Nhiên liệu thay thế dạng rắn (SRF) sử dụng trong các nhà máy đốt chung

Trong khi phần sinh học của rác sẽ được phân hủy trong các điều kiện có kiểm soát và được chôn lấp trong bãi chôn lấp theo các quy định của TASi thì các phần trung gian sẽ được xử lý nhiệt trong nhà máy đốt rác đô thị (municipal waste incineration - MWI). Phần nhiệt trị cao thu được cũng phải được xử lý để sản xuất nhiên liệu thu hồi dạng rắn (Solid Recovered Fuel - SRF) và sử dụng năng lượng của nó trong các nhà máy nhiệt điện địa phương cũng như các nhà máy sản xuất xi măng. Bài viết này trình bày cách thức mà phương án quản lý rác thải chung đã được thiết lập ra như thế nào đối với các đơn vị vận hành các nhà máy xi măng tại địa phương.

1.     Mở đầu

Tình hình quản lý rác thải hiện nay tại Đức mang tính đặc trưng do phải thực hiện các quy định nghiêm ngặt về môi trường để bảo vệ các quần thể động vật, quần thể thực vật và môi trường sống. Nhưng do có quá nhiều quy định được đề ra một cách vô lý và do thực hiện không đầy đủ nên dự kiến rằng có thể xảy ra các ách tắc trở ngại về công suất khi thực hiện TASi (Quy định pháp lý đối với rác thải đô thị) vì kể từ ngày 1-6-2005, việc chôn lấp bất cứ phế thải hỗn hợp nào có chứa các chất hữu cơ mà không qua xử lý sẽ không được cho phép nữa. Hiện nay, phần sinh học sẽ được phân hủy trong các điều kiện có kiểm soát và được chôn lấp trong các bãi chôn lấp theo quy định của TASi, còn các phần trung gian sẽ được xử lý nhiệt trong nhà máy đốt rác đô thị (MWI). Để bảo đảm việc loại bỏ rác thải một cách liên tục cho số dân khoảng 1 triệu người thì phần nhiệt trị cao thu được sẽ phải được xử lý để sản xuất nhiên liệu thu hồi dạng rắn. Hàm lượng năng lượng của nhiên liệu này có thể được sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện địa phương và các nhà máy xi măng hoặc phần nhiệt trị cao có thể được chuyển sang cho các cơ sở vận hành khác để xử lý thành nhiên liệu thu hồi dạng rắn cho khách hàng của họ.

Ví dụ về sự hợp tác giữa các quận Warendorf và Gutersloh, CHLB Đức, sẽ được sử dụng để trình bày cách thức mà phương án loại bỏ rác thải chung đã được lập ra như thế nào đối với các đơn vị vận hành các nhà máy xi măng tại địa phương. Nhìn chung, toàn bộ dự án phụ thuộc vào sự chấp nhận dự án, kể cả những người phản đối dự án, vì vậy các cơ quan pháp luật đã tham gia vào dự án này ngay từ giai đoạn đầu. Nhưng họ đã nhận thấy sự cần thiết phải - một phần cũng do các yêu cầu chính trị trái ngược nhau – đặt ra các giá trị có thể chấp nhận đối với việc thay thế nhiên liệu trong quá trình đốt. Bên cạnh những vấn đề khác, điều này đã dẫn đến việc phát triển hệ thống đảm bảo chất lượng đồng nhất, kể cả quy trình lấy mẫu cần thiết và các phương pháp phát hiện, cũng như tiếp tục đầu tư vốn vào công nghệ xử lý.

Việc tiếp cận các rác thải nguy hiểm, điều mà nói chung là hợp lý về mặt công nghệ đốt, đã hoàn toàn bị loại trừ trong phương án xử lý này. Do đó, SRF từ nhà máy xử lý Ennigerloh chỉ bao gồm rác thải rắn thu thập từ các hộ gia đình và rác thải khối lớn cũng như rác thải thương mại hỗn hợp. Do nhiệm vụ phải quản lý rác thải công cộng một cách liên tục, một phần ba phần rác thải có nhiệt lượng cao thu được sẽ được bàn giao như sản phẩm trung gian cho các đơn vị vận hành cuối cùng của quá trình để họ cung cấp cho khách hàng của mình, và hai phần ba được bán trực tiếp cho các nhà máy xi măng cũng như các nhà máy nhiệt điện khi các nhà máy này đã sẵn sàng để đốt SRF.

Việc sản xuất và sử dụng SRF trong các ngành công nghiệp địa phương – vốn là những ngành tiêu hao nhiều năng lượng - không chỉ bảo đảm công ăn việc làm nhờ giảm được các chi phí năng lượng mà còn giảm được nhu cầu đối với các cơ sở đốt rác địa phương (MWI) và đối với các diện tích chôn lấp, ngăn ngừa phát thải metan không được kiểm soát tại các bãi chôn lấp rác và giảm tiêu thụ các nguồn năng lượng sơ cấp. Đó chính là phương án đại diện cho phương án năng lượng bền vững trong tương lai để giảm tối thiểu sự phát thải CO_­2.    

