TS.Ngô Trà Mai1*, ThS.Nguyễn Thị Thúy Hằng2 , KS.Khuất Thị Hồng3
1,2,3TT Vật lý và Công nghệ Môi trường – Viện Vật Lý
Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ VN, số 10 Đào Tấn, Ba Đình, Hà Nội
*Email: ntmai@iop.vast.ac.vn hoặc ngotramai@gmail.com
TÓM TẮT
Hoạt động lò đốt rác công suất 300 tấn/ngày, phát điện 5 MW phát sinh bụi và các chất khí độc hại. Lựa chọn hệ thống xử lý khí thải đồng bộ gồm: thiết bị phun cácbon hoạt tính, tháp trung hòa, bộ lọc túi. Kết quả tính toán trường hợp hệ thống xử lý khói bụi hoạt động hiệu quả: nồng độ các chất ô nhiễm tại 100 – 2000 m nằm trong giới hạn của QCVN 05: 2013/ BTNMT ( Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng không khí xung quanh), hàm lượng ô nhiễm tăng dần từ 0 đến 700 m, đạt cực đại khi ở 700-800 m, kết thúc ở khoảng 2000 m.
Từ khóa: lò đốt rác, khí thải, tải lượng ô nhiễm.
I. MỞ ĐẦU
Thành phố Thái Bình thuộc tỉnh Thái Bình nằm trong vùng kinh tế Đồng bằng sông Hồng. Dân số toàn thành phố tính đến tháng 12 năm 2012 là 268.167 người. Năm 2012 tỷ lệ thu gom và xử lý chất thải rắn (CTR) khu vực nội thị là 95,55 %, chủ yếu bằng hình thức chôn lấp và đốt, rác chưa được phân loại và xử lý bằng công nghệ cao[1].
Hiện tại, công suất Nhà máy xử lý rác thành phố Thái Bình 180 tấn/ngày trong đó: đốt rác 60 tấn ngày bằng 3 lò đốt, số còn lại được mang đi chôn lấp tại bãi chôn lấp 2 ha. Bãi rác của Nhà máy hiện chưa có hệ thống thu gom nước rỉ rác, đáy các ô chôn lấp chưa được lót vải địa kỹ thuật, chưa có giếng thu và xử lý khí bãi rác gây ô nhiễm môi trường khí và nước khu vực. 03 lò đốt được trang bị từ các năm 2003, 2006, 2012 còn nhiều bất cập.
Để khắc phục những tồn tại trên, góp phần tạo ra những chuyển biến tích cực trong việc bảo vệ môi trường. Công ty CP Môi trường xanh đã đầu tư ”Nhà máy xử lý rác thải 300 tấn/ngày và phát điện 5 MW tại phường Tiền Phong, thành phố Thái Bình, tỉnh Thái Bình”.
II. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ ĐỐT RÁC PHÁT ĐIỆN TẠI CÔNG TY CỔ PHẦN MÔI TRƯỜNG XANH
2.1. Công nghệ đốt rác sinh hoạt phát điện tại Công ty Cổ phần Môi trường xanh
Quy trình: Xe chuyên dụng vận chuyển chất thải rắn đến khu vực tiếp nhận, qua trạm cân đổ vào bể chứa mà không cần tiến hành phân loại [3]. Chất thải rắn dưới tác dụng trọng lượng sẽ sản sinh nhiệt, là điều kiện thuận lợi cho các vi sinh vật kỵ khí phân hủy hữu cơ, sau đó nước rỉ rác sẽ chảy ra làm giảm mùi hôi, tăng nhiệt trị [4,5]. Dàn cần trục và gầu ngoạm được dùng để bốc và nạp chất thải rắn lên cửa nạp nguyên liệu; theo máng trượt, chất thải rắn được chuyển đến buồng đốt.
Lò đốt liên tục, có 3 giai đoạn: sấy khô, đốt cháy, đốt bổ sung. Nhiên liệu đốt chính của dự án là chất thải rắn sinh hoạt, nhiên liệu đốt phụ là dầu DO dùng khi khởi động và trợ cháy khi nhiệt trị của rác thấp. Trong công nghệ của lò đốt Martin, có bộ sấy không khí sử dụng hơi từ bao hơi trước bộ gia nhiệt nhằm sấy khô rác.
