Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Tại Việt Nam, khối lượng chất thải rắn (CTR) sinh hoạt phát sinh tại khu vực đô thị đạt khoảng 38.000 tấn/ngày với tốc độ gia tăng trung bình 12%/năm. Thành phần chất thải rắn sinh hoạt đô thị chứa tỷ lệ hữu cơ cao (54% - 77%), thành phần tái chế chiếm 8% - 18%, chất thải nguy hại lẫn trong rác sinh hoạt chiếm 0,02% - 0,82%, và rác thải y tế phát sinh khoảng 600 tấn/ngày (tăng 7,6%/năm). Công tác xử lý rác thải hiện nay chủ yếu dựa vào chôn lấp (34% chôn lấp trực tiếp, 24% chôn lấp bã thải sau xử lý) và tái chế (42%). Hoạt động phân loại rác tại nguồn chưa đồng bộ, các bãi chôn lấp hợp vệ sinh chiếm tỷ lệ thấp, dẫn đến tình trạng quá tải quỹ đất, ô nhiễm môi trường đất, nước ngầm và không khí, gây bức xúc xã hội.

Công nghệ đốt rác phát điện (Waste-to-Energy - WTE) cho phép giảm đến 90% thể tích rác thải, thu hồi năng lượng nhiệt để sản xuất điện năng và vô hại hóa các hợp chất độc hại ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên, rác thải đốt cần đạt nhiệt trị tối thiểu trên 3.347 kJ/kg (có đốt kèm phụ trợ) hoặc trên 4.187 kJ/kg để đạt hiệu quả kinh tế độc lập với công suất xử lý thường trên 200 tấn/ngày. Tại thời điểm nghiên cứu (năm 2020), Việt Nam có nhà máy điện rác Cần Thơ (công suất 7,5 MW, xử lý 400 tấn/ngày) đang vận hành thương mại, dự án nhà máy tại Sóc Sơn - Hà Nội (công suất dự kiến 75 MW, xử lý 4.000 tấn/ngày) đang xây dựng, và một nhà máy rác công nghiệp quy mô nhỏ tại Sóc Sơn (75 tấn/ngày, 1,92 MW) đã dừng hoạt động do chi phí vận hành cao.

Nhằm làm chủ quy trình tính toán nhiệt và thiết kế hệ thống nhiệt điện rác phù hợp điều kiện trong nước, đồ án tốt nghiệp tập trung vào đề tài: "Thiết kế sơ bộ nhà máy điện rác sử dụng nhiên liệu là chất thải công nghiệp công suất 300 tấn/ngày", thực hiện bởi sinh viên Trần Lê Minh Lưu dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Đức Quyền tại Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt - Lạnh, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm 6 nội dung chính:

  1. Tìm hiểu tổng quan về thực trạng CTR và các công nghệ xử lý chất thải rắn tại Việt Nam (phân loại tái chế, chôn lấp hợp vệ sinh, WTE, ủ phân compost, khí hóa Plasma).
  2. Xác định thành phần nhiên liệu rác, tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng và khả năng phát điện với sản lượng chất thải đưa vào lò đốt 300 tấn/ngày.
  3. Lựa chọn sơ đồ công nghệ, sơ đồ nhiệt nguyên lý, thông số chu trình hơi và các thông số đầu vào phù hợp cho tổ máy điện rác.
  4. Tính toán sơ đồ nhiệt nguyên lý, lập cân bằng nhiệt - vật chất các thiết bị trong chu trình và xác định các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của tổ máy.
  5. Tính toán kiểm tra và lựa chọn các thiết bị chính gian máy (bơm cấp, bơm ngưng, bơm tuần hoàn, bình ngưng, bình khử khí, các bình gia nhiệt cao áp và hạ áp) cùng thiết bị gian lò hơi (quạt gió, quạt khói).
  6. Phần chuyên đề: Lựa chọn công nghệ xử lý khói thải, nước rỉ rác; tính toán quá trình và tiêu hao hóa chất xử lý $SO_x$, đáp ứng tiêu chuẩn xả thải theo QCVN 30:2012/BTNMT và QCVN 61-MT:2016/BTNMT.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Nhà máy điện rác sử dụng nhiên liệu chất thải rắn công nghiệp thông thường, công suất tiếp nhận 300 tấn/ngày.
  • Thành phần làm việc của nhiên liệu rác: Cacbon ($C = 46,2%$), Hydro ($H = 2,5%$), Oxy ($O = 8,4%$), Lưu huỳnh ($S = 0,5%$), Clo ($Cl = 0,6%$), Nitơ ($N = 2,7%$), Tro ($A = 18,5%$), Độ ẩm ($W = 20,6%$).
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế sơ bộ chu trình nhiệt động lực học Rankine hồi nhiệt, gian máy tuabin - máy phát và hệ thống xử lý khí thải/tro xỉ theo quy chuẩn kỹ thuật môi trường Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu áp dụng lý thuyết nhiệt động lực học kỹ thuật và truyền nhiệt trong nhà máy nhiệt điện:

