Tổng quan nghiên cứu

Lượng rác thải sinh hoạt phát sinh trên toàn cầu năm 2020 đã chạm mốc khoảng 5.800.000 tấn mỗi ngày theo các báo cáo môi trường quốc tế. Tại Việt Nam, số liệu thống kê ghi nhận hơn 33.167 tấn rác thải đô thị thải ra môi trường mỗi ngày, trong đó phần lớn được xử lý bằng hình thức chôn lấp truyền thống, chiếm dụng quỹ đất lớn và gây nguy cơ ô nhiễm nguồn nước ngầm. Thách thức lớn nhất hiện nay là rác thải sinh hoạt tại các đô thị chưa được phân loại tại nguồn, có độ ẩm cao từ 54% đến 64% và nhiệt trị thấp.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là tính toán và thiết kế hệ thống phễu nạp rác công suất 500 tấn mỗi ngày, tương đương khả năng cấp liệu liên tục 20,83 tấn mỗi giờ, phục vụ dây chuyền chuyển hóa chất thải thành năng lượng điện theo công nghệ lò đốt ghi cơ học. Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm tập trung vào nguồn rác sinh hoạt chưa phân loại tại ba bãi rác đầu mối của thành phố Hà Nội gồm Nam Sơn, Cầu Diễn và Xuân Sơn trong năm 2020.

Về mặt thực tiễn, công trình giúp loại bỏ chi phí xây dựng các dây chuyền phân loại sơ cấp tốn kém, giảm trên 90% khối lượng rác cần chôn lấp, chuyển biến chất thải đô thị thành nguồn điện năng hữu ích và giảm thiểu phát thải khí nhà kính theo định hướng phát triển bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết nhiệt kỹ thuật của quá trình cháy trên ghi lò chuyển động nhiều vùng và lý thuyết cơ học kết cấu chịu áp lực tĩnh động. Quá trình đốt rác trực tiếp được vận hành trong dải nhiệt độ từ 850 đến 950 độ C nhằm triệt tiêu sự hình thành của các khí độc dioxin và furan. Mô hình thủy lực học và lý thuyết biến dạng dẻo được sử dụng để thiết lập phương trình nén rác tại cổ phễu với hệ số áp lực rác k = 0,217 và góc ma sát trong 40 độ.

Đồng thời, nghiên cứu tích hợp lý thuyết truyền nhiệt đối lưu trong hệ thống áo nước làm mát tuần hoàn ngược dòng bao quanh cổ phễu nhằm duy trì nhiệt độ vách thép dưới 60 độ C. Bốn khái niệm khoa học then chốt bao gồm: Công nghệ đốt rác phát điện thu hồi năng lượng, Chất thải rắn đô thị chưa phân loại, Nhiệt trị thấp của rác và Áp suất âm buồng đốt ở mức 100 mmAq để ngăn chặn hiện tượng rò rỉ khí độc ra môi trường.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập thông qua phương pháp lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng tại ba bãi rác Nam Sơn, Cầu Diễn và Xuân Sơn. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm tổng cộng 32 mẫu rác được thu thập liên tục 24 giờ mỗi ngày trong 2 đợt mùa mưa tháng 8 và mùa khô tháng 1, bổ sung 8 mẫu giao mùa tháng 4 tại bãi rác Nam Sơn. Phương pháp chọn mẫu theo chu kỳ ngày đêm và các mùa khí hậu được ưu tiên nhằm phản ánh trung thực đặc tính cơ lý của rác thải nhiệt đới gió mùa.

Phương pháp phân tích sử dụng bom nhiệt lượng để xác định nhiệt trị thấp, đồng thời đo lường khối lượng riêng ở trạng thái tự nhiên đạt 321 kg trên một mét khối và trạng thái nén trong hầm chứa đạt 650 kg trên một mét khối. Bảng tính kỹ thuật được lập trình để tối ưu hóa kích thước cổ phễu 1.300 x 3.018 mm và thông số xy lanh thủy lực. Phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn trên phần mềm CATIA V5R19 được chọn để kiểm nghiệm ứng suất và chuyển vị của kết cấu thép SS400 dưới tải trọng thiết kế 550.000 N trong thời gian nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã xác lập bốn phát hiện kỹ thuật quan trọng cho quá trình vận hành nhà máy đốt rác phát điện. Thứ nhất, kết quả phân tích thực nghiệm tại Hà Nội chỉ ra thành phần chất hữu cơ chiếm tỷ trọng trung bình 53,35%, độ ẩm cao từ 54% đến 64%, nhiệt trị dao động từ 1.122 đến 1.181 kcal trên mỗi kg và khối lượng riêng nén đạt 650 kg trên một mét khối. Thứ hai, cơ cấu làm kín cổ phễu đạt trạng thái tối ưu khi tích trữ thể tích rác 80 mét khối, tương đương 4 gầu múc cẩu rác có khối lượng 26.000 kg, tạo nút đệm áp suất ngăn triệt để khí độc NOx, SOx, CO rò rỉ dưới áp suất âm 100 mmAq.