Nhiệt độ trong lò đốt luôn duy trì ở mức ≥ 850 0C, tận dụng nguồn nhiệt này để phát điện,. Nhờ nguồn nhiệt từ lò đốt, lượng nước trong các dàn ống được gia nhiệt và xảy ra quá trình chuyển hóa năng lượng từ trạng thái lỏng sang hơi. Sản lượng điện tương ứng là 5 MW/ngày. Thông số chủ yếu của lò đốt rác công suất đốt: 300 tấn/ngày như sau:
Hình 1. Công nghệ lò đốt Martin của Đức[3].
2.2. Công nghệ xử lý khí thải của lò đốt rác phát điện
Quá trình đốt nhiên liệu và rác thải của lò sẽ phát sinh bụi (TSP) và các chất khí độc hại bao gồm: CO, SO2, NO2, HCl, HF, hơi kim loại nặng (Hg, Cd, As…) và các khí cực độc như Dioxin/Furan [5].
Hình 2. Sơ đồ hệ thống xử lý khí thải lò đốt 300 tấn/h.
Thuyết minh công nghệ
Khói thải khi ra khỏi buồng đốt có nhiệt độ 850 0C sẽ được làm lạnh nhanh khi đi qua nồi hơi xuống nhiệt độ 210 0C trong thời gian 20 s. Bộ trao đổi nhiệt này có chức năng vừa truyền nhiệt vừa tách bụi. Qua bộ trao đổi nhiệt này, phần lớn bụi đã được tách ra khỏi dòng khí thải. Sau đó khí thải đi qua các công đoạn: hấp phụ thủy ngân và Dioxin/Furan bằng than hoạt tính, tiếp đó khí thải được hấp thụ các khí axit SO2, HCl, HF bằng sữa vôi theo phương pháp bán khô. Do đặc điểm của quá trình này sẽ tạo bụi CaSO4 nên khí thải sau đó phải được khử bụi bằng bộ lọc túi.
Khói sau khi xử lý đạt được các điều kiện về môi trường sẽ được quạt đẩy qua ống khói ra ngoài.
III. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ THẢO LUẬN
3.1. Xác định tải lượng các chất ô nhiễm trong khí thải
Tải lượng các chất ô nhiễm trong khí thải lò đốt được tính toán trên cơ sở thành phần và đặc tính của nhiên liệu đốt, chất thải đem đốt, đặc tính của nguồn thải và điều kiện môi trường không khí xung quanh. Phương pháp tính toán được xác định theo lượng sản phẩm cháy (SPC), tải lượng các chất ô nhiễm thải ra khi đốt cháy nhiên liệu. Thành phần của nhiên liệu gồm có Carbon (C), Hydro (H), Nito (N), Oxy (O), Lưu huỳnh (S), Độ tro (A) và Độ ẩm (W): C + H + N + O + S + A + W = 100 %
– Thành phần của nhiên liệu đốt:
Bảng 1. Thành phần của dầu DO và CTR sinh hoạt [%]
| Thành phần | Cp (%) | Hp (%) | Op (%) | Np (%) | Sp (%) | Ap (%) | Wp (%) |
| Dầu DO | 86 | 10,5 | 0,3 | 0,3 | 0,5 | 0,15 | 2,25 |
| CTR sinh hoạt | 46,51 | 6,06 | 22,34 | 2,2 | 0,3 | 5,98 | 16,61 |
– Xác định tải lượng các chất ô nhiễm trong khí thải lò đốt:
Lượng nhiệt sinh ra khi đốt chất thải (Qctc)và (QDOc) là :
Nhiệt sinh ra khi đốt chất thải được tính theo công thức thực nghiệm Mendeleep [4]:
Qctc = 81C +300H – 26(O – S) – 6W (kcal/kg)
Trong đó: C; H; O; S; A; W – lần lượt là thành phần % trọng lượng của nguyên tố cacbon; hydro; oxy; lưu huỳnh; tro và ẩm trong chất thải và dầu đưa vào lò đốt.
Tính toán được: Qctc = 4912,61 (kcal/kg); QDOc = 10107,7 (kcal/kg)
Trên cơ sở tải lượng các chất ô nhiễm, nồng độ các chất ô nhiễm trong khói thải của lò đốt được tính dựa vào tải lượng và lưu lượng khói thải, kết quả tính toán theo 02 trường hợp như sau:
Trường hợp 1: Nồng độ các chất ô nhiễm chính tại ống khói trong trường hợp không có thiết bị xử lý, so sánh với QCVN 30:2012/BTNMT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về lò đốt chất thải công nghiệp đối với bụi và các chất vô cơ) đều vượt qua giới hạn cho phép: SO2, CO là 2-3 lần; NO2 xấp xỉ 5 lần; bụi tổng là trên 23 lần.
