Mô đun điện-rác thông qua RDF sản xuất từ chất thải rắn ở nông thôn
GS. Bùi Văn Ga
Đại học Đà Nẵng
Giới thiệu
Xử lý chất thải rắn trong sinh hoạt và sản xuất nói chung và xử lý chất thải rắn ở nông thôn nói riêng đang là vấn đề rất bức xúc trong thực tế. Hiện nay nước ta vẫn chưa có một mô hình xử lý rác bền vững để có thể áp dụng rộng rãi. Chôn lấp rác đã tạo ra sức ép rất lớn về quỹ đất và những hệ lụy đối với môi trường, nhất là những bãi chôn lấp rác không đúng qui cách hợp vệ sinh. Đốt rác theo kiểu truyền thống luôn đi kèm công nghệ xử lý khí thải tốn kém và lượng chất thải rắn còn lại phải chôn lấp chiếm tỉ lệ lớn. Việc đốt rác sinh hoạt hoặc chất thải rắn sản xuất ở nông thôn trong không gian hở, không được kiểm soát vừa gây ô nhiễm môi trường, vừa gây lãng phí năng lượng.
Trước thực trạng nêu trên, năm 2018, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 491/QĐ-TTg phê duyệt điều chỉnh chiến lược quốc gia về quản lý tổng hợp chất thải rắn đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2050. Quyết định nêu ưu tiên ứng dụng các công nghệ xử lý chất thải rắn tiên tiến, thân thiện môi trường; lựa chọn các công nghệ xử lý chất thải rắn kết hợp với thu hồi năng lượng, giảm phát thải khí nhà kính. Đối với chất thải rắn sinh hoạt nông thôn Quyết định nêu mục tiêu 80% lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh tại khu dân cư nông thôn tập trung được thu gom, lưu giữ, vận chuyển, xử lý đáp ứng yêu cầu bảo vệ môi trường; việc đầu tư xây dựng mới cơ sở xử lý chất thải rắn sinh hoạt phải đảm bảo tỷ lệ chôn lấp sau xử lý không quá 20%. Như vậy theo tinh thần quyết định này thì định hướng nghiên cứu công nghệ xử lý chất thải rắn nói chung và ở nông thôn nói riêng là giảm thiểu chất thải chôn lấp kết hợp thu hồi năng lượng trong rác thải. Vì thế, sản xuất điện năng từ chất thải rắn, gọi tắt là điện-rác, thuật ngữ quốc tế chuyên môn thường viết tắt là WtE, phù hợp với chủ trương của Chính phủ.
Bên cạnh đó, để chung tay cùng công đồng quốc tế cắt giảm phát thải các chất khí gây hiệu ứng nhà kính nhằm giữ cho nhiệt độ bầu khi quyển tăng không quá 2°C vào cuối thế kỷ này, tại Hội nghị Thượng đỉnh về biến đổi khí hậu COP26 diễn ra ở Glasgow mới đây, Việt Nam đã cam kết thực hiện các cơ chế theo Thỏa thuận Paris, để đạt mức phát thải ròng bằng 0 (Net Zero) vào năm 2050. Trọng tâm của các chiến lược này là chuyển đổi nhanh chóng và sâu rộng các hệ thống năng lượng, bao gồm giảm mạnh việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, điện khí hóa rộng rãi các lĩnh vực sử dụng năng lượng đầu cuối và khống chế mức phát thải carbon. Vì vậy, xây dựng nền kinh tế tuần hoàn, thu hồi năng lượng từ chất thải rắn sẽ góp phần thực hiện đồng thời hai mục tiêu: giảm lượng chất thải rắn phải chôn lấp và giảm phát thải các chất khí gây hiệu ứng nhà kính.
Tài liệu này giới thiệu kết quả nghiên cứu thu hồi năng lượng từ chất thải rắn ở nông thôn thông qua sản xuất RDF. Nhiên liệu syngas thu hồi từ khí hóa RDF được sử dụng riêng rẽ hoặc phối hợp với các nguồn năng lượng tái tạo khác như biogas, hydrogen để sản xuất điện năng thông qua động cơ đốt trong. Chất lượng syngas phụ thuộc vào biomass đầu vào và điều kiện khí hóa. Biomass rất đa dạng và khác biệt về tính chất. Ngay cùng một loại biomass, tính chất của chúngcũng có thể khác nhautheo mùa vụ, điều kiện môi trường… Trên thực tế, tính không đồng nhất của sinh khối là một trong những nhược điểm của quá trình khí hóa vì rất khó xác định các điều kiện vận hành tối ưu và các đặc tính của sản phẩm cuối cùng. Sự thay đổi thành phần nhiên liệu sẽ ảnh hưởng đến tính năng quá trình cháy và phát thải ô nhiễm của động cơ. Đó là những thách thức cần có được xử lý để góp phần thực hiện việc thu hồi năng lượng từ biomass.
