Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Xử lý chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) và chất thải rắn công nghiệp (CTRCN) là một trong những vấn đề môi trường cấp bách tại các khu vực đô thị và khu công nghiệp ở Việt Nam. Lượng CTR sinh hoạt đô thị phát sinh ước tính khoảng 38.000 tấn/ngày với tốc độ gia tăng trung bình 12%/năm; lượng chất thải rắn y tế phát sinh khoảng 600 tấn/ngày (tăng 7,6%/năm). Trong đó, chất thải hữu cơ chiếm 54 - 77%, chất thải có thể tái chế chiếm 8 - 18%, và chất thải nguy hại lẫn trong chất thải sinh hoạt chiếm từ 0,02 - 0,82%. Các phương pháp xử lý truyền thống như chôn lấp hợp vệ sinh chiếm khoảng 34% lượng rác thu gom, tái chế chiếm 42%, và phần bã thải còn lại phải chôn lấp chiếm 24%. Tuy nhiên, việc chôn lấp bộc lộ nhiều hạn chế lớn: tiêu tốn diện tích đất (khoảng cách vận chuyển từ đô thị đến bãi rác trung bình trên 60 km), nguy cơ quá tải bãi rác, gây ô nhiễm đất, nguồn nước ngầm và không khí. Các phương pháp khác như sản xuất phân compost gặp khó khăn do công nghệ khó kiểm soát mùi hôi, chất lượng sản phẩm kém, khó thương mại hóa; công nghệ khí hóa Plasma đòi hỏi chi phí đầu tư và vận hành rất cao, khí thải và tro xỉ tan chảy phức tạp, chưa phù hợp ứng dụng đại trà cho rác thải sinh hoạt thông thường.

Công nghệ đốt rác phát điện (Waste-to-Energy - WTE) là giải pháp xử lý triệt để, giúp giảm đến 90% thể tích chất thải, tiết kiệm quỹ đất chôn lấp và tận thu nhiệt năng để sản xuất điện. Để áp dụng công nghệ WTE hiệu quả về mặt kinh tế, rác thải cần có nhiệt trị thấp tối thiểu trên 4.187 kJ/kg (mức tối thiểu để tự cháy là 3.347 kJ/kg) và quy mô công suất nhà máy thường phải từ 200 tấn/ngày trở lên. Tại Việt Nam, một số dự án đã và đang triển khai như nhà máy 7,5 MW tại Cần Thơ (xử lý 400 tấn rác/ngày), dự án nhà máy điện rác 75 MW tại Hà Nội (xử lý 4.000 tấn rác/ngày); trong khi dự án tại Sóc Sơn công suất 75 tấn/ngày (1,92 MW) từng phải dừng hoạt động do chi phí vận hành cao. Do đó, việc nghiên cứu thiết kế kỹ thuật chu trình nhiệt động và công nghệ xử lý môi trường cho nhà máy điện rác là nhiệm vụ cần thiết.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được phân chia thành hai phần chính:

  1. Phần chung:
    • Tổng quan hiện trạng quản lý và công nghệ xử lý CTR tại Việt Nam và trên thế giới.
    • Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng và xác định khả năng phát điện với công suất nhiên liệu rác đầu vào 300 tấn/ngày đêm.
    • Lựa chọn sơ đồ nguyên lý tổ máy, xây dựng chu trình nhiệt động trên đồ thị $i-s$, tính toán sơ đồ nhiệt nguyên lý và xác định các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của tổ máy.
    • Tính toán và lựa chọn các thiết bị chính trong gian máy (bơm cấp, bơm ngưng, bơm tuần hoàn, bình ngưng, bình khử khí, các bình gia nhiệt) và thiết bị gian lò hơi (lò hơi, quạt gió, quạt khói, ống khói).
  2. Phần chuyên đề:
    • Nghiên cứu quy trình tổng thể xử lý khói thải và nước thải của nhà máy đốt rác phát điện (khử $\text{NO}_x$, khử khí axit, khử kim loại nặng và dioxin/furan, lọc bụi túi, xử lý tro xỉ và khử mùi tập trung).
    • Lựa chọn công nghệ và tính toán quá trình xử lý khí $\text{SO}_x$, xác định lượng tiêu hao hóa chất nhằm đáp ứng các quy chuẩn phát thải môi trường hiện hành.

