Phương pháp đốt rác truyền thống hiệu suất thấp và đi kèm giải pháp xử lý khí thải phức tạp và cao hiệu tốn kém. Chuyển đổi phần dễ cháy của chất thải rắn đô thị thành RDF và sử dụng chúng làm nhiên liệu thay thế là một xu hướng mới trong xử lý chất thải rắn. Khái niệm RDF được phát triển vào khoảng đầu những năm 1970. Chuyển chất thải thành năng lượng thông qua RDF mang lại những lợi ích thiết thực: thúc đẩy phát triển nền kinh tế tuần hoàn, tiết kiệm quỹ đất, nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên và cho phép thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch bằng năng lượng tái tạo. Hơn nữa, nguồn chất thải luôn dồi dào và liên tục nên phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu nhiên liệu. Ngoài ra, khoảng 50% hàm lượng carbon trong chất thải sinh hoạt và sản xuất có nguồn gốc tái tạo nên việc sử dụng năng lượng từ chất thải rắn góp phần giảm thiểu phát thải khí nhà kính.

Trên thế giới RDF là nguồn chất đốt cung cấp năng lượng cho ngành xi măng. Tuy nhiên, đốt trực tiếp RDF có một số hạn chế như quá trình cháy không hoàn toàn dẫn đến hàm lượng CO cao, giảm nhiệt độ ngọn lửa, phát sinh các chất ô nhiễm… Khí hóa RDF là một giải pháp đầy hứa hẹn để loại bỏ các nhược điểm xảy ra khi đốt trực tiếp, từ đó nâng quả chuyển đổi năng lượng từ chất thải rắn. So với sinh khối nói chung, RDF từ chất thải rắn có nhiệt trị cao hơn do hàm lượng các nguyên tố dễ cháy như C và H lớn hơn. Ngoài ra, độ ẩm trong nhiên liệu thải thấp hơn; do đó, việc sấy khô nguyên liệu trước khi các quá trình tiếp theo diễn ra tiêu tốn ít năng lượng hơn. Mặt khác, nhiệt độ nóng chảy của tro RDF thấp hơn một chút so với nhiệt độ nóng chảy của tro sinh khối nên không gây tắt lò trong quá trình chuyển đổi nhiệt hóa. Một số nghiên cứu đã được tiến hành để sử dụng RDF làm chất đốt cung cấp nhiệt cho các mục đích khác nhau. Các nghiên cứu này chỉ ra rằng hàm lượng clo là một trong những mối quan tâm chính đối với nhiên liệu có nguồn gốc từ chất thải. Tạp chất này có thể gây ra sự ăn mòn hệ thống sử dụng nhiệt do sự bay hơi và ngưng tụ của clorua kiềm.

Khí hóa RDF là giải pháp hữu hiệu để khắc phục những nhược điểm của việc đốt trực tiếp. Trong quá trình khí hóa, RDF được chuyển thành syngas gồm các thành phần chính CO₂, CO, H₂, CH₄, H₂O và các loại khí hydrocarbon khác, hắc ín, hạt than và tro. Sau khi làm sạch, syngas có thể được sử dụng tiếp để sản xuất nhiên liệu hydrocarbon lỏng, hydro, metanol, amoniac hoặc làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Quá trình này cho hiệu suất thu hồi năng lượng cao hơn quá trình đốt trực tiếp với lượng phát thải thấp hơn. Chất oxy hóa có thể là không khí, hơi nước, không khí được làm giàu oxy và carbon dioxide. Các nghiên cứu về sản xuất khí tổng hợp trong các điều kiện nhiệt độ khác nhau chỉ ra rằng việc tăng nhiệt độ giúp cải thiện tốc độ phản ứng khí hóa và làm tăng hàm lượng hydro. Quá trình khí hóa diễn ra trong lò khí hóa. Đối với lò khí hóa kiểu hút xuống có thể chia thành 4 khu vực khác nhau: khu vực chứa RDF có nhiệt độ 373K 423K, khu vực nhiệt phân sơ cấp, khu vực nhiệt phân thứ cấp có nhiệt độ 423K-973K, khu vực cháy có nhiệt độ 973K-1773K và khu vực hoàn nguyên có nhiệt độ 1073K 1373K. Syngas chủ yếu hình thành ở khu vực hoàn nguyên. Thành phần của syngas có thể điều chỉnh bằng cách bổ sung hơi nước vào khu vực này.

Khí hóa là một quá trình phức tạp, có thể được thực hiện nhờ các phần mềm mô phỏng. Ứng dụng phần mềm Ansys Fluent để nghiên cứu quá trình khí hóa được trình bày trong các công trình. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm khí hóa RDF trong lò khí hóa được trình bày trong. Trong các công trình này việc điều chỉnh hệ số không khí dư được thực hiện thông qua lưu lượng nhiên liệu và lưu lượng không khí cung cấp vào lò. Để nâng cao hiệu quả mô phỏng quá trình khí hóa trong lò, chúng ta cần có các thông tin cơ bản về quá trình cháy của viên nén nhiên liệu RDF. Các thông tin này hiện nay hầu như rất hiếm trong cơ sở dữ liệu khoa học đã được công bố.

