Nghiên cứu thiết kế, chế tạo tổ hợp thiết bị nhiệt phân nhiệt độ thấp tái chế phế thải giầy da thành nhiên liệu

iải pháp tái xử lý, lượng phế thải này sẽ là một trong những nguyên nhân gây ơ nhiễm mơi trường nghiêm trọng với các khu vực xung quanh. Bằng nghiên cứu thực nghiệm, Viện Nghiên cứu Cơ khí (NARIME) đã thiết kế, chế tạo tổ hợp thiết bị nhiệt phân, ứng dụng xử lý chất thải cĩ nguồn gốc hữu cơ, tiêu biểu là phế thải da thuộc thành các sản phẩm dạng nhiên liệu. Ngồi ra, tổ hợp thiết bị thân thiện mơi trường, quá trình hoạt động khơng tạo ra ơ nhiễm thứ cấp. Kết quả chạy khảo nghiệm trên tổ hợp thiết bị đã chế tạo xử lý phế thải da thuộc từ nhà máy gia cơng sản xuất giầy da cho sản phẩm dầu, khí và than nhiệt phân cĩ giá trị nhiệt trị tương đương các nhiên liệu truyền thống. Kết quả của đề tài là tiền đề quan trọng cho việc xây dựng giải pháp tái sử dụng chất thải nguồn gốc hữu cơ khĩ phân hủy như phế thải da thuộc. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong những năm gần đây, ngành Da-Giày Việt Nam đã tăng trưởng mạnh mẽ, một mặt gĩp phần tích cực cho sự phát triển của đất nước, mặt khác đã làm phát sinh lượng chất thải rắn khĩ phân hủy ngày càng lớn. Ngành Da-Giày Việt Nam tập trung chủ yếu vào gia cơng xuất khẩu. Các nhà máy sau khi nhận nguyên phụ liệu từ đối tác nước ngồi (hoặc trực tiếp mua tồn bộ hay một phần nhỏ nguyên liệu) sẽ tiến hành tổ chức gia cơng sản xuất sử dụng nhiều chất độc hại, các chất chứa kim loại nặng nên phát thải chất thải rắn, nhất là chất thải rắn khĩ phân hủy (cao su, vụn xốp, da thuộc) Chất thải rắn trong quá trình sản xuất giầy dép, túi ví da chủ yếu là chất thải rắn sinh hoạt và chất thải rắn phát sinh trong quá trình sản xuất như các loại bavia, đế giầy, dép bằng các vật liệu như da thuộc, cao su Vì vậy, việc tạo ra thiết bị xử lý, tái chế hiệu quả phế thải nguồn gốc hữu cơ như da thuộc đang được các nhà khoa học, nhà quản lý và các doanh nghiệp hết sức quan tâm. Hiện nay, phương án xử lý chủ yếu được áp dụng đối với các thành phần hữu cơ khĩ phân hủy là phương án chơn lấp hoặc đốt thiêu hủy. Tuy nhiên, với phế thải da thuộc, thời gian phân hủy kéo dài đến hàng chục năm cùng lượng nước rỉ rác lớn phát sinh đã làm các bãi chơn lấp quá tải. Với phương án đốt thiêu hủy, chỉ cĩ khu xử lý tại các đơ thị lớn là đầu tư lị đốt nhưng khơng đủ cơng suất xử lý cũng như hiệu quả xử lý khĩi lị khơng cao, làm phát sinh ơ nhiễm khơng khí với các khí độc như SO2, CO2, dioxin, 90 Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2014 Kjt qu` nghiên c~u KHCN furan... Đặc biệt, phương pháp đốt thiêu hủy phế thải da thuộc gây ra vấn đề ơ nhiễm khơng khí nghiêm trọng do sự phát thải Crơm hĩa trị sáu (Cr6+), hợp chất hữu cơ halogen, hydrocarbon thơm vào mơi trường. Các kết quả nghiên cứu trên thế giới đã cho thấy, trong