Đối tượng nghiên cứu là nhà máy điện rác sử dụng nhiên liệu chất thải rắn công nghiệp thông thường với công suất xử lý định mức 300 tấn/ngày (tương đương lưu lượng tiêu hao nhiên liệu $B = 12.500\text{ kg/h} \approx 3,972\text{ kg/s}$). Thành phần làm việc của nhiên liệu rác đầu vào gồm: Carbon ($\text{C}$) = 46,2%, Hydro ($\text{H}$) = 2,5%, Oxy ($\text{O}$) = 8,4%, Lưu huỳnh ($\text{S}$) = 0,5%, Clo ($\text{Cl}$) = 0,6%, Nitơ ($\text{N}$) = 2,7%, Tro ($\text{A}$) = 18,5%, Độ ẩm ($\text{W}$) = 20,6%; nhiệt trị thấp làm việc của nhiên liệu đạt $16.866,36\text{ kJ/kg}$. Phạm vi thiết kế bao gồm chu trình nhiệt tuabin hơi ngưng hơi có trích hơi gia nhiệt hồi nhiệt và hệ thống xử lý khí thải phần đuôi lò.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án áp dụng các nguyên lý nhiệt động lực học nhiệt điện truyền thống (chu trình Rankine quá nhiệt có trích hơi hồi nhiệt), cơ học chất lưu và truyền nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt, kết hợp các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia và quốc tế về phát thải môi trường:

  • Khung tiêu chuẩn môi trường áp dụng: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải lò đốt chất thải rắn công nghiệp QCVN 30:2012/BTNMT; Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về lò đốt chất thải rắn sinh hoạt QCVN 61-MT:2016/BTNMT; Tiêu chuẩn Châu Âu Directive 2010/75/EU về phát thải công nghiệp (giá trị trung bình 30 phút); Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về ngưỡng chất thải nguy hại QCVN 07:2009/BTNMT.
  • Phương pháp tính toán cân bằng nhiệt và cân bằng vật chất: Lập phương trình cân bằng năng lượng và khối lượng tại từng nút thiết bị trong sơ đồ nhiệt nguyên lý (bình phân ly, bình gia nhiệt nước bổ sung, bình gia nhiệt cao áp - BGNCA, bình khử khí, bình gia nhiệt hạ áp - BGNHA1 và BGNHA2, bình ngưng). Xây dựng quá trình giãn nở của dòng hơi nước trong tuabin trên đồ thị $i-s$ để xác định entanpi tại các cửa trích hơi và cửa thoát hơi vào bình ngưng.
  • Phương pháp tính chọn thiết bị cơ nhiệt: Sử dụng các phương trình thủy lực và khí động học để tính toán cột áp, lưu lượng và công suất động cơ dẫn động cho bơm cấp, bơm ngưng, bơm tuần hoàn làm mát, quạt gió cấp 1 và quạt hút khói thải; tính toán bề mặt trao đổi nhiệt dựa trên độ chênh nhiệt độ trung bình logarit ($\Delta t_{tb}$) và hệ số truyền nhiệt thực nghiệm ($k$).
  • Phương pháp tính toán quá trình cháy và xử lý khí thải: Tính toán lượng không khí lý thuyết ($L_0$), thể tích sản phẩm cháy lý thuyết ($V_r^0$) và thực tế ($\sum V_y$), xác định nồng độ các chất ô nhiễm ($\text{SO}_x, \text{NO}_x, \text{HCl}, \text{HF}$, bụi, Dioxin/Furan) và lượng hóa chất hấp thụ phản ứng ($\text{Ca(OH)}_2$, vôi bột, urê, than hoạt tính).
  • Nguồn dữ liệu: Số liệu thành phần nhiên liệu rác công nghiệp được giao theo đề tài; các công thức, biểu đồ tra cứu nhiệt động và truyền nhiệt trích từ tài liệu chuyên ngành Thiết kế nhà máy nhiệt điện; các hệ số lọt khí và trở lực theo tiêu chuẩn kỹ thuật lò hơi công nghiệp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan và hệ thống

Chương này phân tích tổng quan thực trạng chất thải rắn và công nghệ xử lý tại Việt Nam, bao gồm phân loại rác tại nguồn, chôn lấp hợp vệ sinh, sản xuất phân compost, khí hóa Plasma và công nghệ WTE. Tác giả chỉ ra xu thế toàn cầu của thị trường WTE với tốc độ tăng trưởng dự báo 6,45% giai đoạn 2020 - 2025, thống trị bởi các công nghệ nhiệt tại khu vực Châu Á - Thái Bình Dương. Đồ án xác lập mô hình hệ thống nhà máy điện rác công suất 300 tấn/ngày bao gồm các phân hệ: tiếp nhận, lưu trữ và nạp liệu rác; buồng đốt rác; lò hơi tận dụng nhiệt thải sinh hơi quá nhiệt; tổ máy tuabin - máy phát; hệ thống làm mát ngưng tụ; hệ thống xử lý khói thải đa cấp; hệ thống thải xỉ đáy lò và ổn định hóa rắn tro bay.