Bảng 2. Nồng độ các chất ô nhiễm tại ống khói lò đốt rác khi không có thiết bị xử lý khí thải
| Chất ô nhiễm | Lưu lượng khói thải (m3/s) | Tải lượng (mg/s) | C chưa xử lý (mg/m3) | QCVN 30:2012/BTNMT – cột B (mg/m3) |
| SO2 | 44,9143 | 20845,0272 | 664,1064 | 250 |
| CO | 10861,9864 | 541,8379 | 250 | |
| NO2 | 17019,7072 | 1978,9372 | 500 | |
| TSP | 103821,528 | 2311,546 | 100 |
Trường hợp 2: Có thiết bị xử lý khí thải với hiệu suất xử lý 90%, kết quả tính toán cho thấy, nồng độ phát thải của các chất ô nhiễm trong khói thải lò đốt nằm trong giới hạn cho phép theo QCVN 30:2012/BTNMT
Bảng 3. Nồng độ các chất ô nhiễm tại ống khói lò đốt rác trong trường hợp có thiết bị xử lý
| Chất ô nhiễm | Lưu lượng khói thải (m3/s) | C trước xử lý
(mg/ m3) |
C sau xử lý
(mg/ m3) |
QCVN 30:2012/BTNMT – cột B (mg/ m3) |
| SO2 | 44,9143 | 664,1064 | 46,4106 | 250 |
| CO | 541,8379 | 58,3210 | 250 | |
| NO2 | 1978,9372 | 108,352 | 500 | |
| TSP | 2311,546 | 23,1155 | 100 |
3.2. Xét khả năng tạo Dioxin và Furan
Do nhiệt độ lò đốt luôn được duy trì > 850 0C, với hàm lượng Oxy thấp (khống chế ở mức dư Oxy 6 % – tương đương với hệ số không khí thừa α = 1,5), do đó lượng Dioxin và Furan tạo thành luôn ở mức thấp.
Tính toán lan truyền ô nhiễm trong trường hợp hệ thống xử lý khí thải hoạt động hiệu quả:
Bảng 4. Thông số đầu vào để tính toán ô nhiễm [2]
| TT | Thông số | Đơn vị | Giá trị trước xử lý | Giá trị sau xử lý |
| 1 | Số lượng ống khói | Cái | 1 | |
| 2 | Đường kính ống khói (D) | m | 2,84 | |
| 3 | Chiều cao hình học của ống khói (H) | m | 45 | |
| 4 | Vận tốc gió trung bình 10m (u) | m/s | 3 | |
| 5 | Lưu lượng khí thải | m3/s | 45 | |
| 6 | Nhiệt độ khí thải | 0C | 210 | |
| 7 | Tải lượng SO2 | g/s | 20,85 | 2,09 |
| 8 | Tải lượng CO | g/s | 10,86 | |
| 9 | Tải lượng NO2 | g/s | 17,02 | |
| 10 | Tải lượng TSP | g/s | 103,82 | 1,04 |
- Độ nâng của luồng khói:
Với chiều cao hình học của ống khói là 45 m và đường kính miệng ống khói là 2,84 m, độ nâng của luồng khói, theo mô hình Gauss, được ước tính như sau:
Với:
Δh là độ nâng tổng cộng của luồng khói do động năng ban đầu và do sự chênh lệch nhiệt độ (m).
ΔT là độ chênh lệch nhiệt độ của khói thải và không khí xung quanh (0K)
Tk là nhiệt độ tuyệt đối của khói thải tại miệng ống khói (0K)
D là đường kính miệng ống khói, D = 2,84 m
u (m/s) là vận tốc gió tại độ cao ống khói: Với tốc độ gió tại độ cao 10m là 3m/s thì tốc độ gió tại độ cao 45 m là 4,05 m/s (Với cấp ổn định D, n = 0,2)
ω (m/s) là vận tốc ban đầu của luồng khói tại miệng ống khói:
- Tính nồng độ khí thải tại các khoảng cách khác nhau:
Nồng độ khí thải tại các khoảng cách khác nhau tính từ nguồn ô nhiễm có thể tính theo mô hình Gauss dựa trên trị số của hệ khuếch tán σy, σz (m) như sau:
Với: E (mg/s) là lượng thải chất ô nhiễm từ nguồn thải (miệng ống khói)
H (m) là chiều cao hiệu quả của ống khói = Chiều cao hình học + độ nâng luồng khói = 57,12 (m)
u (m/s) là tốc độ gió ở chiều cao hiệu quả của ống khói, với cấp ổn định C, n=0,2 thì u = 4,25 (m/s)
σy(m) là hệ số khếch tán của khí quyển theo phương ngang (độ sai lệch chuẩn)
σz(m) là hệ số khếch tán của khí quyển theo phương đứng (độ sai lệch chuẩn)
σy và σz phụ thuộc vào khoảng cách x, độ rối của khí quyển và vận tốc gió. Chọn mức độ ổn định của khí quyển là D, kết quả tính được mô phỏng tại hình 3.
