Đốt rác thải MSW theo cách thức kiểm soát và có thu hồi năng lượng đạt được cả mục đích về xử lý ô nhiễm môi trường và tạo ra nguồn năng lượng tuần hoàn. Chavando và các cộng sự đã tổng quan về nhiên liệu từ MSW và cho rằng đây hướng phát triển mang ý nghĩa kinh tế tuần toàn hoàn, phát triển bền vững và giảm phát thải CO2 (khi có thể hạn chế việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch). Guoqiang và các cộng sự mới đây có tổng quan thú vị về vật liệu năng lượng bắt nguồn từ rác thải nhựa (như dùng cho tích trữ điện năng, tạo năng lượng hydro, nhiên liệu phân tử nhỏ,…). Hamid và các cộng sự thực hiện khảo sát về điều kiện và kỹ thuật ép nén rác thải đô thị (nhựa, giấy, thành phần hữu cơ và gỗ) để tạo thành các viên nén nhiên liệu. Spyridoula và các đồng nghiệp đã có nghiên cứu phân tích nhiệt nhằm đánh giá cho quá trình đốt rác thải rắn đô thị với thành phần là hữu cơ (cellulose, hemicellulose, lignin) và rác thải nhựa (polyethylene - PE, polypropylene - PP, và polyethylene terephthalate - PET).
Việt Nam mỗi năm thải ra cỡ 1,8 triệu tấn rác nhựa, trong đó khoảng 11 - 12% được xử lý và tái chế, còn lại chủ yếu là chôn lấp, đốt hoặc thải tự do ra ngoài môi trường, theo ước tính, nước ta có khoảng 0,28 - 0,73 triệu tấn rác nhựa thải ra biển. Tuy vậy, nghiên cứu hoặc phát triển công nghệ liên quan đến nhiên liệu từ rác thải vẫn còn khiêm tốn. Một số ví dụ điển hình như Nhà máy đốt rác phát điện Sóc Sơn đã đi vào hoạt động với giai đoạn 1 phát điện 15 MW. Công ty môi trường đô thị Hà Nội (URENCO) và Công ty TNHH Kim Trường Phúc, Đồng Nai gần đây đã đưa ra thị trường sản phẩm về nhiên liệu từ rác thải nhựa (RPF và RDF) được công bố có thể thay thế cho than. Tuy rác thải nhựa có nhiệt trị cao (khoảng 10000 kcal/kg) nhưng do tính chất phức tạp về thành phần và nguồn gốc nên sẽ phát sinh vấn đề lớn cần giải quyết khi đốt đó là các chất phát thải độc hại ra môi trường (điển hình là khí độc NOx, SO2, CO,…), tro-xỉ thải và hiện tượng đóng cặn-xỉ hệ thống buồng đốt. Áp dụng việc đốt đồng xử lý khi kết hợp rác thải nhựa với các vật liệu sinh khối (như bã mía, mùn cưa, vỏ trấu) có thể đem lại ưu thế. Điển hình như vỏ trấu khi đốt kết hợp sẽ có thêm năng lượng nhiệt khoảng 3300 kcal/kg và có thể giảm được ô nhiễm môi trường do sự phân hủy vật liệu sinh khối này.
