Hệ thống lò đốt rác hồ quang điện. Ảnh: Nhóm nghiên cứu.

Nhóm nghiên cứu trường Đại học Tài Nguyên và Môi trường TP.HCM thực hiện đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ lò đốt rác bằng hồ quang điện nhiệt độ siêu cao trên 1.500°C để xử lý chất thải đặc biệt nguy hại”, chế tạo thành công sản phẩm thực tế. Đề tài đã được Sở Khoa học và Công nghệ TP.HCM nghiệm thu năm 2019.

Tiên phong đốt rác siêu nhiệt

Chủ nhiệm đề tài, PGS.TS Lê Văn Lữ cho biết, việc xử lý ô nhiễm môi trường do rác thải nguy hại gây ra đặt nhu cầu cấp bách về công nghệ xử lý ô nhiễm và bảo vệ môi trường, nhất là trước tình trạng biến đổi khí hậu ngày càng nặng nề ở Việt Nam.

Theo ước tính của Tổng cục Môi trường năm 2015, đối với chất thải nguy hại trên toàn quốc phát sinh khoảng 800.000 tấn/năm, chiếm từ 20% đến 30% tổng lượng chất thải công nghiệp. Riêng tại TP.HCM trong năm 2016, tổng lượng chất thải nguy hại phát sinh khoảng từ 350 đến 400 tấn/ngày.

Hiện nay, halogen hữu cơ hay các chất thải hữu cơ bền khó phân hủy POPs (chất thải đặc biệt nguy hại) gồm 3 nhóm quan trọng: DDT được sử dụng như thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực vật; PCBs trong hóa chất trong công nghiệp, sản phẩm phụ trong sản xuất như dầu biến thế, tụ điện, chất bôi trơn,...; dioxin và furans phát sinh từ quá trình đốt cháy nhựa PVC, cao su, vải,...

Biện pháp xử lý triệt để và hiệu quả các loại chất thải ô nhiễm này là thiêu đốt ở nhiệt độ cao, có kiểm soát trong các lò đốt rác chuyên dụng và hợp chuẩn. Do phương pháp này đòi hỏi công nghệ, đơn giá xử lý cao nên Nhà nước đã sớm ban hành văn bản hướng dẫn. Dù thế, trong nước hiện nay vẫn chưa có công nghệ phù hợp với giá thành chấp nhận được.

Trước thực tế đó, lần đầu tiên các tác giả trong nước đã nghiên cứu áp dụng ngọn lửa hồ quang có nhiệt độ siêu cao trong lò đốt rác xử lý các loại chất thải có thành phần halogen hữu cơ vượt ngưỡng chất thải nguy hại, phù hợp điều kiện xử lý rác hiện tại của Việt Nam.

Hệ thống điện và điều khiển hồ quang điện cho lò đốt rác. Ảnh: Nhóm nghiên cứu.

Cụ thể, nhóm đã chế tạo lò đốt rác bằng hồ quang điện công suất 100 kg/ngày (5 kg/giờ) có nhiệt độ siêu cao trên 1.500°C đáp ứng theo quy chuẩn. Lò đốt rác bằng hồ quang điện bao gồm cụm lò đốt rác, hệ xử lý khí thải (giải nhiệt, hấp thụ, hấp phụ) và cơ học khí (quạt hút tổng và ống khói), sử dụng hoàn toàn điện năng.

Cụm lò đốt rác có hai buồng đốt chính là buồng đốt sơ cấp và thứ cấp, trong đó, buồng thứ cấp có dạng đứng, được phát nhiệt bằng bộ phát hồ quang có công suất từ 3,9 đến 5,2 kW ở điện áp 65V và dòng điện từ 60 đến 80A, thanh điện cực bằng graphit được phủ lớp sơn bảo vệ là hỗn hợp nhôm – niken.

Bộ phát nhiệt hồ quang được điều khiển tự động nhằm tối ưu công suất, đảm báo tính liên tục, ổn định của ngọn lửa hồ quang, đồng thời được đảo chiều dòng điện theo chu kỳ nhằm hạn chế tiêu hao điện cực trong quá trình hoạt động phát hồ quang.

Hiệu quả ấn tượng trong thực tế

Theo PGS.TS Lê Văn Lữ, nhóm đã xây dựng quy trình vận hành lò đốt rác bằng hồ quang điện và tiến hành đốt thử nghiệm các loại rác thải có nguy cơ phát sinh dioxin/furans cao như nhựa PVC, cao su, vỏ chai thuốc bảo vệ thực vật và vải có nylon.

Vận hành đốt rác nguy hại trong lò (trái) và dùng thiết bị đo khí thải ra từ ống khói để đối chiếu với chuẩn. Ảnh: Nhóm nghiên cứu.

Kết quả cho thấy, nhiệt độ buồng đốt sơ cấp từ 650°C đến 800°C được duy trì và kiểm soát tự động thông qua bộ phát nhiệt điện trở; thời gian lưu khí đảm bảo 2 giây và hệ số rối; lưu lượng cấp khí được cố định với hệ số không khí dư 1,1.

Khi vận hành lò ở chế độ nhiệt độ buồng đốt thứ cấp trên 1.500°C, đảm bảo cho kết quả xử lý các thành phần khí thải đều có nồng độ đạt quy chuẩn kể cả thông số bụi, khí CO và dioxin/furans. Hiệu quả xử lý dioxin/furans rõ rệt, nồng độ dioxin/furans giảm 5 lần so với ở chế độ đốt thông thường trong cùng điều kiện đốt.

Nhiệt độ buồng SC, TC và khói thải trong quá trình lấy mẫu, các thông số đều đạt theo quy chuẩn chung. Ảnh: Nhóm nghiên cứu.

Cân bằng nhiệt của lò đốt và so sánh kết quả tính toán nhiệt cấp bằng hồ quang điện cho thấy hiệu suất sử dụng nhiệt năng của hồ quang điện đạt 98%, cao hơn nhiều so với phương pháp phát nhiệt bằng plasma (chỉ đạt từ 40% đến 50%). Ngoài ra, thiết bị phát hồ quang đơn giản, dễ bảo trì, thay thế và suất đầu tư thấp hơn trên cùng một công suất phát nhiệt so với những công nghệ thiêu đốt khác hiện nay.

Giá đầu tư lò đốt rác hồ quang điện công suất 100 kg/ngày vào khoảng từ 600 triệu đến 900 triệu đồng; chi phí xử lý rác bằng lò hồ quang điện ước tính khoảng 23.350 đồng/kg. Với chi phí đầu tư, vận hành thấp so với các công nghệ khác, lò đốt rác hồ quang điện hoàn toàn phù hợp với các quy mô xử lý chất thải nguy hại đến chất thải có chứa hàm lượng halogen hữu cơ vượt ngưỡng nguy hại tại Việt Nam.

Thu mẫu dioxin/furans đưa đi phân tích để đánh giá độ hiệu quả của lò đốt. Ảnh: Nhóm nghiên cứu.

Nhóm nghiên cứu đã làm chủ công nghệ phát hồ quang theo điều kiện và công suất của lò đốt rác nguy hại, bước đầu khai thác công nghệ hồ quang điện vào lĩnh vực xử lý chất thải, đặc biệt là chất thải nguy hại bằng nhiệt độ cao. Do đó, các tác giả mong muốn có những hướng dẫn và quy định cụ thể để có thể triển khai áp dụng và chuyển giao công nghệ, mở ra hướng đi mới trong việc xử lý chất thải rắn, xử lý các loại chất thải nguy hại thường có trong rác thải sinh hoạt, công nghiệp, y tế,… góp phần bảo vệ môi trường.