Thứ ba, hệ thống nén thủy lực được thiết kế chính xác với xy lanh đường kính piston 140 mm, đường kính ty 100 mm, hành trình 816 mm, hoạt động ở áp suất danh định 12 MPa và áp suất cực đại 14 MPa. Hệ thống tạo lực đẩy làm việc 184.726 N, vượt mức lực cản yêu cầu 152.739 N tới 20,9%, đảm bảo thực hiện hành trình nén 20% thể tích rác tại góc mở van 14,5 độ để rác tự động rơi xuống đáy phễu. Thứ tư, kết cấu phễu bằng thép SS400 với tổng dung tích 128,14 mét khối được kiểm chứng đạt chuẩn an toàn chịu lực dưới tải trọng cực đại.

Thảo luận kết quả

Cơ chế vận hành ổn định của hệ thống bắt nguồn từ cơ cấu van nén linh hoạt có góc xoay từ 14,5 độ khi nén đến 43,4 độ khi đóng kín hoàn toàn, kết hợp bề mặt dẫn hướng bằng thép tấm dày 6 mm giúp phá vỡ hiện tượng tạo vòm tắc nghẽn ở chất thải có độ ẩm cao trên 60%. So với các công nghệ cấp liệu bằng băng tải kết hợp lò quay của Thụy Sĩ năm 2017 vốn yêu cầu rác phải được phân loại nhỏ dưới 10 cm, giải pháp phễu nén này cho phép tiếp nhận trực tiếp rác kích thước tới 70 cm mà không cần tiền xử lý, tiết kiệm chi phí đầu tư thiết bị phân loại.

Dữ liệu tính toán kỹ thuật có thể được trực quan hóa thông qua biểu đồ cột so sánh nhiệt trị theo từng mùa, đồ thị đường biểu diễn mối quan hệ giữa hành trình và lực đẩy xy lanh từ 538 mm đến 1.354 mm, cùng bảng tổng hợp phân bố ứng suất Von Mises trên mô hình 3D. Kết quả này chứng minh giải pháp hoàn toàn phù hợp để áp dụng rộng rãi tại các quốc gia đang phát triển.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, các tổng thầu EPC và doanh nghiệp cơ khí cần chuẩn hóa quy trình chế tạo phễu nạp rác bằng thép kết cấu SS400, tích hợp hệ thống dầm tăng cứng chữ L kích thước 160x160x12 mm và vỏ bao dày từ 6 mm đến 12 mm cho các dự án lò đốt 500 tấn mỗi ngày trong giai đoạn 2021-2025.

Thứ hai, ban quản lý vận hành nhà máy cần trang bị đồng bộ cụm cảm biến mức LIA và cảm biến năng lượng buồng đốt GICA nhằm tự động hóa 100% quy trình cấp liệu và chu kỳ nén 20% định kỳ 2 đến 3 phút một lần, giảm thiểu hoàn toàn sự can thiệp thủ công.

Thứ ba, đội ngũ kỹ sư bảo trì O&M phải thiết lập quy trình kiểm soát tuần hoàn áo nước làm mát qua các đầu nối tiêu chuẩn ASME từ 20A đến 40A, duy trì lưu lượng để giữ nhiệt độ vách cổ phễu ổn định dưới 60 độ C, ngăn ngừa nguy cơ mỏi nhiệt và ăn mòn hóa học bởi khí thải có tính axit.

Thứ tư, Sở Tài nguyên và Môi trường thành phố Hà Nội cùng các cơ quan quản lý cần đẩy nhanh tiến độ triển khai quy hoạch xử lý chất thải theo Quyết định số 609 của Thủ tướng Chính phủ, ưu tiên cấp phép cho 14 cơ sở áp dụng công nghệ đốt rác phát điện trực tiếp không qua phân loại đến năm 2030.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư thiết kế cơ khí và kết cấu công nghiệp: Tiếp cận bộ công thức tính toán thủy lực trên bảng tính, quy cách kích thước cổ phễu 1.300 x 3.018 mm và quy trình phân tích phần tử hữu hạn trên mô hình 3D để ứng dụng vào thiết kế thiết bị phụ trợ lò đốt.

Nhóm chủ đầu tư và nhà thầu xây dựng nhà máy điện rác: Đánh giá phương án kinh tế kỹ thuật của hệ thống cấp liệu trực tiếp công suất 500 tấn mỗi ngày nhằm cắt giảm chi phí đầu tư cho dây chuyền phân loại sơ cấp ban đầu.

Nhóm cán bộ quản lý môi trường và quy hoạch đô thị: Sử dụng số liệu thực nghiệm làm căn cứ khoa học để xây dựng định mức kỹ thuật và thúc đẩy chuyển đổi từ mô hình chôn lấp sang công nghệ biến rác thành năng lượng xanh.