Hình 3. Nồng độ các chất ô nhiễm trong khói thải lò đốt khi hệ thống xử lý khí thải hoạt động hiệu quả.
Các kết quả tính toán trên cho thấy khi hệ thống xử lý khí thải hoạt động hiệu quả thì nồng độ các chất ô nhiễm tại khoảng cách 100 – 2000 m tính từ nguồn thải đều nằm trong giới hạn cho phép theo QCVN 05:2009/BTNMT. Nồng độ các chất ô nhiễm tăng dần theo khoảng cách 0 đến 700 m, đạt cực đại khi ở 700-800 m và sau đó giảm dần, kết thúc ở khoảng 2000 m.
Kết quả tính toán trên làm căn cứ để bố trí các hạng mục công trình phụ trợ, bố trí vị trí đặt ống khói để đảm bảo khoảng cách an toàn đến các khu dân cư, hạn chế đến mức thấp nhất tác động bất lợi của quá trình phát tán khí khói.
KẾT LUẬN
- Để khắc phục những tồn tại từ Nhà máy xử lý rác thành phố Thái Bình, góp phần tạo ra những chuyển biến tích cực trong việc bảo vệ môi trường, việc đầu tư Nhà máy xử lý rác thải 300 tấn/ngày và phát điện 5 MW tại phường Tiền Phong, thành phố Thái Bình, tỉnh Thái Bình” là cần thiết.
- Lò đốt rác phát điện là một công nghệ đã tồn tại ở các nước phát triển nhưng lại còn khá mới ở Việt Nam. Việc Công ty CP Môi trường xanh lựa chọn lò đốt Martin của Đức, đốt rác không cần phân loại, có tận dụng năng lượng để sấy rác và phát điện là một hướng đi tích cực.
- Quá trình rác thải sẽ phát sinh bụi (TSP) và các chất khí độc hại bao gồm: CO, SO2, NO2, HCl, HF, hơi kim loại nặng (Hg, Cd, As…) và các khí cực độc như Dioxin/Furan. Các chất độc hại này cần được xử lý để không gây ảnh hưởng xấu tới môi trường xung quanh.
- Lựa chọn công nghệ xử lý khí thải là một hệ thống đồng bộ đi kèm lò đốt. Kết quả tính toán trong trường hợp hệ thống xử lý khói bụi hoạt động hiệu quả, nồng độ các chất ô nhiễm tại khoảng cách 100 – 2000 m tính từ nguồn thải đều nằm trong giới hạn cho phép theo QCVN 05:2009/BTNMT. Nồng độ các chất ô nhiễm tăng dần theo khoảng cách 0 đến 700 m, đạt cực đại khi ở 700 – 800 m và sau đó giảm dần, kết thúc ở khoảng 2000 m.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Hội đồng nhân dân tỉnh Thái Bình, nghị quyết số: 09/NQ-HĐND về việc thông qua đề án đề nghị công nhận thành phố Thái Bình là đô thị loại II, trực thuộc tỉnh Thái Bình, (2013), 9-14.
[2]. Công ty Cổ phần Môi trường xanh Thái Bình, Dự án đầu tư Nhà máy xử lý rác thải 300 tấn/ngày và phát điện 5 MW tại phường Tiền Phong, thành phố Thái Bình, tỉnh Thái Bình (2013) 16-32; 145-152.
[3]. Trần Ngọc Chấn – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, NXB KH&KT, 2011.
[4]. Municipal Solid Waste Incineration – The World Bank Washington, D.C (1999), 51-74.
[5]. BC Environmental Health Policy Advisory Committee, Health assessment for Thermal treatment of municipal solid waste in British Columbia , (2012), 10-13.
………………………………………………………………………………….
Nguồn: Trích dẫn từ kỷ yếu Hội nghị môi trường toàn quốc lần thứ IV, Bộ tài nguyên và Môi trường, Hà Nội, 29/09/2015
…………………………………………………………………………………..
Leave a Reply