Trong bài báo này, chúng tôi đã thực hiện khảo sát đặc trưng về các khí phát sinh từ quá trình đốt viên nén nhiên liệu rác thải nhựa kết hợp với trấu. Hệ lò đốt được xây dựng theo kiểu nằm ngang với kiểm soát nhiệt độ và khí oxy cấp đầu vào để đảm bảo cho phân tích khí thải lối ra của toàn bộ quá trình đốt viên nén trong lò. Các viên nén nhiên liệu được tạo ra từ rác thải nhựa và trấu theo các hàm lượng khác nhau. Viên nén nhiên liệu tạo ra từ rác thải nhựa và trấu có thuận lợi lớn trong điều kiện Việt Nam là nước có ngành nông nghiệp phát triển. Theo số liệu thống thế năm 2023, diện tích trồng lúa là 7,5 triệu ha, tổng lượng trấu khoảng 5,6 triệu tấn với khoảng 3 triệu tấn được sử dụng sản xuất phân bón và củi trấu, lượng còn lại đốt bỏ hoặc thải ra ngoài môi trường gây ô nhiễm môi trường. Xét về góc độ khoa học, việc kết hợp giữa rác thải nhựa và trấu có thể giúp tăng hiệu suất cháy (do tạo ra hiệu ứng kết hợp - hiệp đồng) và góp phần hạn chế tro bay và chất thải độc hại (do trong vỏ trấu có lượng lớn Si có thể tạo hiệu ứng hấp phụ - hấp thụ các khí độc, kim loại nặng). Năm 2009, một nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa thuộc Đại học Quốc gia Tp. HCM đã thực hiện chế tạo viên nén từ nhựa thải kết hợp vỏ trấu [11]. Nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào kỹ thuật đùn-ép để tạo ra viên nén nhiên liệu nhựa trấu và đã công bố tỉ lệ trấu khoảng 60 - 80% thì viên nén có khối lượng riêng cao, nhiệt trị cao và độ bền cơ học tốt. Tuy vậy, nhóm nghiên cứu này chưa thực hiện việc đánh giá chuyên sâu về phân tích khí thải từ đốt viên nén nhiên liệu nhựa trấu đã tạo ra.
1. Thực nghiệm
Các bước thực nghiệm, gồm: (1) chuẩn bị nguyên liệu đầu vào từ rác thải nhựa và vỏ trấu; (2) nghiền nhỏ các nguyên liệu; (3) rây lấy kích thước mong muốn; (4) trộn nguyên liệu ở dạng vật liệu bột, hạt nhỏ theo các tỉ phần mong muốn; (5) ép thủy lực thành viên nén nhiên liệu; (6) nung 8150C; (7) phân tích hàm lượng vô cơ (7); (8) đốt viên nén; và (9) phân tích khí sinh ra từ quá trình đốt. Mẫu rác thải nhựa được thu gom tại bờ biển Rạch Giá - Kiên Giang. Sau đó, rác nhựa được phân loại và chọn theo tỉ lệ phổ biến của các loại rác thải nhựa thông thường trong thực tế (với 40% PE, 20% PET, 10% PVC, 10% PP, 10% PS, 20% là các loại khác) và qua bước tiền xử lý (để khô ráo, và cắt nhỏ bằng kéo). Sau đó, mẫu rác thải nhựa được nghiền nhỏ bằng cối xay dùng lưỡi dao để đạt kích thước <3 mm. Mẫu vỏ trấu là của giống lúa Nhật DS1 (giống lúa phổ biến) tại Kiên Giang. Vỏ trấu được thu thập, nghiền nhỏ và sàng qua rây 0,5 mm để thu dạng bột trấu. Các mẫu nhựa và trấu sau khi nghiền được cân và trộn thành các hỗn hợp theo tỉ lệ trấu là 0, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 và 100% khối lượng. Các hỗn hợp nhựa trấu và cối ép được đặt trong tủ sấy ở 1500C trong 3 phút sau đó được ép thủy lực (cối ép hình trụ có đường kính trong là 13 mm, lực ép 3000 psi) để tạo ra các mẫu viên nén nhiên liệu nhựa trấu.
Lò nung (Muffle Advantec FUW210PA, Nhật) được sử dụng để nung các mẫu viên nén cho đánh giá hàm lượng chất vô cơ (tro-xỉ), theo chuẩn ISO 1171:2010. Các cốc sứ không chứa mẫu vật liệu được nung ở nhiệt độ 815°C trong ít nhất 15 phút để ổn định khối lượng cốc; cân khối lượng nhiên liệu (khoảng 1 g) lần lượt từ các mẫu viên nén riêng rẽ và cho vào các cốc sứ; nung mẫu nhiên liệu trong các cốc theo chương trình nhiệt độ: tăng đều nhiệt độ lên 500°C trong 60 phút và duy trì trong 30 phút, tiếp tục tăng đều lên 815°C và duy trì nhiệt độ này trong 60 phút, và để nguội tự nhiên về nhiệt độ phòng; cân khối lượng các cốc chứa tro xỉ sau quá trình nung để tính hàm lượng vô cơ.