quá trình đốt thiêu hủy phế thải da thuộc ở 800°C, cĩ 40% Cr3+ được chuyển đổi thành Cr6+. Các loại sản phẩm chính độc hại hình thành từ Cr3+ trong quá trình đốt là Cr2(SO4)3, CrOCl2 và Cr2O3. Đây là các chất mà sau đĩ bị chuyển đổi thành Cr6+, phát tán trong mơi trường, dễ dàng xâm nhập vào các tế bào sống, gây ảnh hưởng độc hại cho tế bào và là nguyên nhân gây ra nhiều bệnh ung thư khác nhau. Tiếp xúc ngắn trên mức ơ nhiễm tối đa, Cr6+ gây ra tình trạng dị ứng nặng hoặc lở loét da và dạ dày. Tiếp xúc lâu dài trên mức ơ nhiễm tối đa cĩ thể gây ra viêm da, tổn thương gan, suy thận, phá hủy mơ thần kinh và tử vong [1]. Nhằm khắc phục nhược điểm của các phương pháp nêu trên, một trong những phương pháp đang được hướng tới sử dụng trên thế giới là cơng nghệ nhiệt phân nhiệt độ thấp với việc tái sử dụng năng lượng chất thải cơng nghiệp. Bài báo này trình bày kết quả của đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo tổ hợp thiết bị nhiệt phân nhiệt độ thấp tái chế phế thải giày da thành nhiên liệu” do nhĩm tác giả của Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Cơng thương thực hiện. II. ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ NHIỆT PHÂN NHIỆT ĐỘ THẤP TRONG PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ NHIỆT PHÂN XỬ LÝ PHẾ THẢI TỪ GIA CƠNG SẢN XUẤT GIẦY DA Cơng nghệ nhiệt phân nhiệt độ thấp được coi là tiềm năng trong các cơng nghệ xử lý với mục đích tái sử dụng năng lượng chất thải cơng nghiệp và chất thải sinh hoạt nguồn gốc hữu cơ do mức độ tiêu thụ năng lượng cho quá trình xử lý thấp, cơng nghệ xử lý khơng phát sinh ơ nhiễm thứ cấp, tỷ lệ chơn lấp nhỏ và sản phẩm nhiệt phân cĩ giá trị sử dụng cũng như cĩ giá trị kinh tế. Thiết bị nhiệt phân là cơ sở và là chìa khĩa quyết định hiệu quả tái chế chất hữu cơ về tỷ lệ sản phẩm nhiệt phân rắn, lỏng, khí tạo thành và giá trị sử dụng của chúng Hiện nay, tồn tại nhiều loại thiết bị nhiệt phân cĩ cấu tạo và nguyên lý làm việc khác nhau. Theo nguyên tắc phản ứng chính là truyền nhiệt giữa nguồn nhiệt và khối lượng chất hữu cơ được xử lý, các thiết bị cĩ thể được chia thành dạng thiết bị nhiệt phân gia nhiệt gián tiếp (truyền nhiệt từ bên ngồi thiết bị) và thiết bị nhiệt phân gia nhiệt trực tiếp (truyền nhiệt đối lưu trực tiếp trong lịng thiết bị)[2]. Mỗi thiết bị đều cĩ ưu nhược điểm riêng, tuy nhiên, cho đến nay chưa cĩ thiết bị nào được cơng nhận là thiết bị nhiệt phân lý tưởng. Vì vậy, việc phát triển thiết bị nhiệt phân đáp ứng các tiêu chí về kỹ thuật (hiệu quả xử lý, mức độ cơ khí - tự động hĩa...), về kinh tế (chi phí đầu tư, vận hành, xử lý chất thải thứ cấp, giá trị sản phẩm tái chế, thị trường tiêu thụ sản phẩm nhiệt phân...) và về an tồn, thân thiện mơi trường (chỉ số an tồn kỹ thuật, chỉ số thân thiện mơi trường...), dễ dàng mở rộng trong cơng nghiệp vẫn được coi là trọng tâm của việc nghiên cứu và là một trong những hướng chính của cơng nghệ nhiệt phân trên tồn thế giới. III. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ NHIỆT PHÂN BẰNG THỰC NGHIỆM Đối tượng được lựa chọn tiến hành nghiên cứu là phế thải da thuộc thu gom từ nhà Hình 1. Phj th`i da thuwc t quá trình gia cơng s`n xuat giby da Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2014 91 Kjt qu` nghiên c~u KHCN máy gia cơng sản xuất giầy da xuất khẩu. Đây là phế thải nguồn gốc hữu cơ cĩ tỷ lệ lớn trong thành phần CTR cơng nghiệp phát sinh từ quá trình gia cơng giày da. Chế tạo tổ hợp thiết bị nhiệt phân nhiệt độ thấp được thực hiện trên cơ sở kết quả nghiên cứu thực nghiệm, kết quả nghiên cứu tính tốn thiết kế tại Trung tâm Cơng nghệ và Thiết bị Mơi trường, Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Cơng Thương. Tổ hợp thiết bị nhiệt phân nhiệt độ thấp cơng suất 50 kg/mẻ đã được chế tạo (h.2) và chạy khảo nghiệm xử lý các đối tượng phế thải nguồn gốc hữu cơ như da thuộc, cao su, nhựa Tổ hợp thiết bị nhiệt phân này được thiết kế chế tạo hoạt động theo nguyên lý hĩa hơi chất hữu cơ bằng cách gia nhiệt gián tiếp từ bên ngồi lị phản ứng, sau đĩ hơi nhiệt phân được phân ly, ngưng tụ để tách các pha rắn, lỏng, khí trong hỗn hợp hơi - khí nhiệt phân tạo thành. Với tiêu chí thiết kế mở, dễ dàng điều chỉnh, hiệu chỉnh các thơng số, mức độ tự động hĩa kiểm sốt, điều khiển chế độ hoạt động trong quá trình vận hành cao, tổ hợp thiết bị pilot nhiệt phân nhiệt độ thấp xử lý chất thải cĩ nguồn gốc hữu cơ được xây dựng gồm các thiết bị chính như sau: (1) Lị phản ứng nhiệt phân; (2) Buồng cấp nhiệt; (3) Thiết bị phân ly I; (4) Thiết bị ngưng tụ dạng gián tiếp; (5) Thiết bị hấp thụ-ngưng dầu trực tiếp; (6) Thiết bị phân ly III; (7) Hệ thống tái sử dụng khí nhiệt phân làm nhiên liệu cho tổ hợp. Nguyên lý ho_t đwng: Nguyên liệu được đưa vào lị phản ứng nhiệt phân với khối lượng 50kg/mẻ. Sau khi nhận đủ khối lượng chất thải rắn cần xử lý, nắp lị phản ứng nhiệt phân được đĩng kín, khởi động bộ phận cấp nhiệt. Nhiệt độ của lị phản ứng được cài đặt theo giá trị định trước tại tủ điều khiển. Nhiên liệu được sử dụng cho đầu đốt cấp nhiệt là dầu DO (hoặc dầu nhiệt phân) và khí nhiệt phân khơng hĩa lỏng được cịn lại trong quá trình hoạt động của hệ thống thiết bị. Khí thải (sản phẩm cháy) từ buồng cấp nhiệt theo hệ thống đường ống qua bộ phận xử lý khí thải dùng than hoạt tính và được thải ra mơi trường qua ống khĩi. Phản ứng nhiệt phân xảy ra khi nhiệt độ trong lị phản ứng đạt giá trị nhiệt độ nhiệt phân đã thiết lập. Phế thải da thuộc bị nhiệt phân thành hỗn hợp khí - hơi nhiệt phân đi ra khỏi lị phản ứng sang hệ thống thiết bị phân ly, ngưng tụ hĩa lỏng, phần cịn lại là than nhiệt phân ở lại trong lị phản ứng sẽ được lấy ra ở giai đoạn kết thúc mẻ nhiệt