quốc gia; phân tích thành phần lưu huỳnh bằng phương pháp đo quang phổ; đo đạc nồng độ các hợp chất khí thải (CO, NOx, SO2, HCl, bụi tổng) bằng thiết bị phân tích khí tự động Testo và đối chiếu trực tiếp với Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 19:2009/BTNMT. Toàn bộ số liệu thực nghiệm được xử lý thống kê bằng phần mềm SPSS để kiểm định phương sai ANOVA, đánh giá mức độ sai biệt có ý nghĩa thống kê giữa các mức nhiệt độ và thời gian phản ứng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm nhiệt phân và thử nghiệm buồng đốt đã đem lại những phát hiện quan trọng về mặt công nghệ và thông số kỹ thuật:

  1. Hiệu suất thu hồi nhiên liệu lỏng tối ưu tại 400 độ C: Tại mức nhiệt độ 400 độ C và áp suất 1 kG/cm2, hiệu suất thu hồi nhiên liệu lỏng đạt 40% tổng khối lượng nguyên liệu nạp vào. Tỷ lệ này cao vượt trội so với mức nhiệt 300 độ C (dầu thu được dưới 15%) và 350 độ C (dầu thu được khoảng 28%). Phần sản phẩm còn lại bao gồm khí tổng hợp hydrocarbon chiếm khoảng 45% đến 50% và cặn than rắn chiếm tỷ lệ nhỏ dưới 10%.
  2. Đặc tính nhiệt trị và phẩm cấp nhiên liệu vượt trội: Nhiên liệu lỏng tái sinh có nhiệt trị đạt 10.918 kcal/kg (tương đương khoảng 45,7 MJ/kg), cao hơn khoảng 7% so với dầu DO thương mại (khoảng 10.200 kcal/kg). Độ nhớt động học đo được tại 50 độ C là 4,648 cSt, hàm lượng lưu huỳnh cực thấp chỉ 0,038% khối lượng, thấp hơn đáng kể so với dầu FO công nghiệp thông thường có hàm lượng lưu huỳnh từ 1,0% đến 3,0%.
  3. Đặc tính cháy ổn định ở nhiệt độ cao: Khi nhiên liệu lỏng được gia nhiệt sơ bộ lên 90 độ C và cấp vào mỏ đốt cao áp với hệ số dư không khí alpha bằng 1,20, quá trình cháy diễn ra hoàn toàn với ngọn lửa sáng đều, nhiệt độ tâm buồng đốt đo được duy trì ổn định ở mức 1.250 độ C.
  4. Kiểm soát khí thải đạt chuẩn môi trường: Nồng độ các chất ô nhiễm trong khói thải sau buồng đốt đều thấp hơn nhiều so với giới hạn cho phép của Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 19:2009/BTNMT (Cột B): Nồng độ CO đạt 184 mg/Nm3 (quy chuẩn quy định nhỏ hơn 1.000 mg/Nm3), NOx đạt 110 mg/Nm3 (quy chuẩn nhỏ hơn 850 mg/Nm3), SO2 đạt 155 mg/Nm3 (quy chuẩn nhỏ hơn 500 mg/Nm3), khí axit HCl đạt 28 mg/Nm3 (quy chuẩn nhỏ hơn 50 mg/Nm3) và bụi tổng đạt 37 mg/Nm3 (quy chuẩn nhỏ hơn 200 mg/Nm3).

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu khẳng định mối quan hệ mật thiết giữa nhiệt độ nhiệt phân và cấu trúc sản phẩm hydrocarbon thu được. Ở nhiệt độ 400 độ C, các liên kết polymer bị bẻ gãy ở mức độ vừa phải để tạo thành các phân đoạn hydrocarbon lỏng mạch trung bình (C8-C20), tránh hiện tượng bẻ gãy quá mức thành khí nhẹ không ngưng tụ như ở các dải nhiệt trên 600 độ C. So sánh với các công trình của các tác giả quốc tế như Ayhan Demirbas hay Paul T. Williams, công nghệ này đạt được tỷ lệ thu hồi dầu 40% mà không cần bổ sung các chất xúc tác Zeolite đắt đỏ hay vận hành trong môi trường chân không phức tạp, giúp giảm đáng kể chi phí đầu tư thiết bị.