Chương 2. Tính toán sơ đồ nhiệt nguyên lý

Nội dung chương tập trung xây dựng sơ đồ nhiệt nguyên lý cho tổ máy tuabin hơi ngưng hơi có 3 cửa trích hơi cấp nhiệt cho các bình gia nhiệt hồi nhiệt: trích 1 vào BGNCA, trích 2 vào bình khử khí và BGNHA1, trích 3 vào BGNHA2. Tác giả tiến hành tính toán cân bằng nhiệt và vật chất qua từng phần tử:

  • Xác định tỷ lệ phân bố lưu lượng hơi: lượng hơi trích vào BGNHA1 ($\alpha_3 = 0,057$), lượng hơi trích vào BGNHA2 ($\alpha_4 = 0,062$), lượng hơi thoát vào bình ngưng ($\alpha_k = 0,76$).
  • Kiểm tra cân bằng bình ngưng: cân bằng đường hơi ($\alpha_k^1 = 1 - \alpha_1 - \alpha_2 - \alpha_3 - \alpha_4 = 0,76$) và đường nước ($\alpha_k^2 = \alpha_{nn} - 0,4\alpha_{ej} - \alpha_4 = 0,76$), sai số đạt 0%.
  • Xác định công suất phát điện đầu ra tổ máy đạt $N_e = 14.366,03\text{ kW}$ (hiệu suất cơ khí $\eta_m = 0,99$, hiệu suất máy phát $\eta_g = 0,99$).
  • Xác định 13 chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của toàn bộ tổ máy.
Đại lượng kinh tế - kỹ thuật Ký hiệu / Công thức Giá trị tính toán Đơn vị
Tiêu hao hơi vào tuabin $D_0$ 18,8875 (tương đương 67,995) kg/s (tấn/h)
Suất tiêu hao hơi cho tuabin $d_0 = D_0 / N_e$ 4,733 kg/kWh
Tiêu hao nhiệt cho tuabin $Q_{TB} = D_0(i_0 - i_{nc})$ 46.668,88 kW
Suất tiêu hao nhiệt cho tuabin $q_{TB} = Q_{TB} / N_e$ 11.694,81 kJ/kWh
Tiêu hao nhiệt cho lò hơi $Q_{LH} = D_0 \alpha_{nc}(i_{qn} - i_{nc})$ 48.022,28 kW
Suất tiêu hao nhiệt cho lò hơi $q_{LH} = Q_{LH} / N_e$ 12.033,95 kJ/kWh
Tiêu hao nhiệt toàn tổ máy ($\eta_{LH} = 0,82$) $Q_c = Q_{LH} / \eta_{LH}$ 58.563,75 kW
Suất tiêu hao nhiệt toàn tổ máy $q_c = Q_c / N_e$ 14.675,55 kJ/kWh
Hiệu suất truyền tải môi chất $\eta_{tr} = Q_{TB} / Q_{LH}$ 0,9718 (97,18%) -
Hiệu suất của thiết bị tuabin $\eta_{TB} = N_e / Q_{TB}$ 0,3078 (30,78%) -
Hiệu suất của toàn bộ tổ máy $\eta_c = N_e / Q_c$ 0,2453 (24,53%) -
Tiêu hao nhiên liệu toàn tổ máy $B$ 12.500 (3,972) kg/h (kg/s)
Suất tiêu hao nhiên liệu toàn tổ máy $b = B / N_e$ 0,8701 kg/kWh

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

Chương 3 trình bày các bước tính toán thủy lực, truyền nhiệt và khí động học để lựa chọn danh mục thiết bị chính:

  • Thiết bị gian máy:
    • Bơm cấp nước lò hơi: Lưu lượng tính toán $G_{nc}' = 0,0247\text{ m}^3/\text{s}$, độ chênh áp $\Delta p_{bc} = 5.155.328,9\text{ Pa}$, công suất động cơ yêu cầu $169,1\text{ kW}$ $\rightarrow$ chọn 1 bơm chính $170\text{ kW}$ và 2 bơm phụ dự phòng (mỗi bơm $170\text{ kW}$).
    • Bơm ngưng: Lưu lượng $G_{bn}' = 0,0091\text{ m}^3/\text{s}$, chênh lệch cột áp toàn phần $\Delta p_{bn} = 1.599.516,3\text{ Pa}$, công suất động cơ tính toán $17,1\text{ kW}$ $\rightarrow$ chọn 2 bơm ngưng công suất $17\text{ kW}$/bơm.
    • Bơm tuần hoàn làm mát: Bội số tuần hoàn $m = 60$, lưu lượng nước làm mát thực tế $G_{th}' = 0,91\text{ m}^3/\text{s}$, công suất tính toán $384,3\text{ kW}$ $\rightarrow$ chọn bơm có công suất động cơ $400\text{ kW}$.
    • Bình ngưng: Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu bề mặt, lưu lượng hơi thoát $D_k = 14,35\text{ kg/s}$, nhiệt độ nước làm mát vào $t_1 = 28^\circ\text{C}$, nhiệt độ nước ra $t_2 = 32^\circ\text{C}$, độ chênh nhiệt độ $\Delta t_{tb} = 4,72^\circ\text{C}$, hệ số truyền nhiệt $k = 4,0695\text{ kW/m}^2\text{K}$, tính toán dự trữ 5% bề mặt truyền nhiệt đạt $F = 1.748\text{ m}^2$.
    • Bình khử khí: Lưu lượng nước cấp ra $D_{nc} = 19,44\text{ kg/s}$ ($73,255\text{ m}^3/\text{h}$), dung tích bể chứa dự trữ trên 5 phút làm việc cực đại đạt $V = 6,1\text{ m}^3$, nhiệt độ nước sôi bão hòa $140^\circ\text{C}$, $\Delta t_{tb} = 9,56^\circ\text{C}$, $k = 12\text{ kW/m}^2\text{K}$.
    • Các bình gia nhiệt hồi nhiệt: BGNCA ($F = 21,43\text{ m}^2$), BGNHA1 ($F = 16,28\text{ m}^2$), BGNHA2 ($F = 19,97\text{ m}^2$).
  • Thiết bị gian lò hơi:
    • Lò hơi tận dụng nhiệt: Sản xuất hơi quá nhiệt có thông số áp suất bao hơi $p_0 = 40\text{ bar}$, nhiệt độ $t_0 = 400^\circ\text{C}$, năng suất hơi cực đại có dự trữ 8% đạt $D_{qn}^{max} = 20,79\text{ kg/s} = 74,8\text{ tấn/h}$ $\rightarrow$ chọn lò hơi công suất định mức $75\text{ tấn/h}$, hiệu suất $82%$.
    • Quạt gió cấp buồng lửa: Lượng không khí lý thuyết $L_0 = 4,51\text{ m}^3\text{tc/kg}$, hệ số không khí thừa buồng lửa $\alpha_{bl} = 2$, năng suất quạt gió (dự trữ 5%) $V = 35,58\text{ m}^3/\text{s}$, sức ép toàn phần (dự trữ 15%) $H = 156,59\text{ mmH}_2\text{O}$ $\rightarrow$ chọn 2 quạt gió công suất $70\text{ kW}$/quạt.
    • Quạt hút khói: Thể tích sản phẩm cháy lý thuyết $V_r^0 = 5,0585\text{ m}^3\text{tc/kg}$, hệ số không khí thừa đường khói $\alpha_y = 2,23$, nhiệt độ khói sau lọc túi $t_{kh} = 131^\circ\text{C}$, năng suất quạt khói (dự trữ 10%) $V_{kh} = 65,036\text{ m}^3/\text{s}$ ($234.129,6\text{ m}^3/\text{h}$), sức ép quạt khói (dự trữ 20%) $H' = 403,31\text{ mmH}_2\text{O} = 3.955,26\text{ N/m}^2$ $\rightarrow$ chọn quạt hút khói công suất động cơ $400\text{ kW}$.
    • Ống khói: Chiều cao xây dựng $H = 80\text{ m}$, đường kính đỉnh ống khói (chỗ khói ra) $d_2 = 4,6\text{ m}$, đường kính chân ống khói (chỗ khói vào) $d_1 = 6,2\text{ m}$, đường kính trung bình $d_{tb} = 5,27\text{ m}$, tổng trở lực ma sát ống khói $h_{trl} = 12,014\text{ N/m}^2$.