Công trình này tập trung nghiên cứu mô phỏng quá trình cháy cơ bản của viên RDF trong điều kiện hỗn hợp giàu. Dạng hình học của ngọn lửa, phân bố nhiệt độ và nồng độ các chất trong sản phẩm cháy khi thay đổi hệ số không khí dư được phân tích. Quá trình cháy của ba loại RDF từ trấu, gỗ vụn và chất thải rắn được mô phỏng để so sánh. Kết quả nghiên cứu cơ bản này cung cấp thông tin cần thiết để thực hiện mô phỏng quá trình khí hóa trong lò khí hóa thực tế.

1. Phương pháp nghiên cứu

Mô phỏng quá trình cháy viên nén nhiên liệu được thực hiện nhờ phần mềm Ansys Fluent phiên bản 21R1. Nội dung công trình này tập trung nghiên cứu cơ bản quá trình cháy của viên nén nên cấu hình không gian tính toán gồm 1 viên nén hình trụ đường kính 30mm, chiều cao 40mm được đặt trong không gian tính toán là môi trường không khí có dạng hình trụ, đường kính và chiều cao gấp 10 lần kích thước viên nén. Không khí hút vào ở mặt dưới hình trụ và xung quanh không gian tính toán do lực trọng trường. Viên nén được giả định có kết cấu xốp trong đó chứa nhiên liệu có thành phần cho. Nhiên liệu đưa vào mô phỏng theo thành phần nguyên tố. Trên cơ sở thành phần này, nhóm tác giả tính toán được tỉ lệ không khí/nhiên liệu r trong điều kiện cháy hoàn toàn lý thuyết.

Trong nghiên cứu này mô hình rối k-e và mô hình cháy Partially Premixed Combustion được lựa chọn. Trong không gian tính toán, không khí quanh viên nén có thông số diễn tiến quá trình cháy c=1, còn trong viên nén c=0. Khi bắt đầu mô phỏng, các giá trị này được gán nhờ công cụ Patch ở bảng Initialization. Thành phần hỗn hợp nhiên liệu-không khí f giả định được đưa vào giá trị ban đầu của viên nén. Kết quả mô phỏng sự phân bố nhiệt độ khi cháy viên nén RDF của một trường hợp tiêu biểu. Kết quả trình bày đường đồng mức nhiệt độ trên mặt cắt ¼ viên RDF. Ngọn lửa có dạng hình côn tương tự như trường hợp phun nhiên liệu khí qua vòi phun có đường kính lỗ bằng đường kính viên nén. Phần tâm ngọn lửa có nhiệt độ thấp do giàu nhiên liệu. Phần ngoài ngọn lửa do hỗn hợp nghèo nên nhiệt độ cháy giảm. Nhiệt độ cháy cực đại đạt được tại vùng màng lửa nơi có thành phần hỗn hợp nhiên liệu-không khí tối ưu. Biến thiên các chất trong màng lửa theo thời gian. Khi bắt đầu cháy, hơi nhiên liệu từ viên RDF thoát ra mạnh làm cho hỗn hợp giàu nên hàm lượng CO tăng mạnh. Sau khi đạt giá trị cực đại, nồng độ CO giảm xuống. Khi viên nén cháy hết thì nồng độ CO giảm nhanh. Nồng độ CH₄ và H₂ cũng biến thiên tương tự nhưng với giá trị nhỏ hơn nhiều. Đây là sự khác biệt giữa quá trình cháy RDF ngoài khí quyển so với khi khí hóa trong lò. Khi khí hóa trong lò thì nồng độ các chất trong syngas duy trì giá trị ổn định do nhiên liệu được cấp liên tục vào khu vực cháy.

2. Kết luận

Kết quả nghiên cứu trên đây cho phép rút ra được những kết luận sau:

Quá trình cháy viên nén nhiên liệu RDF sinh ra ngọn lửa khuếch tán hình côn, các chất cháy được chủ yếu sinh ra trong khu vực màng lửa. Chiều cao đỉnh ngọn lửa tăng nhẹ khi tăng hệ số không khí dư của hỗn hợp. Khi hệ số không khí dư tăng từ 0,33 đến 0,95 thì đỉnh ngọn lửa tăng từ 65mm lên 68mm.

Khi hệ số không khí dư tăng thì nhiệt độ cực đại của ngọn lửa tăng. Nhiệt độ cực đại đạt 1110K, 1154K, 1227K và 1338K lần lượt tương ứng với ER 0,3; 0,45; 0,65 và 0,95.

Khi hệ số không khí dư giảm thì nồng độ các chất CO, CH₄, H₂ tăng dẫn đến tăng nhiệt trị syngas. Giá trị cụ thể của Qsyn là 0,15; 2,41; 5,34 và 7,94 theo thứ tự tương ứng với hệ số không khí dư ER là 1,25; 0,56; 0,32 và 0,21.

Hàm lượng C trong RDF ảnh hưởng đến nồng độ CO còn hàm lượng H trong RDF ảnh hưởng đến nồng độ CH₄, H₂ trong syngas. Khi ER=0,32 thì nhiệt trị syngas thu được từ quá trình cháy RDF-Trấu, RDF-Chất thải rắn và RDF Gỗ vụn lần lượt là 5,3; 5,5 và 5,9 MJ/kg.

 Có thể ước tính nhiệt trị của syngas thu được từ khí hóa RDF bằng mô phỏng quá trình cháy RDF trong khí quyển để đơn giản hóa quá trình mô phỏng cũng như thực nghiệm trong lò khí hóa.