2.     Các nguyên lý cơ bản

Một nghiên cứu khả thi đã được thực hiện tại quận Warendorf trong năm 1991, mười ba năm trước khi đưa ra các quy định pháp luật đối với rác thải đô thị. Nghiên cứu khả thi đó đã khảo sát tính khả thi của các hệ thống xử lý rác thải đô thị và rác thải thương mại thông qua việc ổn định hóa và chôn lấp, chỉ đốt riêng trong MWI hoặc thông qua việc xử lý nguyên liệu phế thải thành SRF.

Kết quả đánh giá nghiên cứu khả thi đó cho thấy rằng việc sản xuất SRF từ rác thải đô thị và rác thải thương mại, kể cả xử lý nhiệt đối với phần nặng trong MWI, là giải pháp quản lý rác thải thích hợp nhất về mặt môi trường đối với khu vực này. Mật độ cao của các nhà máy xi măng ở các vùng liền kề cũng như các nhà máy nhiệt điện và các cơ sở đốt rác thải đô thị ở vùng rộng hơn xung quanh đã chứng tỏ là một lợi thế (hình 1).

Các điều kiện về phạm vi công việc theo luật pháp đã được soạn thảo cũng vào khoảng thời gian đó. TASi (quy định pháp lý đối với rác thải đô thị) đã được thông qua vào năm 1993. Thông qua KrW/AbfG1 1994 (Luật xúc tiến hoạt động tái chế và bảo đảm loại bỏ rác thải theo cách tương thích với môi trường) và Quy định về rác thải thương mại, các yêu cầu đã được đề ra đối với các bên liên quan khi sở hữu nguyên liệu phế thải.    

Theo quy định loại bỏ mới này, bất cứ nơi nào hiện đang là nguồn phát sinh rác thải thương mại phải tự chịu trách nhiệm đối với việc sử dụng nguyên liệu phế thải của mình, trong khi đó các đơn vị loại bỏ rác thải theo luật công cộng sẽ chịu trách nhiệm loại bỏ rác thải sinh hoạt và rác thải thương mại cần loại bỏ. Trong thời gian này, định nghĩa rác thải và các lượng sẵn có ở các dạng khác nhau đã thay đổi nhiều lần và – như hiện nay đã được xác định rõ - đã bị sao lãng một cách đáng trách. Năm 1999, các điều kiện về phạm vi công việc đối với việc xử lý rác thải cơ học và sinh học đã được đặt ra với việc „chứng minh tính tương đương của việc đốt rác thải đô thị (MWI) và xử lý theo phương pháp cơ học và sinh học (mechanical and biological treatment - MBT)“. Nhu cầu đối với việc lập kế hoạch, đấu thầu, xây dựng và vận hành nhà máy xử lý rác thải theo phương pháp cơ học và sinh học đã được xác định và sau đó đã được thiết lập ổn định vào năm 2001 ở dạng các quy định về loại bỏ rác thải (tức là AbfAb1V).  

Trong trường hợp đặc biệt, các cơ quan hữu trách có quyền cho phép tiếp tục loại bỏ rác thải không xử lý trong thời gian chuyển tiếp nhằm mục đích thay đổi cơ sở hạ tầng của hệ thống loại bỏ rác thải cho phù hợp với các yêu cầu của quy định pháp lý đối với rác thải đô thị và xác định nhu cầu đối với các cơ sở xử lý tiếp. Điều đó có nghĩa là, các cơ sở xử lý nhiệt bổ sung cần phải được xây dựng trong vòng 12 năm, hoặc trong vòng 4 năm đối với những cơ sở áp dụng công nghệ xử lý cơ sinh học mới mà hiện nay đã được công nhận là tương đương.

Bằng cách đó, các điều kiện về phạm vi công việc đối với quận Warendorf  cũng đã được xác định. Sau đó, năm 2003 khoảng 88,5 triệu Euro đã được đầu tư vào việc xây dựng các nhà máy hiện đại, ví dụ nhà máy sản xuất phân trộn, một trạm tái chế trung tâm và một bãi chôn lấp đáp ứng quy định của TASi, cùng với cơ sở xử lý sơ bộ đối với nước ngầm và thu gom khí để sử dụng trong nhà máy nhiệt điện và cung cấp năng lượng kết hợp, cũng như xây dựng nhà máy chế biến SRF và nhà máy xử lý sinh học liền kề.