Phân tích khí thải cho quá trình đốt viên nén nhiên liệu được thực hiện theo khống chế nhiệt độ và khí với hệ thống lò ống nằm ngang. Hệ gồm ống thạch anh làm buồng đốt có đường kính trong 21 mm, ống được đặt nằm ngang, phần ống nằm trong lò được cấp nhiệt có chiều dài 20 cm, một đầu ống dùng để cấp khí và nhiên liệu vào buồng đốt, đầu ống còn lại để khí thải thoát ra và khí thải được dẫn đến thiết bị phân tích khí. Hai đầu ống thạch anh được gắn các bộ phận với gioăng kín khí để tránh không khí bên ngoài lọt vào trong buồng đốt làm sai kết quả phân tích. Các mẫu viên nén dùng để đốt trong buồng lò có khối lượng 0,15 g được đặt vào thuyền sứ và đưa vào chính giữa tâm của ống thạch anh bằng cần đẩy. Nguồn khí O2 và N2 được khống chế lưu lượng chính xác qua hệ van điều khiển lưu lượng (MFC-Aalborg, Mỹ) để tạo ra hỗn hợp khí (20% O2 + 80% N2) và cấp liên tục vào buồng đốt (ống thạch anh) với lưu lượng giữ cố định là 1000 ml/phút trong suốt quá trình đốt. Khí lối ra được dẫn trực tiếp đến thiết bị phân tích khí cho ghi nhận số liệu nồng độ các khí biến đổi liên tục theo thời gian. Thiết bị phân tích khí (E-Instruments E9000, Mỹ) được sử dụng cho đo nồng độ các khí gồm O2, CO2, CO, NO, NO2, H2S, SO2 và HC.
Từ số liệu đo nồng độ các khí, lượng thể tích khí O2 tham gia trong quá trình cháy (tham các phản ứng cháy) và lượng thể tích các khí sinh ra từ quá trình đốt (gồm NOx, SO2, H2S, CO2, CO và HC) tính trên một đơn vị khối lượng nhiên liệu (sau khi được bù trừ phần vô cơ trong mẫu viên nén nhiên liệu) cho toàn bộ quá trình đốt.
2. Kết luận
Bài báo này đã đo các khí sinh ra từ quá trình đốt viên nén nhiên liệu được tạo từ rác thải nhựa và vỏ trấu. Đặc trưng khí đo được theo thời gian đã thể hiện có mối liên quan đến tương hỗ giữa nhựa và trấu trong quá trình cháy khi phản ánh một cách hệ thống tương ứng với sự khác nhau giữa các tỉ phần nhựa/trấu trong viên nén. Mẫu viên nén với hàm lượng trấu nhiều thì có thời gian cháy dài, phản ứng cháy hoàn toàn xảy ra chậm, trong khi mẫu viên nén với hàm lượng nhựa lớn xuất hiện nhiều khí HC phát thải là do nhiệt phân nhiệt hủy đã minh chứng nhiên liệu khó tham gia trong phản ứng cháy. Các mẫu viên nén nhiên liệu nhiều nhựa (tương ứng với hàm lượng trấu lân cận 30%) cho thấy khi đốt phát thải nhiều khí độc NOx và H2S. Mẫu viên nén với hàm lượng trấu trong vùng 60 - 80% có thể được xem tối ưu cho phản ứng cháy nhiên liệu khi thể hiện lượng CO2 phát thải cực đại và thời gian để nhiên liệu cháy hoàn toàn xảy ra ngắn. |