  • Xác định nhiệt trị thấp của nhiên liệu: Áp dụng công thức Mendeleev đối với chất thải rắn có thành phần làm việc cho trước: $$Q_{nl}^t = 339,15 \cdot C + 1029,7 \cdot H - 108,8 \cdot (O - S) - 25,1 \cdot (9H + W) \quad (\text{kJ/kg})$$
  • Mô hình chu trình Rankine có hồi nhiệt: Hơi quá nhiệt sinh ra từ lò hơi giãn nở sinh công trong tuabin hơi ngưng hơi xi lanh đơn, có 3 cửa trích hơi cấp cho bình gia nhiệt cao áp (GNCA), bình khử khí và hai bình gia nhiệt hạ áp (GNHA1, GNHA2).
  • Phương pháp cân bằng nhiệt và cân bằng vật chất: Thiết lập hệ phương trình cân bằng dòng năng lượng (entanpi) và lưu lượng tương đối ($\alpha$) qua từng phần tử nhiệt động (bình phân ly nước xả lò, bình gia nhiệt nước bổ sung, bình GNCA, bơm cấp, bình khử khí, bình GNHA1, bình GNHA2, bình ngưng).
  • Phương pháp tính toán thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt: Xác định bề mặt trao đổi nhiệt ($F$) dựa trên phương trình truyền nhiệt bề mặt: $$Q = k \cdot F \cdot \Delta t_{tb}$$ Trong đó $k$ là hệ số truyền nhiệt thực nghiệm ($\text{kW/m}^2\cdot\text{K}$), $\Delta t_{tb}$ là độ chênh nhiệt độ trung bình logarit của hai dòng môi chất.
  • Phương pháp tính chọn bơm: Xác định lưu lượng thể tích ($G$), cột áp toàn phần ($\Delta p$) và công suất động cơ dẫn động ($W$) có tính đến hệ số dự phòng 1,1 và hiệu suất bơm.

Quy chuẩn kỹ thuật áp dụng

  • QCVN 30:2012/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải lò đốt chất thải rắn công nghiệp.
  • QCVN 61-MT:2016/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về lò đốt chất thải rắn sinh hoạt.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Dây chuyền công nghệ nhà máy được thiết kế đồng bộ từ khâu tiếp nhận nhiên liệu đến khâu phát điện và xử lý phát thải:

  1. Hệ thống tiếp nhận, lưu trữ và tiền xử lý: Rác được cân đo, đổ vào bể chứa bê tông cốt thép bán ngầm khép kín. Bể chứa duy trì áp suất âm bằng cách dùng quạt gió nhất thứ hút không khí bể cấp vào buồng đốt lò để khử mùi. Rác được lưu trữ ủ 7 - 12 ngày nhằm phân hủy sinh học, tách khoảng 20% nước rỉ rác, nâng cao nhiệt trị trước khi dùng cầu trục gắp đưa vào phễu nạp liệu lò đốt.
  2. Hệ thống buồng đốt và lò hơi:
    • Lò đốt sử dụng công nghệ ghi xích cơ khí đa cấp (ghi tĩnh xen kẽ ghi động).
    • Hệ thống cấp gió gồm gió sơ cấp (hút từ bể rác, sấy bằng bộ sấy không khí hơi nước rồi cấp dưới ghi) và gió thứ cấp (lấy từ trần lò cấp vào buồng lửa để tăng xáo trộn). Gió làm mát bảo vệ tường gạch chịu lửa.
    • Nhiệt độ buồng lửa duy trì $> 950^\circ\text{C}$, thời gian lưu cháy $> 2\text{ giây}$ (bố trí 3 lớp đo nhiệt độ, mỗi lớp 3 điểm đo). Hệ thống đốt phụ trợ sử dụng dầu diesel (DO) với 6 bộ đốt (4 bộ khởi động, 2 bộ phụ).
    • Lò hơi tận dụng nhiệt thải kiểu 1 bao hơi tuần hoàn tự nhiên, hạ nhanh nhiệt độ khói xuống $< 250^\circ\text{C}$ trong vòng dưới 2 giây nhằm ngăn chặn quá trình tái sinh Dioxin/Furan trong dải nhiệt độ nhạy cảm $250^\circ\text{C} - 500^\circ\text{C}$.
  3. Hệ thống tuabin - máy phát: Tổ máy tuabin ngưng hơi xi lanh đơn, 3 cửa trích hơi hồi nhiệt. Hơi mới vào tuabin có áp suất 40 bar ($4,0\text{ MPa}$), nhiệt độ $400^\circ\text{C}$. Nước làm mát bình ngưng tuần hoàn qua tháp giải nhiệt bằng không khí.
  4. Hệ thống xử lý sản phẩm phụ và khí thải:
    • Xỉ đáy lò làm nguội bằng thuyền xỉ, thu gom làm nguyên liệu sản xuất gạch không nung.
    • Tro bay (thu gom từ đuôi lò hơi, tháp phản ứng và lọc bụi túi) được đưa về silo xử lý bằng công nghệ hóa rắn chất ổn định xi măng trước khi đem chôn lấp an toàn.
    • Khí thải đi qua hệ thống khử $NO_x$, tháp phản ứng hấp thụ bán khô (phun vôi bột xử lý $SO_x, HCl, HF$), hệ thống phun than hoạt tính (hấp phụ Dioxin/Furan và kim loại nặng) và thiết bị lọc bụi túi vải.
    • Nước rỉ rác được thu gom từ đáy bể chứa qua lưới thép không gỉ, bơm về trạm xử lý nước thải riêng biệt để xử lý và tuần hoàn tái sử dụng trong nội bộ nhà máy, không xả thải ra môi trường.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan và hệ thống

Chương 1 phân tích bức tranh tổng thể về rác thải tại Việt Nam, đánh giá ưu nhược điểm của các công nghệ xử lý: phân loại tái chế, chôn lấp hợp vệ sinh, ủ phân compost, khí hóa Plasma và công nghệ WTE. Tác giả chỉ ra công nghệ Plasma của Westinghouse Electric (Mỹ) có chi phí đầu tư và vận hành rất cao, nguy cơ rò rỉ kim loại nặng trong xỉ và thành phần khí phức tạp (dự án 1.000 tấn/ngày tại Anh phải dừng hoạt động). Từ đó, đồ án khẳng định công nghệ lò ghi đốt rác phát điện WTE là mô hình tối ưu cho điều kiện Việt Nam.

Chương này trình bày chi tiết sơ đồ mặt bằng công nghệ, cấu tạo bể chứa rác áp suất âm, cấu tạo lò ghi xích, hệ thống cấp gió sơ cấp/thứ cấp, buồng đốt phụ trợ dầu DO, lò hơi tuần hoàn tự nhiên, cấu hình tuabin ngưng hơi và công nghệ hóa rắn tro bay bằng xi măng kết hợp phụ gia hóa học.

Chương 2: Tính toán sơ đồ nhiệt nguyên lý

Chương 2 thực hiện toàn bộ quá trình tính toán nhiệt động lực học của chu trình:

  • Nhiệt trị nhiên liệu: Theo công thức Mendeleev, rác thải có nhiệt trị thấp làm việc $Q_{nl}^t = 16.866,36\text{ kJ/kg}$.
  • Thông số hơi và nước: Điểm hơi mới vào tuabin có áp suất $p_0 = 40\text{ bar}$, nhiệt độ $t_0 = 400^\circ\text{C}$, entanpi $i_0 = 3.214,54\text{ kJ/kg}$. Các cửa trích hơi hồi nhiệt gồm: cửa trích GNCA ($p = 13,97\text{ bar}$, $i = 3.008,33\text{ kJ/kg}$), trích khử khí ($p = 3,62\text{ bar}$), trích GNHA1 ($p = 0,72\text{ bar}$, độ khô $x = 0,92$, $i = 2.641,87\text{ kJ/kg}$) và trích GNHA2 ($i = 2.440,08\text{ kJ/kg}$). Entanpi hơi vào bình ngưng $i_k = 2.330,92\text{ kJ/kg}$, entanpi nước ngưng $i_{BN} = 167,54\text{ kJ/kg}$.
  • Tỷ lệ hơi phụ: Hơi chèn trục $\alpha_{ch} = 0,005$; hơi cấp ejector $\alpha_{ej} = 0,005$; rò rỉ $\alpha_{rr} = 0,009$; xả lò $\alpha_{xa} = 0,01$.
  • Cân bằng nhiệt - vật chất các thiết bị:
    • Bình phân ly xả lò: Thu được tỷ lệ hơi cấp cho khử khí $\alpha_h = 0,003$, tỷ lệ nước xả bỏ $\alpha_{xa}' = 0,007$.
    • Bình gia nhiệt nước bổ sung: Entanpi nước bổ sung vào $i_{btr} = 125,4\text{ kJ/kg}$, ra khỏi bình đạt $i_{bs}^s = 208,493\text{ kJ/kg}$.
    • Bình GNCA: Tỷ lệ nước cấp qua bình $\alpha_{nc} = 1,029$, lượng hơi trích tiêu hao $\alpha_1 = 0,074$.
    • Bơm cấp: Cột áp đầu hút $p_h = 0,249\text{ MPa}$, đầu đẩy $p_d = 5,404\text{ MPa}$, độ chênh áp $\Delta p_{BC} = 5,155\text{ MPa}$, độ gia nhiệt bơm cấp $\tau = 7,267\text{ kJ/kg}$, entanpi nước cấp sau bơm $i_{nc}^{rBC} = 596,301\text{ kJ/kg}$.
    • Bình khử khí: Lượng hơi trích vào khử khí $\alpha_2 = 0,049$, lưu lượng nước ngưng chính $\alpha_{nn} = 0,882$.
    • Bình GNHA1 và GNHA2: Lượng hơi trích tương ứng $\alpha_3 = 0,057$ và $\alpha_4 = 0,062$.
    • Kiểm tra cân bằng bình ngưng: Lưu lượng hơi thoát ngưng tụ $\alpha_k = 0,76$ (sai số 0%). Lưu lượng nước làm mát tương đối tính được qua bình ngưng là $39,26$.
  • Cân bằng công suất và chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật: Tổng hệ số không tận dụng nhiệt giáng $\sum \alpha_i y_i = 0,121414$. Hiệu suất cơ khí $\eta_m = 0,99$, hiệu suất máy phát $\eta_g = 0,99$. Tiêu hao hơi vào lò hơi đạt $19,435\text{ kg/s}$, lưu lượng hơi vào tuabin $D_0 = 18,887\text{ kg/s}$ ($67,995\text{ tấn/h}$).
Chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của tổ máy Ký hiệu Giá trị tính toán Đơn vị
Công suất phát điện đầu ra tổ máy $N_e$ $14.366,03$ $\text{kW}$ ($\sim 14,37\text{ MW}$)
Tiêu hao hơi vào tuabin $D_0$ $18,887$ $\text{kg/s}$ ($67,995\text{ tấn/h}$)
Suất tiêu hao hơi cho tuabin $d_0$ $4,733$ $\text{kg/kWh}$
Tiêu hao nhiệt cho tuabin $Q_{TB}$ $46.668,88$ $\text{kW}$
Suất tiêu hao nhiệt cho tuabin $q_{TB}$ $11.694,81$ $\text{kJ/kWh}$
Tiêu hao nhiệt cho lò hơi ($\eta_{LH} = 0,82$) $Q_{LH}$ $48.022,28$ $\text{kW}$
Suất tiêu hao nhiệt cho lò hơi $q_{LH}$ $12.033,95$ $\text{kJ/kWh}$
Tiêu hao nhiệt toàn bộ tổ máy $Q_c$ $58.563,75$ $\text{kW}$
Suất tiêu hao nhiệt toàn bộ tổ máy $q_c$ $14.675,55$ $\text{kJ/kWh}$
Hiệu suất truyền tải môi chất trong nhà máy $\eta_{tr}$ $97,18$ $%$
Hiệu suất thiết bị tuabin $\eta_{TB}$ $30,78$ $%$
Hiệu suất toàn tổ máy $\eta_c$ $24,53$ $%$
Tiêu hao nhiên liệu rác toàn tổ máy $B$ $12.500$ $\text{kg/h}$ ($300\text{ tấn/ngày}$)
Suất tiêu hao nhiên liệu cho toàn tổ máy $b$ $0,8701$ $\text{kg/kWh}$