Dữ liệu thực nghiệm phân tích qua biểu đồ động học chỉ ra rằng lượng dầu sinh ra tăng vọt trong 60 phút đầu tiên và đạt trạng thái bão hòa sau 120 phút. Trở ngại lớn nhất của dầu tái sinh từ nhựa thải là độ nhớt tương đối cao ở nhiệt độ thường, dễ gây tắc nghẽn béc phun nếu đốt nguội. Tuy nhiên, việc áp dụng giải pháp kỹ thuật sấy sơ bộ dầu lên 90-110 độ C đã làm giảm độ nhớt xuống mức tối ưu cho quá trình tán sương khí nén áp suất trên 500 kN/m2. Nhờ đó, nhiên liệu được hòa trộn đồng đều với dòng khí cấp, giúp nhiệt độ buồng đốt đạt ngưỡng 1.250 độ C và đảm bảo nồng độ CO chỉ bằng 18,4% mức trần cho phép của QCVN 19:2009/BTNMT, triệt tiêu nguy cơ phát sinh khí độc hại thứ cấp.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện công nghệ và đưa kết quả nghiên cứu vào ứng dụng thực tiễn trong quản lý môi trường, bốn giải pháp trọng tâm được đề xuất:

  1. Chuyển giao và nâng cấp quy mô hệ thống lò phản ứng liên tục: Các doanh nghiệp xử lý môi trường phối hợp cùng các viện nghiên cứu tiến hành nâng cấp mô hình nhiệt phân từ dạng mẻ sang dạng lò phản ứng trục vít hoặc tầng sôi liên tục. Mục tiêu đạt công suất xử lý từ 2 đến 5 tấn nhựa thải/ngày trong lộ trình 2024 - 2026, giúp ổn định dòng sản phẩm và tận dụng khí nhiệt phân quay lại cấp nhiệt cho chính hệ thống.
  2. Xây dựng khung tiêu chuẩn kỹ thuật cho nhiên liệu lỏng tái sinh: Kiến nghị Bộ Tài nguyên và Môi trường cùng Bộ Khoa học và Công nghệ trong thời gian 12 đến 18 tháng tới nghiên cứu ban hành Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và quy chuẩn kỹ thuật chuyên ngành đối với dầu tái sinh từ rác thải (WTE oil). Việc này tạo cơ sở pháp lý vững chắc cho các cơ sở công nghiệp an tâm sử dụng thương mại.
  3. Ứng dụng thay thế nhiên liệu đốt tại các lò đốt rác chuyên dụng: Ban quản lý các khu liên hợp xử lý chất thải triển khai lắp đặt hệ thống mỏ đốt cao áp sử dụng trực tiếp dầu tái sinh (nhiệt trị 10.918 kcal/kg) để cung cấp nhiệt cho buồng đốt sơ cấp và thứ cấp của các lò đốt chất thải nguy hại và chất thải y tế. Giải pháp này giúp cắt giảm 50% đến 70% chi phí mua dầu DO/FO từ bên ngoài kể từ năm 2025.
  4. Tăng cường cơ chế phân loại và tiền xử lý chất thải nhựa tại nguồn: Đơn vị quản lý môi trường đô thị tại các địa phương mở rộng thu gom tách riêng nhóm màng nhựa PE, PP tại các trạm trung chuyển, duy trì độ ẩm nguyên liệu đầu vào dưới 10% để nâng cao hiệu suất thu hồi dầu của hệ thống nhiệt phân lên trên 45%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và số liệu thực nghiệm trong luận văn mang lại giá trị ứng dụng thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Doanh nghiệp vận hành nhà máy xử lý rác và chất thải công nghiệp: Tiếp cận quy trình nhiệt phân không xúc tác để chế tạo nguồn nhiên liệu đốt tại chỗ cho các lò nung, lò hơi, lò đốt rác, tối ưu hóa chi phí vận hành hàng năm.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và nhà hoạch định chính sách môi trường: Sử dụng hệ thống dữ liệu phát thải thực tế (CO 184 mg/Nm3, NOx 110 mg/Nm3, SO2 155 mg/Nm3) làm cơ sở xây dựng chính sách thúc đẩy công nghệ biến rác thành năng lượng và ban hành quy chuẩn kỹ thuật cho nhiên liệu tái sinh.
  • Kỹ sư thiết kế nhiệt, lò đốt và thiết bị cơ khí môi trường: Tham khảo thông số kỹ thuật chi tiết về áp suất khí nén (trên 500 kN/m2), đường kính đầu phun béc dầu (2,0 mm) và nhiệt độ sấy sơ bộ (90 độ C) để thiết kế hệ thống đốt các loại nhiên liệu lỏng có độ nhớt cao.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Môi trường/Hóa học: Sử dụng luận văn như tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp nghiên cứu thực nghiệm nhiệt phân polymer, phân tích động học cracking và kỹ thuật đo đạc kiểm soát phát thải khí công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

Nhiên liệu lỏng tái sinh từ nhựa thải có chất lượng và nhiệt trị như thế nào so với dầu đốt thương mại? Nhiên liệu lỏng tái sinh đạt nhiệt trị 10.918 kcal/kg, cao hơn mức khoảng 10.200 kcal/kg của dầu DO thông thường. Hàm lượng lưu huỳnh trong dầu chỉ chiếm 0,038%, thấp hơn nhiều so với dầu FO, giúp hạn chế phát sinh khí SO2 khi đốt và hoàn toàn đủ tiêu chuẩn làm nhiên liệu đốt cho các lò công nghiệp.