Chương 4. Tìm hiểu quy trình xử lý khói và nước thải

Chương 4 phân tích cấu hình công nghệ của hệ thống xử lý khí thải và chất thải rắn thứ cấp:

  • Khử $\text{NO}_x$ bằng phương pháp SNCR: Dung dịch urê 5% được phun vào vùng bức xạ nhiệt độ $850 - 1.000^\circ\text{C}$ trong buồng đốt thứ cấp để khử $\text{NO}$ thành $\text{N}_2$ theo phản ứng: $$2\text{CO(NH}_2)_2 + 4\text{NO} + \text{O}_2 \rightarrow 4\text{N}_2 + 2\text{CO}_2 + 4\text{H}_2\text{O}$$ Hiệu suất khử $\text{NO}_x$ đạt từ 30% đến 50%.
  • Tháp phản ứng hấp thụ bán khô kết hợp khô: Khói thải ra khỏi lò hơi ở nhiệt độ khoảng $200^\circ\text{C}$ đi vào tháp rửa khói, tiếp xúc với sữa vôi $\text{Ca(OH)}_2$ phun sương bằng đĩa quay tốc độ cao ($160\text{ m/s}$, kích thước giọt vài chục micron). Giai đoạn ướt kéo dài 15 - 30 giây (chiếm 80% thể tích tháp), sau đó tiếp tục phản ứng khô để trung hòa $\text{SO}_2, \text{SO}_3, \text{HCl}, \text{HF}$.
  • Kiểm soát và xử lý Dioxin/Furan: Áp dụng nguyên tắc "Tránh - Giảm thiểu - Loại bỏ":
    • Tránh: Duy trì điều kiện cháy 3T (Nhiệt độ $T \ge 1.000^\circ\text{C}$, Thời gian lưu $t \ge 2\text{ s}$, Độ rối trộn khí cao Turbulence), nồng độ $\text{O}_2$ từ 5 - 10%, nồng độ $\text{CO} < 30\text{ ppm}$ (trung bình 4 giờ).
    • Giảm thiểu: Hạ nhanh nhiệt độ khói từ $550^\circ\text{C}$ xuống $200^\circ\text{C}$ trong thời gian dưới 2 giây tại bộ hâm nước lò hơi nhằm ngăn ngừa tái tổng hợp de novo.
    • Loại bỏ: Phun bột than hoạt tính qua ống venturi vào đường khói sau tháp bán khô để hấp phụ hơi thủy ngân ($\text{Hg}$) và Dioxin/Furan, sau đó thu hồi tại lọc bụi túi. Silo chứa than hoạt tính thiết kế đủ dung tích vận hành 4 - 5 ngày.
  • Thiết bị lọc bụi túi: Sử dụng vật liệu màng lọc sợi thủy tinh phủ PTFE chịu nhiệt, chống mài mòn và kháng oxy hóa, hiệu suất lọc bụi đạt trên 99,9%.
  • Quản lý tro xỉ và mùi hôi: Xỉ đáy lò làm nguội bằng nước (độ ẩm $\approx 35%$), phối trộn với phụ gia ($\text{Na}_2\text{SiO}_3, \text{Na}_2\text{CO}_3$, oxit sắt, chất siêu thấm SAP) theo tỷ lệ 80 - 90% tro xỉ và 10 - 20% hóa chất để ép thủy lực tạo gạch không nung. Tro bay từ lọc túi được trộn xi măng và nước hóa rắn (độ ẩm 30%) để cố định kim loại nặng theo QCVN 07:2009/BTNMT. Khí hôi thối ($\text{H}_2\text{S}, \text{NH}_3$, methanthiol) từ hầm chứa rác được hút bằng quạt và xử lý bằng than hoạt tính khi lò dừng bảo trì.

Chương 5. Tính chọn công nghệ xử lý $\text{SO}_x$

Chương 5 phân tích nguồn gốc phát thải lưu huỳnh trong nhiên liệu rác, so sánh các công nghệ xử lý ướt, bán khô và khô. Tác giả lựa chọn công nghệ bán khô kết hợp khô, tính toán thành phần sản phẩm cháy dựa trên hàm lượng lưu huỳnh $S^{lv} = 0,5%$, xác định lượng chất hấp thụ vôi tôi $\text{Ca(OH)}_2$ và vôi bột tiêu hao để đảm bảo nồng độ $\text{SO}_2$ tại ống khói đạt các ngưỡng quy định trong QCVN 61-MT:2016/BTNMT và Directive 2010/75/EU.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Nhà máy được thiết kế thành một dây chuyền công nghệ khép kín liên tục gồm khối phát sinh năng lượng và khối làm sạch môi trường:

Rác công nghiệp (300 tấn/ngày) 
  --> Bể chứa & Hệ thống cấp liệu 
  --> Buồng đốt rác (khử NOx bằng SNCR với Urê 5%, T >= 1000°C)
  --> Lò hơi thu hồi nhiệt (40 bar, 400°C, 75 tấn/h, hạ nhiệt < 2s)
  --> Tuabin hơi (67,995 tấn/h) --> Máy phát điện (14,37 MW)
  --> Khói đuôi lò (~200°C) --> Tháp phản ứng bán khô Ca(OH)2 
  --> Phun than hoạt tính (khử Dioxin/Hg) --> Lọc bụi túi PTFE (>99,9%)
  --> Quạt hút khói (400 kW) --> Ống khói (H = 80 m) --> Môi trường

Bảng tổng hợp thông số thiết kế các thiết bị chính được lựa chọn trong đồ án:

Hạng mục thiết bị Thông số kỹ thuật thiết kế Số lượng / Quy cách
Lò hơi tận dụng nhiệt Áp suất hơi quá nhiệt $40\text{ bar}$, nhiệt độ $400^\circ\text{C}$, năng suất hơi định mức $75\text{ tấn/h}$, hiệu suất $82%$ 01 lò
Tổ máy Tuabin - Máy phát Lưu lượng hơi vào $D_0 = 18,89\text{ kg/s}$ ($67,995\text{ tấn/h}$), công suất phát điện $N_e = 14.366\text{ kW}$ 01 tổ máy
Bơm cấp nước lò hơi Lưu lượng $0,0247\text{ m}^3/\text{s}$, cột áp $\Delta p = 5,155\text{ MPa}$, công suất động cơ $170\text{ kW}$ 01 chính + 02 dự phòng
Bơm nước ngưng Lưu lượng $0,0091\text{ m}^3/\text{s}$, cột áp $\Delta p = 1,60\text{ MPa}$, công suất động cơ $17\text{ kW}$ 02 bơm
Bơm nước tuần hoàn Lưu lượng $0,91\text{ m}^3/\text{s}$, bội số tuần hoàn $m = 60$, công suất động cơ $400\text{ kW}$ 01 bộ bơm
Bình ngưng bề mặt Diện tích trao đổi nhiệt bề mặt $F = 1.748\text{ m}^2$, làm mát bằng nước tuần hoàn tháp giải nhiệt ($t_1 = 28^\circ\text{C}, t_2 = 32^\circ\text{C}$) 01 bình
Bình khử khí Dung tích bể chứa $V = 6,1\text{ m}^3$, áp suất bão hòa tương ứng nhiệt độ sôi $140^\circ\text{C}$, $k = 12\text{ kW/m}^2\text{K}$ 01 bình
Bình gia nhiệt hồi nhiệt BGNCA ($F = 21,43\text{ m}^2$), BGNHA1 ($F = 16,28\text{ m}^2$), BGNHA2 ($F = 19,97\text{ m}^2$) 03 bình
Quạt gió cấp buồng lửa Lưu lượng $V = 35,58\text{ m}^3/\text{s}$, sức ép $H = 156,59\text{ mmH}_2\text{O}$, công suất động cơ $70\text{ kW}$ 02 quạt
Quạt hút khói Lưu lượng $V_{kh} = 65,036\text{ m}^3/\text{s}$ ($234.129,6\text{ m}^3/\text{h}$), sức ép $H = 403,31\text{ mmH}_2\text{O}$, công suất $400\text{ kW}$ 01 quạt
Ống khói Chiều cao $80\text{ m}$, đường kính đỉnh $d_2 = 4,6\text{ m}$, đường kính đáy $d_1 = 6,2\text{ m}$ 01 ống
Dây chuyền gạch không nung Máy trộn $12\text{ m}^3$ (công suất tải vít $20\text{ m}^3/\text{h}$), máy ép thủy lực điều khiển tự động PLC 01 dây chuyền

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã tính toán hoàn chỉnh các cân bằng nhiệt động và thiết kế kỹ thuật sơ bộ cho nhà máy điện rác công nghiệp công suất 300 tấn/ngày. Các kết quả kỹ thuật chính bao gồm:

  • Xác định công suất phát điện thực tế ở đầu ra máy phát đạt $14.366,03\text{ kW}$ ($\approx 14,37\text{ MW}$), đáp ứng suất tiêu hao nhiên liệu rác $0,8701\text{ kg/kWh}$ và suất tiêu hao nhiệt toàn tổ máy $14.675,55\text{ kJ/kWh}$.
  • Thiết lập hoàn chỉnh thông số vận hành của lò hơi ($75\text{ tấn/h}, 40\text{ bar}, 400^\circ\text{C}$) và lựa chọn đồng bộ hệ thống bơm, quạt, bình trao đổi nhiệt và ống khói cao 80 m.
  • Đề xuất chuỗi công nghệ xử lý khí thải tích hợp (SNCR + Tháp bán khô + Phun than hoạt tính + Lọc túi PTFE) đảm bảo các thông số phát thải đầu ra cam kết đáp ứng nghiêm ngặt các quy chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn Châu Âu Directive 2010/75/EU.
Thông số ô nhiễm Đơn vị QCVN 61-MT:2016/BTNMT QCVN 30:2012/BTNMT ($K_v = 1,2$) Directive 2010/75/EU (TB 30 phút)
Bụi tổng $\text{mg/Nm}^3$ 120 100 30
Axit Clohydric ($\text{HCl}$) $\text{mg/Nm}^3$ 60 50 60
Cacbon monoxyt ($\text{CO}$) $\text{mg/Nm}^3$ 250 250 100
Lưu huỳnh dioxyt ($\text{SO}_2$) $\text{mg/Nm}^3$ 300 250 200
Nitơ oxyt ($\text{NO}_x$ tính theo $\text{NO}_2$) $\text{mg/Nm}^3$ 600 500 400
Thủy ngân và hợp chất ($\text{Hg}$) $\text{mg/Nm}^3$ 0,24 0,2 0,05
Cadimi và hợp chất ($\text{Cd}$) $\text{mg/Nm}^3$ 0,192 0,16 0,05
Chì và hợp chất ($\text{Pb}$) $\text{mg/Nm}^3$ 1,44 1,2 0,5
Tổng Dioxin/Furan $\text{ngTEQ/Nm}^3$ 0,72 0,6 0,1

Về mặt đóng góp kỹ thuật, đồ án cung cấp một phương án thiết kế sơ bộ hoàn chỉnh, kết nối giữa tính toán chu trình nhiệt điện truyền thống với các giải pháp kỹ thuật môi trường hiện đại. Đồng thời, giải pháp tuần hoàn tro xỉ đáy lò làm nguyên liệu sản xuất gạch không nung và hóa rắn tro bay bằng xi măng giúp giải quyết bài toán chất thải thứ cấp, giảm thiểu tối đa tỷ lệ chôn lấp sau khi đốt.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Đồ án mới dừng lại ở mức độ tính toán thiết kế sơ bộ sơ đồ nhiệt nguyên lý và tính chọn công suất thiết bị chính; các hệ số trở lực khí động, hệ số lọt khí và hiệu suất trao đổi nhiệt được lấy theo các công thức và đồ thị thực nghiệm kinh điển trong tài liệu thiết kế nhà máy nhiệt điện chứ chưa được kiểm chứng qua mô phỏng số chi tiết. Nồng độ các chất ô nhiễm đầu vào hệ thống xử lý khói thải chủ yếu dựa trên giả thiết tính toán lý thuyết từ thành phần hóa học rác thải.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Ứng dụng mô phỏng động lực học dòng chảy (CFD) trong buồng đốt để tối ưu hóa trường nhiệt độ, phân bố vòi phun urê SNCR và kiểm soát nồng độ $\text{CO}/\text{NO}_x$.
    • Tính toán chi tiết hệ thống thu gom và xử lý nước rỉ rác phát sinh tại hố chứa rác trước khi đưa vào lò đốt.
    • Lập mô hình đánh giá hiệu quả kinh tế - tài chính chi tiết (tính toán chi phí đầu tư thiết bị, chi phí hóa chất vận hành, giá bán điện FiT và giá dịch vụ xử lý rác).

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo phục vụ cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư chuyên ngành Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Năng lượng và Kỹ thuật Môi trường:

  • Cung cấp phương pháp mẫu về các bước tính toán cân bằng nhiệt, cân bằng vật chất cho chu trình tuabin hơi trích nhiệt ngưng hơi sử dụng nhiên liệu chất thải rắn.
  • Cung cấp phương pháp tính toán khí động học và thủy lực để lựa chọn các thiết bị phụ trợ đồng bộ trong nhà máy nhiệt điện (bơm cấp, bơm ngưng, bơm tuần hoàn, quạt gió, quạt khói, bình ngưng, bình khử khí, bình gia nhiệt và ống khói).
  • Tài liệu tham khảo về cấu hình công nghệ xử lý khí thải WTE đáp ứng đồng thời QCVN 30:2012/BTNMT, QCVN 61-MT:2016/BTNMT và Directive 2010/75/EU.