Chương 3: Tính toán lựa chọn các thiết bị chính của tổ máy

Chương 3 tính chọn thiết bị gian máy và gian lò hơi dựa trên các thông số nhiệt động lực học:

  • Bơm cấp nước: Lưu lượng tính toán $G_{nc} = 0,0225\text{ m}^3\text{/s}$, lưu lượng thực tế $G_{nc}' = 0,02475\text{ m}^3\text{/s}$, $\Delta p_{bc} = 5,155\text{ MPa}$, hiệu suất $\eta = 0,83$. Công suất động cơ tính toán $169,1\text{ kW}$. Chọn 1 bơm chính $170\text{ kW}$ và 2 bơm phụ dự phòng công suất mỗi bơm $170\text{ kW}$.
  • Bơm ngưng: Lưu lượng thể tích thực tế $G_{bn}' = 0,009087\text{ m}^3\text{/s}$, cột áp toàn phần $\Delta p_{bn} = 1,5995\text{ MPa}$, công suất động cơ tính toán $17,1\text{ kW}$. Chọn 2 bơm ngưng công suất mỗi bơm $17\text{ kW}$.
  • Bơm tuần hoàn làm mát: Bội số tuần hoàn $m = 60$, nhiệt độ nước tuần hoàn $t_n = 28^\circ\text{C}$, lưu lượng thực tế $G_{th}' = 0,91\text{ m}^3\text{/s}$, công suất tính toán $384,3\text{ kW}$. Chọn bơm tuần hoàn công suất $400\text{ kW}$.
  • Bình ngưng: Nhiệt độ nước làm mát vào $t_1 = 28^\circ\text{C}$, nhiệt độ nước ra $t_2 = 32^\circ\text{C}$ ($\Delta t = 4^\circ\text{C}$), độ chênh nhiệt logarit $\Delta t_{tb} = 4,72^\circ\text{C}$, hệ số truyền nhiệt $k = 4,0695\text{ kW/m}^2\cdot\text{K}$. Diện tích trao đổi nhiệt tính toán bổ sung 5% dự phòng là $F = 1.748\text{ m}^2$.
  • Bình khử khí: Áp suất làm việc $p_{kk} = 3,62\text{ bar}$, nhiệt độ sôi $t_{bh} = 140^\circ\text{C}$, $\Delta t_{tb} = 9,56^\circ\text{C}$, hệ số truyền nhiệt $k = 12\text{ kW/m}^2\cdot\text{K}$. Dung tích khoang chứa nước $V = 6,1\text{ m}^3$ (đáp ứng thời gian dự trữ $> 5\text{ phút}$ khi lò hơi hoạt động ở phụ tải cực đại).
  • Các bình gia nhiệt hồi nhiệt:
    • Bình gia nhiệt cao áp (BGNCA): $t_1 = 140^\circ\text{C}$, $t_2 = 175^\circ\text{C}$, $t_{bh} = 190^\circ\text{C}$, $\Delta t_{tb} = 28,28^\circ\text{C}$, $k = 4,952\text{ kW/m}^2\cdot\text{K}$, diện tích truyền nhiệt $F = 21,43\text{ m}^2$.
    • Bình gia nhiệt hạ áp 1 (BGNHA1): $t_1 = 75^\circ\text{C}$, $t_2 = 105^\circ\text{C}$, $t_{bh} = 120^\circ\text{C}$, $\Delta t_{tb} = 29,07^\circ\text{C}$, $k = 4,63\text{ kW/m}^2\cdot\text{K}$, diện tích truyền nhiệt $F = 16,28\text{ m}^2$.
    • Bình gia nhiệt hạ áp 2 (BGNHA2): $t_1 = 40^\circ\text{C}$, $t_2 = 75^\circ\text{C}$, $t_{bh} = 90^\circ\text{C}$, $\Delta t_{tb} = 27,31^\circ\text{C}$, $k = 4,47\text{ kW/m}^2\cdot\text{K}$, diện tích truyền nhiệt $F = 19,97\text{ m}^2$.
  • Thiết bị gian lò hơi: Lựa chọn chủng loại quạt gió cấp không khí sơ cấp/thứ cấp và quạt hút khói đảm bảo lưu lượng, cột áp vượt trở lực đường ống và các thiết bị xử lý đuôi lò.
Thiết bị chính Thông số kỹ thuật lựa chọn Đơn vị
Bơm cấp nước 01 bơm chính + 02 bơm dự phòng; công suất mỗi bơm: $170$ $\text{kW}$
Bơm nước ngưng 02 bơm; công suất mỗi bơm: $17$ $\text{kW}$
Bơm tuần hoàn 01 bơm; công suất: $400$ $\text{kW}$
Bình ngưng hơi Diện tích bề mặt truyền nhiệt ($F$): $1.748$ $\text{m}^2$
Bình khử khí Dung tích khoang chứa ($V$): $6,1$; Áp suất làm việc: $3,62$ $\text{m}^3$ / $\text{bar}$
Bình GNCA Diện tích bề mặt truyền nhiệt ($F$): $21,43$ $\text{m}^2$
Bình GNHA1 Diện tích bề mặt truyền nhiệt ($F$): $16,28$ $\text{m}^2$
Bình GNHA2 Diện tích bề mặt truyền nhiệt ($F$): $19,97$ $\text{m}^2$

