Theo báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia năm 2019, tổng khối lượng chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) của cả nước là 64.658 tấn/ngày (khu vực đô thị 35.624 tấn/ngày, khu vực nông thôn 28.394 tấn/ngày)[1]. Các địa phương có khối lượng CTRSH phát sinh trên 1.000 tấn/ngày chiếm 25% trong đó có Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh phát sinh trên 6.000 tấn/ngày).
Hiện nay, trên cả nước có 1.322 cơ sở xử lý CTRSH, trong đó gần 381 lò đốt CTRSH, 37 dây chuyền chế biến compost, 904 bãi chôn lấp [1]. Các lò đốt CTRSH hiện nay chủ yếu là các loại lò công suất nhỏ, giá thành rẻ, hệ thống xử lý chất thải chưa hoàn chỉnh. Rác thải đa phần vẫn được xử lý bằng hình thức chôn lấp.
Tuy nhiên, ngoài các bãi chôn lấp tự phát không được đầu tư để tránh gây ô nhiễm môi trường, thì các bãi chôn lấp hợp vệ sinh đang hoạt động gần hết sức chứa trong khi lượng chất thải rắn (CTR) ngày càng tăng, diện tích đất để xây dựng bãi chôn lấp ngày càng thu hẹp.
Các nhà máy đốt rác mở ra một hướng đi mới trong việc xử lý CTR. Ngoài ra, công nghệ đốt rác phát điện (Waste to Energy) đang trở thành xu hưởng phát triển chung do tận dụng nhiệt lượng của khí thải nóng để quay turbin phát điện, năng lượng điện bán được đem lại nguồn lợi kinh tế cho các nhà đầu tư nhà máy đốt chất thải.
Hiện nay, có 3 loại lò chính được sử dụng trong các nhà máy đốt rác: lò ghi chuyển động, lò quay và lò tầng sôi. Mỗi loại lò sẽ phù hợp để xử lý các chất thải riêng như CTRSH (lò ghi chuyển động), chất thải y tế, chất thải độc hại (lò quay), bùn thải, chất thải rắn công nghiệp (lò tầng sôi).
- Lò ghi chuyển động (Moving Grate Incinerator )
Lò đốt ghi chuyển động chủ yếu được sử dụng để đốt CTRSH.
a) Nguyên lý hoạt động của lò
Rác thải do xe chở rác đưa vào hầm chứa rác thải của nhà máy đốt rác. Rác được nạp vào trong buồng đốt thông qua phễu và trải đều lên tấm ghi (grate) nghiêng khoảng 10–25° so với phương ngang, bao gồm các ghi chuyển động có hình dạng như bậc thang. Hệ thống ghi trong lò hoạt động như một băng chuyền vận chuyển rác đi qua các vùng trong buồng đốt. Không khí sơ cấp được quạt vào từ dưới qua tấm ghi vào trong buồng đốt. Việc khởi động lò đốt được thực hiện với các vòi đốt hỗ trợ, chất thải được sấy khô và đốt ở nhiệt độ khoảng 850 – 950 độ C và thời gian lưu chất thải trong lò khoảng 1 giờ, độ dày rác ép trên ghi khoảng 0,65m. Khí thải độc hại sinh ra từ quá trình đốt đi vào buồng đốt thứ cấp. Tại đây, không khí thứ cấp được bơm vào cùng với sự hỗ trợ của đầu đốt phụ để luôn duy trì nhiệt độ khí thải ít nhất ở 850 độ C trong ít nhất 2 giây để phân hủy các chất hữu cơ khó phân hủy (như dioxin và furan) [2]. Trong quá trình khởi động và tắt lò, hoặc khi nhiệt độ buồng đốt dưới 850 độ C, đầu đốt phụ sẽ được khởi động.
b) Ưu và nhược điểm của lò
Ưu điểm
- cấu trúc lò đơn giản
- vận hành dễ dàng
- chi phí thấp (đầu tư và vận hành)
Nhược điểm
- dễ bị cháy ghi trong quá trình đốt
- hiệu quả năng lượng thấp (trong trường hợp thu hồi nhiệt để phát điện)
2. Lò đốt tầng sôi (Fluidized Bed Incinerator)
Lò đốt tầng sôi được ứng dụng nhiều trong đốt bùn thải, chất thải công nghiệp hơn là đốt CTRSH do tính chất đồng nhất của chất thải.
a) Nguyên lý hoạt động
Lò đốt tầng sôi đốt cháy rác thải bằng cách cho rác đã được nghiền và cát (hoặc đá nhỏ để hỗ trợ việc đảo trộn chất thải) vào buồng đốt, không khí được phun vào từ đáy buồng. Lượng không khí đảm nhận duy trì quá trình đốt cháy. Chất thải và cát được đảo trộn, lơ lửng trong buồng đốt. Chất thải sẽ cháy trong vùng lơ lửng của hỗn hợp. Do đó, diện tích tiếp xúc bề mặt giữa không khí nóng và chất thải tăng lên, cho phép đốt nóng cực kỳ đều và hiệu quả đốt cháy cao.