Nhóm giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Cơ khí, Năng lượng và Kỹ thuật môi trường: Khai thác tài liệu chuyên khảo về phương pháp tính toán tải trọng động, động lực học chất thải và giải pháp xử lý chất thải nhiệt trị thấp.

Câu hỏi thường gặp

Cơ cấu nén rác 20% bằng thủy lực tại cổ phễu đóng vai trò gì trong quá trình cấp liệu? Rác sinh hoạt chưa phân loại có độ ẩm từ 54% đến 64% rất dễ kết dính và tạo vòm nghẽn. Khi cảm biến ghi nhận lượng rác giảm, xy lanh đẩy cửa van ép 20% thể tích ở góc xoay 14,5 độ rồi lùi về vị trí ban đầu trong 2 giây, tạo khoảng trống giúp 20,83 tấn rác mỗi giờ tự do trượt xuống bàn đẩy vào lò.

Làm thế nào để hệ thống ngăn chặn hơi nóng và khí độc NOx, SOx bốc ngược ra ngoài miệng phễu? Khi khởi động lò, cửa van đóng kín 100% ở góc 43,4 độ. Đồng thời, phễu nạp tích sẵn một khối lượng rác khoảng 26.000 kg với thể tích 80 mét khối phía trên cửa van, đóng vai trò như nút đệm kín khí kết hợp áp suất âm 100 mmAq trong lò để ngăn triệt để khí độc thoát ra ngoài.

Vật liệu thép carbon SS400 có đảm bảo độ bền và chịu nhiệt tốt trong môi trường phễu nạp không? Kết cấu phễu sử dụng thép SS400 kết hợp hệ gân tăng cứng chữ L kích thước 160x160x12 mm và áo nước làm mát tuần hoàn từ dưới lên. Phân tích mô phỏng dưới tải trọng 550.000 N cho thấy ứng suất sinh ra nằm trong giới hạn đàn hồi an toàn và nhiệt độ bề mặt luôn được kiểm soát dưới 60 độ C.

Rác sinh hoạt Hà Nội có nhiệt trị 1.122 đến 1.181 kcal trên mỗi kg có cần bổ sung dầu đốt phụ trợ không? Trong điều kiện vận hành ổn định trên vỉ ghi ba tầng ở nhiệt độ 850 đến 950 độ C, lượng rác đã lưu tại hố chứa được đảo trộn và sấy sơ bộ trên ghi sấy hoàn toàn tự duy trì quá trình cháy liên tục mà không cần cấp thêm nhiên liệu phụ trợ, giúp tối ưu hóa chi phí sản xuất điện năng.

Mô hình phễu nạp 500 tấn mỗi ngày có thể mở rộng cho các dự án 1.000 tấn mỗi ngày không? Giải pháp hoàn toàn có thể mở rộng bằng cách lắp đặt hai module phễu nạp độc lập hoạt động song song trên cùng thân lò hoặc mở rộng kích thước cổ phễu theo tiêu chuẩn vỉ ghi loại L. Toàn bộ thuật toán tính toán thủy lực và tải trọng trên bảng tính đều tự động co giãn theo công suất yêu cầu.

Kết luận

  • Hoàn thành tính toán và thiết kế hệ thống phễu nạp rác công suất 500 tấn mỗi ngày, tương đương 20,83 tấn mỗi giờ, đáp ứng yêu cầu cấp liệu cho rác thải chưa phân loại.
  • Xác lập bộ số liệu thực nghiệm chuẩn xác về rác thải Hà Nội với tỷ lệ hữu cơ 53,35%, độ ẩm 54% đến 64% và khối lượng riêng nén đạt 650 kg trên một mét khối.
  • Tối ưu hóa hệ thống nén thủy lực với xy lanh đường kính 140 mm, tạo lực đẩy danh định 184.726 N vượt 20,9% yêu cầu kỹ thuật, giải quyết triệt để sự cố tắc nghẽn rác.
  • Phát triển giải pháp làm kín cổ phễu bằng lớp rác đệm 80 mét khối và áo nước làm mát, ngăn chặn khí độc phát tán dưới áp suất âm 100 mmAq của buồng đốt.
  • Kiểm nghiệm bền kết cấu thép SS400 trên mô hình 3D phần mềm CATIA V5R19 dưới tải trọng 550.000 N, khẳng định độ tin cậy cơ học cao.

Đóng góp chính của đề tài là cung cấp giải pháp kỹ thuật hoàn chỉnh giúp các nhà máy đốt rác phát điện vận hành hiệu quả với nguồn rác chưa phân loại tại Việt Nam. Trong lộ trình 6 đến 12 tháng tới, các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp cơ khí cần phối hợp chế tạo mô hình thử nghiệm thực tế để sớm đưa vào ứng dụng thương mại, thúc đẩy ngành công nghiệp xử lý rác thải phát triển bền vững.