Phần chuyên đề: Quy trình xử lý khói thải, nước thải và tính chọn công nghệ xử lý SOx

Phần chuyên đề tập trung vào các giải pháp kiểm soát ô nhiễm môi trường:

  • Xử lý $NO_x$: Tích hợp hệ thống khử $NO_x$ phù hợp ngay tại vùng cháy nhiệt độ cao trong buồng lửa.
  • Tính chọn công nghệ khử $SO_x$: Phân tích phương pháp khô, bán khô và ướt. Đồ án lựa chọn tháp phản ứng hấp thụ bán khô (Semi-dry absorption) sử dụng sữa vôi hoặc vôi bột kết hợp nước phun sương mịn. Phương pháp bán khô có ưu điểm hiệu quả xử lý axit cao, không tạo ra nước thải thứ cấp như phương pháp ướt, nhiệt độ khói sau tháp vẫn duy trì đủ cao để tránh đọng sương axit ăn mòn ống khói và túi lọc.
  • Xử lý Dioxin/Furan và kim loại nặng: Bố trí hệ thống định lượng và phun than hoạt tính dạng bột vào đường dẫn khói trước bộ lọc túi nhằm hấp phụ các hợp chất hữu cơ vòng clo và thủy ngân, chì, cadimi.
  • Lọc bụi: Sử dụng thiết bị lọc bụi túi vải chuyên dụng chịu nhiệt và chống ăn mòn để giữ lại tro bay mịn, than hoạt tính và muối phản ứng.
  • Xử lý tro xỉ và tro bay: Tro xỉ đáy lò không nguy hại được phân loại làm gạch không nung. Tro bay nguy hại được ổn định hóa và đóng rắn bằng xi măng.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán chính

  1. Khả năng sinh năng lượng: Với công suất tiếp nhận 300 tấn rác công nghiệp/ngày ($12.500\text{ kg/h}$), nhiệt trị thấp làm việc $16.866,36\text{ kJ/kg}$, tổ máy sản xuất ra lưu lượng hơi quá nhiệt $67,995\text{ tấn/h}$ ($18,887\text{ kg/s}$) ở thông số $40\text{ bar}$ và $400^\circ\text{C}$.
  2. Hiệu quả phát điện: Công suất điện phát ra tại đầu cực máy phát đạt $14.366,03\text{ kW}$ ($\sim 14,37\text{ MW}$).
  3. Các chỉ tiêu kinh tế nhiệt: Suất tiêu hao nhiên liệu đạt $0,8701\text{ kg rác/kWh}$; suất tiêu hao hơi tuabin đạt $4,733\text{ kg/kWh}$; hiệu suất chu trình tuabin đạt $30,78%$; hiệu suất nhiệt chung toàn tổ máy đạt $24,53%$.
  4. Bộ thông số thiết bị hoàn chỉnh: Xác định diện tích truyền nhiệt bình ngưng ($1.748\text{ m}^2$), bình khử khí ($6,1\text{ m}^3$), hệ thống bình gia nhiệt cao/hạ áp ($21,43\text{ m}^2$, $16,28\text{ m}^2$, $19,97\text{ m}^2$) và công suất các cụm bơm động lực chính.