Quá trình đốt cháy bình thường cần có không khí (oxy). Nếu lượng không khí (oxy) ít hơn, thì quá trình đốt cháy không hoàn toàn xảy ra. Nếu có nhiều không khí, không khí đang làm mát buồng đốt. Vì vậy, cần có một lượng oxy tối ưu để đốt cháy tốt. Ngoài ra, trong tầng sôi, chất thải cần phải lơ lửng trong buồng đốt, vì vậy quá trình đốt cháy có thể được thực hiện từ tất cả các vị trí. Nếu chất thải bị thổi bay ra khỏi buồng đốt cần tinh chỉnh như bơm thêm không khí trong buồng hoặc bổ sung cát).
Đặc tính đồng nhất và nhiệt trị của hỗn hợp chất thải là các yếu tố cần thiết để quá trình đốt cháy diễn ra theo nguyên tắc nổi, và lượng không khí cung cấp chính xác là cần thiết để quá trình đốt cháy diễn ra chính xác và hiệu quả.
b) Ưu điểm và nhược điểm của lò
Ưu điểm
- Quá trình đốt cháy hiệu quả
- Thu hồi năng lượng hiệu quả
- Có thể đốt cháy nhiều loại chất thải khác nhau, kể cả chất thải có nhiệt trị thấp, độ ẩm cao
- Xử lý xỉ đáy dễ dàng
- Hiệu suất vận hành tốt
- Chi phí vận hành thấp
Nhược điểm
- Tạo ra nhiều tro bay do quá trình đốt diễn ra gần như hoàn toàn
- Cần xử lý nhiên liệu đầu vào (nghiền nhỏ, phân loại chất thải, tách kim loại, tách chất thải theo từng kích thước,…)
3. Lò đốt quay (Rotary Kiln Incinerator)
Lò đốt quay thường được sử dụng để đốt các loại chất thải y tế, chất thải nguy hại, chất thải công nghiệp, bùn thải, chất thải hóa dầu,…
a) Nguyên lý hoạt động
Lò đốt kiểu lò quay được sản xuất với buồng đốt quay nghiêng 5 độ so với phương ngang để chất thải dễ dàng đảo trộn, từ đó giúp chất thải bốc hơi để đốt cháy dễ dàng hơn. Lò được lót một lớp vật liệu chịu lửa[4]. Chất thải rắn được nạp vào lò thông qua hệ thống băng tải hoặc các chất thải nguy hại dạng lỏng được bơm qua (các) vòi phun. Quá trình đốt cháy chất thải của lò quay tương tự như lò đốt ghi. Chất thải được “đảo trộn” và đốt cháy nhờ trục quay của lò thay vì được vận chuyển bằng ghi trong buồng đốt. Kim loại không cháy và các chất cặn khác được thải ra dưới dạng xỉ ở cuối lò. Thời gian lưu của chất thải trong lò thay đổi từ 30 đến 80 phút và tốc độ quay của lò dao động từ 30 đến 120 vòng quay mỗi giờ.[4]
b) Ưu điểm và nhược điểm của lò[4]
Ưu điểm:
- Xử lý được đa dạng loại chất thải
- Nhiệt độ hoạt động cao (lên đến 1400 độ C)
- Khả năng trộn chất thải liên tục
Nhược điểm:
- Chi phí vốn và vận hành cao
- Nhân viên vận hành cần được đào tạo
- Bộ phận chuyển động bị mài mòn nhanh do tiếp xúc giữa chất thải và trục chuyển động trong điều kiện nhiệt độ cao trong lò.