Câu hỏi thường gặp

1. Nhiên liệu rác đầu vào của đồ án có đặc tính nhiệt động và thành phần như thế nào?
Nhiên liệu là chất thải rắn công nghiệp thông thường với công suất đốt 300 tấn/ngày ($12.500\text{ kg/h}$), nhiệt trị thấp $16.866,36\text{ kJ/kg}$. Thành phần làm việc gồm: $\text{C} = 46,2%$, $\text{H} = 2,5%$, $\text{O} = 8,4%$, $\text{N} = 2,7%$, $\text{S} = 0,5%$, $\text{Cl} = 0,6%$, tro $\text{A} = 18,5%$, độ ẩm $\text{W} = 20,6%$.

2. Công suất phát điện và các chỉ tiêu hiệu suất nhiệt của tổ máy đạt được là bao nhiêu?
Tổ máy có công suất phát điện đầu ra $N_e = 14.366,03\text{ kW}$ ($\approx 14,37\text{ MW}$). Lưu lượng hơi vào tuabin là $18,89\text{ kg/s}$ ($67,995\text{ tấn/h}$). Suất tiêu hao hơi tuabin đạt $4,733\text{ kg/kWh}$, suất tiêu hao nhiên liệu rác đạt $0,8701\text{ kg/kWh}$, hiệu suất thiết bị tuabin đạt $30,78%$, hiệu suất lò hơi đạt $82%$, và hiệu suất toàn bộ tổ máy đạt $24,53%$.

3. Thông số thiết kế của lò hơi và ống khói trong nhà máy là gì?
Lò hơi tận dụng nhiệt được chọn có năng suất sinh hơi định mức $75\text{ tấn/h}$ (phụ tải hơi quá nhiệt cực đại $74,8\text{ tấn/h}$), áp suất bao hơi $40\text{ bar}$, nhiệt độ hơi quá nhiệt $400^\circ\text{C}$. Ống khói có chiều cao $80\text{ m}$, đường kính chân ống khói $6,2\text{ m}$ và đường kính đỉnh thoát khói $4,6\text{ m}$.

4. Quy trình xử lý khí Dioxin/Furan được thiết kế theo các biện pháp kỹ thuật nào?
Quy trình áp dụng nguyên tắc 3 bước:

  • Tránh: Kiểm soát chế độ cháy 3T (Nhiệt độ $\ge 1.000^\circ\text{C}$, Thời gian lưu $\ge 2\text{ s}$, Độ rối cao), duy trì $\text{O}_2$ từ 5 - 10% và $\text{CO} < 30\text{ ppm}$.
  • Giảm thiểu: Hạ nhanh nhiệt độ khói qua bộ hâm nước từ $550^\circ\text{C}$ xuống $200^\circ\text{C}$ trong thời gian dưới 2 giây để tránh tái tạo de novo.
  • Loại bỏ: Phun bột than hoạt tính vào đường ống sau tháp bán khô để hấp phụ triệt để Dioxin/Furan và hơi thủy ngân, sau đó thu hồi bằng lọc bụi túi PTFE.

5. Tro xỉ đáy lò và tro bay sau quá trình đốt được xử lý như thế nào?
Xỉ đáy lò (độ ẩm $\approx 35%$) được phối trộn với $10 - 20%$ phụ gia hóa chất ($\text{Na}_2\text{SiO}_3, \text{Na}_2\text{CO}_3$, oxit sắt, chất siêu thấm SAP) trong máy trộn $12\text{ m}^3$ và đưa vào máy ép thủy lực tự động PLC để sản xuất gạch không nung. Tro bay từ bộ lọc bụi túi được trộn với nước và xi măng để làm ẩm và hóa rắn (độ ẩm $30%$), giữ cố định các ion kim loại nặng đạt quy chuẩn QCVN 07:2009/BTNMT.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Trần Lê Minh Lưu đã hoàn thành việc thiết kế sơ bộ nhà máy điện rác công nghiệp công suất 300 tấn/ngày với công suất phát điện $14,37\text{ MW}$ và hiệu suất tổ máy đạt $24,53%$. Nghiên cứu đã giải quyết trọn vẹn bài toán cân bằng sơ đồ nhiệt nguyên lý, xác định các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật và tính chọn đồng bộ hệ thống thiết bị cơ nhiệt gian máy, gian lò. Bên cạnh đó, giải pháp xử lý khí thải đa tầng và quy trình tái chế tro xỉ thành gạch không nung đã đáp ứng các quy chuẩn phát thải môi trường nghiêm ngặt của Việt Nam và Châu Âu.