Tại sao công nghệ nhiệt phân trong nghiên cứu này không cần dùng chất xúc tác mà vẫn đạt hiệu quả? Bằng việc duy trì nhiệt độ buồng phản ứng ở mức 400 độ C và áp suất 1 kG/cm2 trong môi trường yếm khí, các liên kết polymer của nhóm polyolefin (PE, PP) được bẻ gãy nhiệt tự nhiên thành các mạch hydrocarbon lỏng mà không cần xúc tác đắt tiền, giúp tiết kiệm chi phí vận hành và đơn giản hóa thiết bị.

Quá trình đốt nhiên liệu lỏng tái sinh có phát sinh khí thải độc hại vượt quy chuẩn môi trường không? Không. Khi được đốt bằng mỏ đốt cao áp ở nhiệt độ 1.250 độ C với hệ số dư không khí alpha bằng 1,20, toàn bộ khí thải đo được gồm CO (184 mg/Nm3), NOx (110 mg/Nm3), SO2 (155 mg/Nm3), HCl (28 mg/Nm3) và bụi (37 mg/Nm3) đều thấp hơn rất nhiều so với ngưỡng quy định tại QCVN 19:2009/BTNMT.

Những loại nhựa nào trong chất thải rắn sinh hoạt thích hợp nhất cho công nghệ này? Nhựa nhiệt dẻo nhóm polyolefin gồm Polyethylene (PE - túi nylon màng mỏng) và Polypropylene (PP - bao bì dệt, hộp nhựa) là nguyên liệu lý tưởng nhất. Chúng mang lại hiệu suất thu hồi pha lỏng cao, ít tro cặn và không sinh ra nhiều khí axit ăn mòn như nhóm nhựa chứa clo (PVC).

Làm cách nào để xử lý độ nhớt của dầu tái sinh khi đưa vào béc phun buồng đốt? Dầu tái sinh có độ nhớt 4,648 cSt tại 50 độ C, do đó hệ thống cần tích hợp bộ phận gia nhiệt sơ bộ nhiên liệu lên 90-110 độ C trước khi bơm. Kết hợp với vòi phun áp lực khí nén trên 500 kN/m2 và béc phun 2,0 mm, dòng dầu sẽ được tán sương siêu mịn để cháy hoàn toàn.

Kết luận

  • Đề tài đã thử nghiệm thành công công nghệ nhiệt phân không xúc tác tận dụng màng nhựa thải (PE, PP) từ chất thải rắn sinh hoạt thành nhiên liệu lỏng với hiệu suất thu hồi đạt 40% ở điều kiện 400 độ C và áp suất 1 kG/cm2.
  • Nhiên liệu lỏng tái sinh sở hữu nhiệt trị cao 10.918 kcal/kg, độ nhớt 4,648 cSt tại 50 độ C và hàm lượng lưu huỳnh cực thấp 0,038%, đáp ứng xuất sắc các tiêu chí của dầu đốt công nghiệp.
  • Thử nghiệm buồng đốt với mỏ đốt cao áp, béc phun 2,0 mm, khí nén trên 500 kN/m2 và gia nhiệt dầu lên 90 độ C đã duy trì nhiệt độ ngọn lửa đạt 1.250 độ C.
  • Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí thải (CO, NOx, SO2, HCl, bụi tổng) đều đạt chuẩn Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 19:2009/BTNMT.
  • Công trình mở ra giải pháp biến rác thành năng lượng (WTE) khả thi, giúp giảm tải áp lực chôn lấp chất thải rắn đô thị và hạ giá thành nhiên liệu cho các lò đốt rác chuyên dụng.

Trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới, hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tự động hóa dây chuyền nhiệt phân liên tục quy mô pilot công nghiệp và hoàn thiện hồ sơ tiêu chuẩn chất lượng. Các đơn vị xử lý môi trường và doanh nghiệp quan tâm hãy liên hệ để cùng hợp tác, chuyển giao công nghệ và triển khai các giải pháp năng lượng tái sinh hiệu quả từ rác thải nhựa!