Đóng góp kỹ thuật của đồ án

  • Xây dựng hoàn chỉnh chu trình tính toán nhiệt nguyên lý cho nhà máy nhiệt điện sử dụng rác thải công nghiệp công suất 300 tấn/ngày tại Việt Nam.
  • Đề xuất chuỗi công nghệ bảo vệ môi trường khép kín: thu gom mùi hôi bể chứa rác làm gió cấp lò đốt, tuần hoàn 100% nước rỉ rác, kiểm soát nhiệt độ khói $> 950^\circ\text{C}$ trong buồng lửa và hạ nhanh $< 250^\circ\text{C}$ tại đuôi lò để triệt tiêu Dioxin/Furan, kết hợp tháp bán khô, than hoạt tính, lọc bụi túi và hóa rắn xi măng tro bay.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Đồ án dừng lại ở mức độ tính toán thiết kế sơ bộ (xác định cân bằng nhiệt - vật chất, thông số chu trình và lựa chọn công suất/diện tích thiết bị), chưa đi sâu vào tính toán kết cấu cơ khí chi tiết của thân lò, đường ống áp lực và thiết kế chi tiết cánh tuabin.
    • Các hệ số tổn thất nhiệt, hệ số truyền nhiệt $k$ và lưu lượng xả rò rỉ dựa trên các giả thiết kinh nghiệm nhiệt điện truyền thống.
    • Biến động thành phần rác thải theo mùa và độ ẩm thực tế chưa được khảo sát bằng mô hình mô phỏng động lực học lưu chất (CFD).
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mô phỏng chi tiết quá trình cháy trên ghi lò và trường nhiệt độ buồng lửa bằng phần mềm CFD để tối ưu hóa vị trí vòi phun gió thứ cấp và vòi phun hóa chất khử $NO_x$.
    • Tính toán kinh tế - tài chính chi tiết (CAPEX, OPEX, biểu giá FIT điện rác và chi phí xử lý chôn lấp tro bay hóa rắn).
    • Nghiên cứu phương án tối ưu hóa điều khiển tự động hóa phân tán (DCS) cho quá trình cấp liệu rác không đồng nhất.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật cho:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Năng lượng, Năng lượng tái tạo: Tham khảo phương pháp tính toán cân bằng nhiệt - vật chất chu trình Rankine hồi nhiệt, các bước xác định hệ số không tận dụng nhiệt giáng ($y_i$), và phương pháp tính chọn thiết bị phụ gian máy (bình ngưng, bình khử khí, bình gia nhiệt, bơm).
  • Kỹ sư thiết kế, tư vấn dự án nhà máy điện rác: Tham khảo sơ đồ công nghệ tổng thể, các thông số nhiệt động của lò ghi xích đốt rác công nghiệp, giải pháp bố trí điểm đo nhiệt độ buồng lửa ($3 \times 3$), cấu hình tháp hấp thụ bán khô xử lý $SO_x$ và quy trình hóa rắn tro bay đáp ứng QCVN 30:2012/BTNMT và QCVN 61-MT:2016/BTNMT.

Câu hỏi thường gặp

1. Nhiệt trị thấp của nhiên liệu rác trong đồ án được tính toán như thế nào và đạt giá trị bao nhiêu?

Nhiệt trị thấp làm việc của rác thải được xác định theo công thức Mendeleev dựa trên thành phần nguyên tố làm việc ($C = 46,2%$, $H = 2,5%$, $O = 8,4%$, $S = 0,5%$, $Cl = 0,6%$, $N = 2,7%$, $A = 18,5%$, $W = 20,6%$). Giá trị nhiệt trị thấp tính toán đạt $Q_{nl}^t = 16.866,36\text{ kJ/kg}$, cao hơn nhiều so với ngưỡng tối thiểu yêu cầu cho công nghệ WTE ($4.187\text{ kJ/kg}$).