4. So sánh lò ghi và lò đốt tầng sôi
| Mục so sánh | Lò ghi | Lò tầng sôi | |
| Thành phần chất thải nạp vào | Yêu cầu xử lý nhiên liệu đầu vào | Tương đối thấp, không cần phân loại rác thải | Tương đối cao, chất thải cần tiền xử lý trước khi vào buồng đốt |
| Vật liệu đốt cùng [5] | Không cần vật liệu đốt cùng | Cát hoặc tro | |
| Kích thước chất thải [5] | Chỉ những rác thải quá to và cồng kềnh không vừa kích thước ô nạp mới cần loại bỏ | 50 – 100 mm. Tùy thuộc vào thiết kế của bộ phận thổi khí | |
| Hiệu quả hoạt động [6] | Tỷ lệ đốt cháy CTRSH | Khó kiểm soát | Cao |
| Feedstock reduction | Tương đối thấp | Cao | |
| Tỷ lệ thu hồi năng lượng nhiệt | Thấp | Cao | |
| Tỷ lệ xỉ đáy/tro bay (% trên tổng lượng tro) [5] | 90/10 | 50/50 | |
| Kiểm soát ô nhiễm [6] | Khí thải | Hàm lượng Dioxin/furan cao | Hàm lượng Dioxin/furan thấp |
| Xử lý nước rỉ rác | Khó | Quá trình đốt hoàn toàn có thể thực hiện được |
5. Xử lý chất thải từ lò đốt chất thải rắn sinh hoạt
a) Xử lý khí thải
Do thành phần của CTR mà trong quá trình đốt rác sinh ra các loại khí thải như NOx, CO2, thủy ngân, dioxin/furan, HCl, HF, SO2, VOCs,…
- NOx sinh ra trong quá trình cháy được khử thành N2 bằng cách phun amoniac hoặc ure (khử không xúc tác) để giảm 50% lượng NOx. Trong lò đốt tầng sôi, nhiệt độ trong lò đốt được kiểm soát tốt hơn, NOx hình thành ít hơn.
CO(NH2)2 + H2O → 2 NH3 + CO2
4 NO + 4 NH3 + O2 → 4 N2 + 6 H2O
6 NO2 + 8 NH3 → 7 N2 + 12 H2O
- Nguồn gốc của clorua chủ yếu từ nhựa như PVC, thực phẩm giàu muối hoặc các hợp chất vô cơ chứa clo. Florua đến từ nhựa PTFE, vải, quần áo, hoặc các chất vô cơ chứa flo. Dưới điều kiện nhiệt độ cao trong lò đốt, chúng chuyển hóa thành khí axit HCl và HF. Lưu huỳnh đioxit được sinh ra từ việc đốt cháy chất thải chứa lưu huỳnh ở nhiệt độ cao. Đối với các khí axit như HCl và HF, SO2, dung dịch sữa vôi (Ca(OH)2), xút (NaOH) hoặc đá vôi CaCO3 được sử dụng để trung hòa axit.
2 HCl + Ca(OH)2 → CaCl2 + 2 H2O
2 HF + Ca(OH)2 → CaF2 + 2 H2O
SO2 + Ca(OH)2 → CaSO3 + 1/2 H2O
- Một chất nguy hiểm cần được kiểm soát trong khí thải của lò đốt là dioxin/furan. Chúng sinh ra trong quá trình đốt cháy các loại rác hữu cơ chứa clo. Công nghệ đốt rác hiện nay cho phép kiểm soát lượng dioxin phát thải thấp khi kiểm soát được 3 yếu tố quan trọng nhất, còn gọi là nguyên tắc 3T, nhiệt độ (Temperature) – thời gian (Time) – khuấy trộn (Turbulence). Nhiệt độ của khí thải trong lò đốt (tại buồng đốt thứ cấp) ít nhất phải đạt được 850°C trong thời gian 2 giây hoặc 1100°C trong thời gian 1 giây để phá hủy cấu trúc phân tử dioxin. Sự khuấy trộn trong buồng đốt thúc đẩy quá trình đốt diễn ra hoàn toàn.
- Khí thải sau khi ra khỏi buồng đốt thứ cấp có nhiệt độ rất cao, được làm mát trong bộ siêu nhiệt, nhiệt độ cao làm nóng hơi nước đến 400 °C ở áp suất 40 bar để quay tuabin phát điện (đối với công nghệ đốt rác phát điện). Tại thời điểm này, khí thải có nhiệt độ khoảng 200°C và được đưa đến hệ thống làm sạch khí thải [3]. Dioxin/Furan trong khí thải sẽ được tái tổ hợp ở khoảng nhiệt độ 500-200°C, do vậy, để ngăn cản việc tái tổ hợp, khí thải phải được hạ nhanh nhiệt độ. Than hoạt tính được phun vào và trộn đều với khí thải mục đích để hấp phụ lượng dioxin xót lại và thủy ngân. Ngoài ra, dioxin còn tồn tại trong tro bay và xỉ đáy lò của lò đốt chất thải.