1. Nghiên cứu mô phỏng lò khí hóa RDF sinh khối
2. Nghiên cứu thực nghiệm lò khí hóa RDF sinh khối
3. Nghiên cứu mô phỏng quá trình cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy động cơ syngas
4. Cải tạo động cơ đánh lửa cường bức tĩnh tại thành động cơ syngas
5. Kết luận
- Thu hồi năng lượng từ chất thải rắn thông qua sản xuất viên nén nhiên liệu RDF là giải pháp công nghệ xử lý triệt để chất thải rắn, giảm tối đa chất thải cần phải chôn lấp và hạn chế phát thải các chất khí gây ô nhiễm.Phương án sử dụng năng lượng thu hồi từ chất thải rắn như một cấu phần của hệ thống năng lượng tái tạo hybrid (HRES) khắc phục được nhược điểm không liên tục của nguồn năng lượng tái tạo. Chế biến chất thải rắn thành RDF rồi khí hóa chúng thành syngas để sử dụng chung với hỗn hợp biogas, hydrogen tái tạo là giải pháp hiệu quả để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng tái tạo.
- Thành phần rác thải nước ta phần lớn chứa các chất hữu cơ nên việc chế biến rác thải thành viên nén nhiên liệu RDF có nhiều lợi thế so với các phương pháp xử lý rác khác như nhiệt trị RDF cao, có thể sử dụng linh hoạt nhiên liệu RDF để sử dụng cho những mục đích khác nhau.Phụ thuộc vào vật liệu chế tạo viên nén, nhiệt độ khuôn ép tối ưu thay đổi từ 375K đến 475K; độ ẩm của nguyên liệu để ép viên nén khoảng 20% là phù hợp.
- Đối với nguyên liệu đầu vào chứa 60% biomass, 20% giấy, 10% nhựa thì áp suất ép khoảng 100bar và nhiệt độ khuôn ép duy trì ở 375K sẽ cho viên nén có độ bền cơ học tốt, độ xốp cao, dễ bén lửa. Khi thành phần nhựa trong nguyên liệu đầu vào tăng lên 20% thì nhiệt độ của khuôn ép tăng lên 475K và áp suất ép 130 bar sẽ cho viên nén RDF có bề mặt nhẵn, vật liệu bền chặt, mật độ năng lượng cao. Đối với chất thải rắn từ sản xuất ở nông thôn không chứa thành phần nhựa thì nguyên liệu cần được nghiền nhỏ, độ ẩm duy trì ở 20%, nhiệt độ khuôn khoảng 400-420K và áp suất ép khoảng 140 bar để đảm bảo viên nén nhiên liệu có độ bền chặt, chịu được tác động cơ học.
- Khi khí hóa sọ dừa, nếu giảm hệ số không khí dư ER thì hàm lượng CH4 trong syngas tăng còn hàm lượng H2 giảm. Nhiệt trị nhiên liệu tăng nhanh khi giảm ER từ 0,9 đến 0,4. Nếu tiếp tục giảm ER thì nhiệt trị syngas hầu như thay đổi không đáng kể do giảm H2 và tăng CO2. Vì vậy để đảm bảo hiệu quả khí hóa sọ dừa thì ER nằm trong khoảng 0,3 đến 0,4.
- Nhiệt độ khu vực hoàn nguyên tối ưu khi khí hóa sinh khối nói chung nằm trong khoảng từ 900K-1000K. Khi nhiệt độ vùng hoàn nguyên nhỏ hơn 900K thì nhiệt trị syngas giảm nhanh. Khi nhiệt độ khu vực hoàn nguyên tăng thì hàm lượng CO tăng nhưng hàm lượng CH4 giảm, nhiệt trị của syngas chỉ tăng rất nhẹ khi nhiệt độ khu vực hoàn nguyên lớn hơn 1000K.
- Khi khí hóa hỗn hợp RDF 90% gỗ+10% trấu thì thành phần hỗn hợp tối ưu khoảng 0,4. Khi tỉ lệ RDF trấu trong hỗn hợp tăng thì thành phần CH4 trong syngas giảm rất nhanh theo f dẫn đến sự tụt giảm mạnh nhiệt trị của nhiên liệu. RDF trấu cho thành phần CO và H2 cao hơn gỗ nhưng thành phần CH4 trong syngas RDF gỗ cao hơn trong syngas RDF trấu. Nhiệt trị của syngas từ khí hóa trấu nhỏ hơn nhiệt trị syngas từ khí hóa gỗ (6,82 MJ/kg so với 7,21 MJ/kg).