2. Thông số hơi mới và công suất phát điện của tổ máy đạt bao nhiêu?

Hơi quá nhiệt cấp vào tuabin có áp suất $p_0 = 40\text{ bar}$ ($4,0\text{ MPa}$), nhiệt độ $t_0 = 400^\circ\text{C}$, lưu lượng hơi $D_0 = 18,887\text{ kg/s}$ ($67,995\text{ tấn/h}$). Công suất phát điện tại đầu cực máy phát đạt $N_e = 14.366,03\text{ kW}$ (tương đương khoảng $14,37\text{ MW}$).

3. Đồ án đưa ra những giải pháp kỹ thuật nào để ngăn ngừa sự hình thành và phát tán Dioxin/Furan?

Tác giả áp dụng đồng thời ba giải pháp:

  • Duy trì nhiệt độ khói trong buồng lửa trên $950^\circ\text{C}$ với thời gian lưu cháy lớn hơn 2 giây để phân hủy hoàn toàn các hợp chất hữu cơ thơm và Dioxin ban đầu.
  • Thiết kế diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của lò hơi đủ lớn để làm nguội nhanh dòng khói từ $500^\circ\text{C}$ xuống dưới $250^\circ\text{C}$ trong thời gian dưới 2 giây, tránh dải nhiệt độ $250^\circ\text{C} - 500^\circ\text{C}$ là vùng tối ưu cho phản ứng tái tổng hợp (de-novo synthesis) Dioxin/Furan.
  • Phun than hoạt tính dạng bột vào đường khói đuôi lò trước thiết bị lọc bụi túi vải để hấp phụ triệt để lượng Dioxin/Furan còn sót lại.

4. Tro xỉ đáy lò và tro bay được phân loại và xử lý như thế nào?

  • Tro xỉ đáy lò (không nguy hại) được làm nguội qua thuyền xỉ, vận chuyển làm cốt liệu sản xuất gạch không nung.
  • Tro bay thu hồi từ phễu tháp phản ứng và thiết bị lọc bụi túi (chứa kim loại nặng và muối axit) được vận chuyển bằng khí nén về silo chuyên dụng trong gian hóa rắn, sau đó phối trộn với xi măng và chất ổn định hóa học để đóng rắn trước khi mang đi chôn lấp hợp vệ sinh.

5. Dung tích bình khử khí và diện tích bề mặt bình ngưng được lựa chọn là bao nhiêu?

  • Bình khử khí có áp suất làm việc $3,62\text{ bar}$, nhiệt độ sôi $140^\circ\text{C}$, dung tích khoang chứa nước $V = 6,1\text{ m}^3$, đảm bảo khả năng cấp nước liên tục trên 5 phút khi lò hơi vận hành ở phụ tải cực đại.
  • Bình ngưng có hệ số truyền nhiệt $k = 4,0695\text{ kW/m}^2\cdot\text{K}$, độ chênh nhiệt độ logarit $\Delta t_{tb} = 4,72^\circ\text{C}$, tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt ngoài ống (bao gồm 5% dự phòng) là $F = 1.748\text{ m}^2$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Trần Lê Minh Lưu đã hoàn thành đầy đủ các nội dung tính toán thiết kế sơ bộ cho nhà máy điện rác sử dụng chất thải công nghiệp công suất 300 tấn/ngày tại Việt Nam. Nghiên cứu đã xác lập sơ đồ nhiệt nguyên lý chu trình Rankine có hồi nhiệt với thông số hơi quá nhiệt $40\text{ bar}$ / $400^\circ\text{C}$, xác định công suất phát điện $14,37\text{ MW}$ cùng các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật và quy mô thiết bị gian máy cụ thể. Đồng thời, đồ án đề xuất giải pháp công nghệ toàn diện cho việc thu gom nước rỉ rác, khử mùi hôi bể rác, hóa rắn tro bay và xử lý khí thải đáp ứng các quy chuẩn môi trường QCVN 30:2012/BTNMT và QCVN 61-MT:2016/BTNMT.