- Pin, thiết bị điện tử, nhiệt kế thủy ngân,… là các nguồn thủy ngân trong rác thải. Thủy ngân dễ dàng bay hơi hoàn toàn vào khí thải và bị oxy hóa, 2 dạng oxy hóa của thủy ngân quan trọng nhất là HgO và HgCl. Than hoạt tính được phun vào khí thải để hấp phụ thủy ngân và dioxin còn xót lại. Dưới 2% thủy ngân nằm trong xỉ đáy lò, 70-90% được thải vào tro bay và đi vào hệ thống hấp phụ than hoạt tính, dưới 10% phát thải ra ngoài môi trường.[7]
b) Chất thải rắn
Xỉ đáy lò là phần chất thải không thể đốt tiếp được tách ra từ đáy buồng đốt sơ cấp. Tro bay là phần chất thải bị cuốn theo khí thải nóng đi vào hệ thống xử lý khí thải, cùng với than hoạt tính sau khi hấp phụ, chúng được tách bằng hệ thống lọc bụi túi. Tro bay chứa thủy ngân, kim loại nặng và dioxin nên được coi là chất thải nguy hại, được đóng rắn trước khi chôn lấp. Ngược lại, xỉ đáy lò được coi là chất thải rắn thông thường, có thể tận dụng làm vật liệu xây dựng, san lấp mặt bằng.
c) Nước thải
Nước thải phát sinh trong nhà máy đốt rác bao gồm nước rỉ rác và nước làm mát. Nước rỉ rác sinh ra do quá trình phân hủy phần hữu cơ trong CTRSH. Nước rỉ rác được thu gom từ hố chứa rác đưa đến cơ sở xử lý riêng bao gồm các quá trình xử lý yếm khí, xử lý hiếu khí và xử lý qua hệ thống màng lọc MBR. Nước thải đầu ra đạt tiêu chuẩn xả thải ra môi trường hoặc được tuần hoàn tái sử dụng trong nhà máy.
Đối với lò đốt chất thải tầng sôi và tầng sôi tuần hoàn, nước rỉ rác có thể được đốt chung với rác thải. Trong trường hợp lượng nước rỉ rác quá lớn, nước rỉ được tách riêng và vận chuyển đến cơ sở xử lý.
Nước làm mát trong quá trình hạ nhiệt khí thải nóng và thiết bị được giải nhiệt và xử lý vật lý và hóa học để tuần hoàn tái sử dụng.
d) Mùi
Mùi phát sinh chủ yếu từ quá trình phân hủy CTRSH trong hầm chứa ở điều kiện yếm khí sinh ra cá khí có mùi hôi như H2S, NH3,…. Các biện pháp kiểm soát mùi được thực hiện như duy trì áp suất hầm chứa rác ở áp suất âm, xây dựng hầm chứa rác thật kín và thường xuyên phun dung dịch vi sinh hỗ trợ quá trình phân hủy.
Nhung Nguyễn tổng hợp
Tài liệu tham khảo
[1] Báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia năm 2019, Chuyên đề: Quản lý chất thải rắn sinh hoạt, Bộ TN&MT, Nhà xuất bản Dân trí – 2020.
[2] Chỉ thị 2000/76 EC của Hội đồng nghị Viện Châu Âu về đốt chất thải, 2000.
[3] Moving gate Incineration: The Most Common WTE Technology https://www.bioenergyconsult.com/moving-grate-incineration/
[4] El-Haggar, Salah. (2007). Sustainable Industrial Design and Waste Management. Chapter 1 – Current Practice and Future Sustainability. P.1-19. https://doi.org/10.1016/B978-012373623-9/50003-4
[5] Leckner, Bo & Lind, Fredrik. (2020). Combustion of municipal solid waste in fluidized bed or on grate – A comparison. Waste Management. 109. 94-108. 10.1016/j.wasman.2020.04.050.
[6] Yong CHI, Professor, College of Energy Engineering Zhejiang University, Hangzhou, China. Fluidized Bed Combustion of MSW. https://sustainabledevelopment.un.org › documents
[7] Quina, Margarida & Bordado, João & Quinta-Ferreira, Rosa. (2011). Air Pollution Control in Municipal Solid Waste Incinerators. DOI: 10.5772/17650.