- Syngas có nhiệt trị thấp, tỉ lệ không khí/nhiên liệu thấp; thành phần của các chất khí trong syngas thay đổi trong phạm vi rộng phụ thuộc vào biomass cũng như khi sử dụng chung với biogas, hydrogen. Vì vậy động cơ sử dung syngas hay syngas-biogas-hydrogen cần có hệ thống điều khiển quá trình cung cấp nhiên liệu, quá trình đánh lửa một cách linh hoạt để đảm bảo hiệu suất cao và phát thải ô nhiễm thấp.Các giải pháp cấp nhiên liệu truyền thống kiểu bộ chế hòa khí và đánh lửa cố định kiểu magneto không phù hợp với động cơ syngas nói riêng và động cơ syngas-biogas-hydrogen nói chung.
- Sử dụng vòi phun có đường kính lỗ phun lớn thì phù hợp với syngas nhưng không phù hợp với biogas, hydrogen; sử dụng vòi phun đường kính lỗ phun nhỏ thì ngược lại. Đối với động cơ Honda GX200 khi chuyển sang sử dụng nhiên liệu linh hoạt syngas-biogas-hydrogen thì phối hợp sử dụng 2 vòi phun có đường kính lỗ phun 4mm và 6mm là phù hợp. Góc mở các vòi phun phụ thuộc vào thành phần biogas hay hydrogen có mặt trong hỗn hợp với syngas. Khi tăng các thành phần này thì góc mở vòi phun có đường kính lỗ phun 6mm giảm còn góc mở vòi phun có đường kính lỗ phun 4mm duy trì giá trị cực đại 130°TK đến 70% biogas hay 50% hydrogen, sau đó giảm. Áp suất phun hợp lý là 1 bar.
- Khi khí hóa trực tiếp chất thải rắn trong sản xuất nông lâm nghiệp và chất thải rắn sinh hoạt thì syngas từ gỗ cho công chỉ thị chu trình của động cơ GX200 cao nhất là 141 J/ct rồi giảm dần theo thứ tự đối với syngas từ chất thải sinh hoạt, bã mía, biomass và vỏ trấu. So với khi chạy bằng xăng công suất động cơ giảm 25% khi chạy bằng syngas gỗ và giảm 36% khi chạy bằng syngas vỏ trấu.
- Syngas thu được từ khí hóa RDF biomass có chất lượng tốt hơn syngas thu được từ khí hóa trực tiếp biomass. Công chỉ thị chu trình của động cơ khi chạy bằng syngas nhận được từ khí hóa trực tiếp biomass nhỏ hơn khi chạy bằng syngas khí hóa qua RDF khoảng 18%. Công suất suất động cơ lớn nhất khi chạy bằng syngas từ RDF sọ dừa, giảm 22% so với công suất động cơ khi chạy bằng xăng. Mức giảm công suất này là 26% đối với syngas từ khí hóa RDF bã mía hay rơm.
- Trong tất cả các trường hợp nhiên liệu syngas, phát thải NOx đều rất bé so với các loại nhiên liệu truyền thống. Nồng độ CO, HC chỉ có giá trị đáng kể khi sử dụng hỗn hợp cháy có hệ số tương đương f>1. Hệ số tương đương tối ưu của hỗn hợp syngas-không khí là f=1.05; góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ làm việc bằng syngas js=32°TK.
- Có thể cải tạo động cơ tĩnh tại đánh lửa cưỡng bức truyền thống thành động cơ sử dụng nhiên liệu khí tái tạo một cách linh hoạt nhờ hệ thống điều khiển động cơ gồm một cảm biến xác định mốc thời điểm đánh lửa, cơ cấu điều khiển bướm ga, vòi phun, cụm đánh lửa tích hợp và ECU đơn giản. Để đảm bảo cho vi điều khiển hoạt động ổn định và tin cậy, tất cả kết nối giữa các bộ phận chấp hành và ECU của động cơ đều phải qua bộ chống nhiễu.
- Hệ thống đánh lửa nguyên thủy của động cơ được thay thế bằng cụm đánh lửa tích hợp của ô tô bao gồm bô bine, mạch kích hoạt và đường dây cao áp. Nam châm vĩnh cửu trên bánh đà được sử dụng lại để tạo xung đánh lửa thông qua cảm biện Hall. Hê thống điều tốc được thực hiện thông qua servo motor kết nối với càn điều khiển bướm ga. Chương trình điều tốc cài đặt trong vi điều khiển sẽ tự động điều chỉnh độ mở bướm ga đồng thời với điều chỉnh thời gian phun để đảm bảo thành phần hỗn hợp tối ưu ở bất kỳ chế độ tải nào