phân bằng bộ phận tháo tro ở đáy lị và chuyển vào thùng chứa. Hỗn hợp khí - hơi nhiệt phân sau khi ra khỏi lị phản ứng qua cửa ra khí ở đỉnh lị đi qua thiết bị phân ly I – cyclone đơn – Hình 2. Tu h{p thijt bp nhint phân nhint đw thap do NARIME thijt kj chj t_o 92 Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2014 Kjt qu` nghiên c~u KHCN tách phần tro than bị cuốn theo trong quá trình chuyển động của dịng khí-hơi. Phần tro than (nếu cĩ) được tách bởi thiết bị phân ly I sẽ chuyển đến thùng chứa. Hỗn hợp khí-hơi nhiệt phân đã được tách tro than sẽ qua cửa ra ở đỉnh thiết bị phân ly I, chuyển sang thiết bị ngưng tụ dạng gián tiếp, thiết bị hấp thụ - ngưng dầu dạng trực tiếp để thu dầu nhiệt phân. Phần khí nhiệt phân khơng hĩa lỏng được cịn lại sẽ di chuyển sang thiết bị phân ly III - cĩ nhiệm vụ tách pha lỏng và pha khí, pha lỏng chảy theo đường ống ra ngồi, khí nhiệt phân được đi tiếp đến buồng cấp nhiệt làm nhiên liệu cho quá trình cháy cấp nhiệt cho quá trình nhiệt phân. Sản phẩm dầu nhiệt phân sẽ được đưa vào bình chứa sản phẩm hoặc cung cấp cho buồng cấp nhiệt làm nhiên liệu. Cặn dầu được thu gom riêng và chuyển vào lị phản ứng để nhiệt phân trong mẻ tiếp theo. Nhen xét: Kết quả thực nghiệm cho thấy, phế thải da thuộc trên kém bền với nhiệt nên dễ bị phân hủy bởi nhiệt. Ở chế độ nhiệt độ thích hợp (trong khoảng 280 – 4000C), áp suất thấp (< 1 at), trong mơi trường khơng cĩ oxy hoặc thiếu oxy, phế thải da thuộc bị phân hủy (phản ứng cracking nhiệt) tạo thành than bán cốc, dầu nhiệt phân (sau ngưng tụ) cĩ hàm lượng lưu huỳnh rất thấp và khí nhiệt phân (khí tổng hợp cĩ đặc tính hĩa lý như khí biogas) [2, 3]. Các sản phẩm này đều cĩ giá trị về mặt năng lượng: nhiệt trị than nhiệt phân cĩ giá trị tương đương nhiệt trị than cám 5, nhiệt trị dầu nhiệt phân cĩ giá trị gần bằng nhiệt trị dầu FO, DO; lượng khí nhiệt phân lớn được quay lại sử dụng trực tiếp đốt gia nhiệt cho quá trình nhiệt phân, gĩp phần giảm chi phí vận hành. Sản phẩm cháy của dầu, khí và than nhiệt phân qua quan trắc, đo đạc phân tích đều an tồn về các chỉ tiêu phát thải, hồn tồn cĩ thể sử dụng làm nhiên liệu đốt. Kết quả quan trắc, đo đạc phân tích được thể hiện trong các bảng 1, 2, 3, 4. Mặt khác, qua nghiên cứu thực nghiệm đã xác định được khoảng nhiệt độ diễn ra quá trình nhiệt phân, chế độ nhiệt độ phù hợp với mục tiêu tạo tỷ lệ sản phẩm dầu nhiệt phân nhiều nhất; hướng điều chỉnh chế độ nhiệt độ nhiệt phân và tốc độ nâng nhiệt để thu được tỷ lệ nhiều hay ít khí hoặc than nhiệt phân đối với phế thải da thuộc. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm của đề tài đã được sử dụng làm cơ sở xây dựng yêu cầu và định mức thiết kế hệ thống thiết bị nhiệt phân (chế độ nhiệt độ nhiệt phân, tốc độ nâng nhiệt của lị phản ứng nhiệt phân). B`ng 1. Kjt qu` phân tích dbu nhint phân da thuwc 2 Chỉ tiêu phân tích Phương pháp thử Đơn vị Dầu nhiệt phân da thuộc Nhiệt độ chớp cháy cốc kín ASTM D 93 - 10 oC < 25 Nhiệt trị ASTM D 240 - 07 kcal/kg 7878 Hàm lượng lưu huỳnh ASTM D 129 - 00 %KL 0,041 B`ng 2. Kjt qu` phân tích than nhint phân phj th`i da thuwc 3 Chỉ tiêu phân tích Phương pháp thử Đơn vị Than cám 5 Than nhiệt phân da thuộc Hàm lượng tro ASTM D 3174 % kh. lg 26 – 33 43,99 Nhiệt trị ASTM D 240 – 072/ D48063 kcal/kg 5.500 5804 Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2014 93 Kjt qu` nghiên c~u KHCN Ghi chú: 1: Kết quả phân tích do Trạm Quan trắc và Phân tích Mơi trường lao động, Viện Nghiên cứu KHKT Bảo hộ lao động – WEMOS thực hiện; 2: Kết quả phân tích do VILAS 067 - Phịng Thử nghiệm Hĩa chất và Vật liệu, Trung tâm Phụ gia Dầu mỏ, Viện Hĩa học Cơng nghiệp Việt Nam thực hiện; 3: Kết quả phân tích do phịng Nhiên liệu – Dầu – Mỡ, Viện Hĩa học – Vật liệu, Bộ Quốc Phịng thực hiện) Qua kết quả chạy khảo nghiệm, đo đạc, phân tích và quan trắc cho phép kết luận: - Tổ hợp thiết bị nhiệt phân nhiệt độ thấp đã chế tạo được thiết kế đồng bộ, hợp lý. Các thơng số hoạt động điều khiển phù hợp cho phế thải da thuộc. Các chỉ số phát thải của tổ hợp thiết bị nằm trong chỉ tiêu quy chuẩn Việt Nam cho phép đối với lị đốt chất thải cơng nghiệp; - Sản phẩm nhiệt phân: than, dầu, khí cĩ giá trị sử dụng về mặt nhiên liệu đốt. Sản phẩm cháy của các dạng sản phẩm nhiên liệu nhiệt phân thu được nằm trong chỉ tiêu phát thải quy chuẩn Việt Nam quy định. - Cĩ thể sử dụng tổ hợp thiết bị nhiệt phân trong các nhà máy xử lý chất thải và trong nhà máy cĩ sử dụng nhiên liệu đốt truyền thống. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Young Gary.C. (2010). Municipal solid waste to energy conversion processes. John Wiley & Sons,Inc., Hoboken, NewJersey. [2]. Thomas P. Wampler (2007). Applied Pyrolysis Handbook. CRC Press Taylor & Francis Group. [3]. Nguyễn Hữu Đĩnh, Đỗ Đình Rãng (2003). Hĩa học hữu cơ. NXB. Giáo dục. Hà Nội. B`ng 4. Kjt qu` quan trfc khí th`i tu h{p thijt bp nhint phân phj th`i da thuwc1 Vị trí lấy mẫu Thông số Đơn vị Kết quả QCVN 30:2010/ BTNMT Nhiệt độ oC 48 - Bụi (TSP) trung bình 53,58 150 SO2 0 300 NOx 1,06 500 Trong ống khói thải tổ hợp thiết bị nhiệt phân khi đốt dầu và khí nhiệt phân CO mg/Nm3 24,66 300 B`ng 3. Kjt qu` phân tích s`n phcm cháy khí nhint phân 1 Chỉ tiêu phân tích Thiết bị phân tích Đơn vị QCVN 19:2009 SPC khí nhiệt phân da thuộc SO2 SA633 Kimoto electric Co., LTD mg/m3 500 85,3 NOx NA 623 Kimoto electric Co., LTD mg/m3 850 38,1 CO CO ZRF Kimoto electric Co., LTD mg/m3 1.000 66,8 IV. KẾT LUẬN Bài báo đã giới thiệu kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo và chạy khảo nghiệm tổ hợp thiết bị nhiệt phân nhiệt độ thấp xử lý phế thải da thuộc phát sinh từ quá trình gia cơng sản xuất giầy da.