 

Hệ thống này theo đuổi một số mục tiêu với các điều kiện tiên quyết như sau:

- thu được nhiên liệu thu hồi dạng rắn, đã thay đổi cho phù hợp với các yêu cầu của người sử dụng, thông qua việc loại bỏ bậc cao các chất có hại

- các chất có hại và bã còn lại được xử lý sinh học sao cho chúng có thể được chôn lấp phù hợp với các quy định của TASi tại Ennigerloh, hoặc

- được xử lý nhiệt trong nhà máy đốt rác thải đô thị để phát điện hoặc để sử dụng hàm lượng năng lượng của chúng.

Sau khi có các kết quả nghiên cứu khoa học và thực tế mới đây, hiện nay quy định về chôn lấp rác thải đã thiết lập các tiêu chí về địa điểm chôn lấp và các yêu cầu về bố trí sắp xếp, tạo điều kiện cho việc sử dụng bã rác thải còn lại từ nhà máy xử lý cơ sinh học, trong trường hợp này đặc biệt là từ nhà máy xử lý sinh học cuối cùng của quá trình. Để đáp ứng các yêu cầu này thì ngày nay điều quan trọng thiết yếu là – ngoài sự phân hủy sinh học các thành phần hữu cơ ở mức cao – tách các thành phần rác thải có nhiệt trị cao, ví dụ chất dẻo, gỗ, giấy, bìa các-tông và những thứ tương tự, gọi là „phần có nhiệt trị cao“.

Việc vận hành thử nghiệm, kể cả đưa vào vận hành nóng, thay đổi tiếp và mở rộng phần cơ học của nhà máy trong ba giai đoạn xây dựng tiếp theo, đã bắt đầu sau khi đưa vào vận hành chính thức trong tháng 4-2001. Nhà máy được thiết kế cho công suất 160.000 tấn/năm đối với rác thải đô thị và rác thải thương mại cũng như rác thải thương mại tương tự rác thải sinh hoạt. Điều đó có nghĩa là khoảng 1 triệu người dân sẽ có mối quan hệ gắn kết với nhà máy chế biến nhiên liệu, kể cả nhà máy xử lý sinh học.

Việc sử dụng hàm lượng năng lượng của phần rác nhiệt trị cao đã thu được, hoặc việc chế biến nó để sản xuất nhiên liệu đảm bảo chất lượng, hoàn toàn không phải là việc “cùng đốt“ một cách đơn giản hoặc “quan hệ 1:1“ giữa nhà cung ứng và khách hàng. Trên thực tế, đó là một hệ thống rất phức tạp, bị ảnh hưởng bởi đầu vào của nhà máy xử lý, chất lượng của công nghệ và các nguyên liệu phế thải, các tính chất nhiên liệu thu được và sự chấp nhận của người sử dụng. Trong quá khứ, việc sử dụng SRF có xu hướng bị chi phối bởi sự phản đối chống phát thải là mục đích chính của công nghệ xử lý. Đó là lý do vì sao từ năm 1999 BGS (Hiệp hội chất lượng liên bang đối với nhiên liệu thứ cấp) đã cố gắng đạt được sự chấp nhận theo góc độ được cho phép về mặt pháp lý (bảng 1) thông qua việc đảm bảo chất lượng một cách minh bạch và thống nhất. Ngày nay, khi hệ thống đốt đồng thời đang ngày càng được chấp nhận thì mối quan tâm chính mới nhất, mà đã được phản ánh như trong phần việc thuộc hệ thống tiêu chuẩn hóa châu âu, là sự miêu tả kỹ thuật khi so sánh với nhiên liệu sơ cấp.

Luật pháp châu âu và luật pháp được áp dụng thực hiện tại các nước thành viên tạo thành khung pháp lý về bảo vệ chống phát thải và phạm vi công việc được phép đối với phương án đốt đồng thời. Phương án này được cân đối về mặt kinh tế nhờ các công việc hậu cần cần thiết. Thành công hoặc thất bại của phương án „đốt đồng thời“ trong các hệ thống đó, sẽ góp phần vào việc thực hiện các quy định pháp lý về rác thải đô thị, căn cứ vào „tính có thể chấp nhận“ của nó. Các đơn vị xử lý, các cơ sở sử dụng cũng như các cơ quan và cộng đồng cần phải có sự hiểu biết đối với nhau.

1.     Phương án kỹ thuật

Trong bộ phận phân loại hai bậc tiếp theo, phần giữa được vận chuyển đến bộ phận phân loại bằng gió, ở đó các nguyên liệu nhẹ, có thể bay (ví dụ màng chất dẻo, giấy,...) sẽ được loại bỏ nhờ lực hút. Phần nặng sẽ được cho đi qua thiết bị tách kiểu đạn đạo một lần nữa, từ đó các thành phần nặng và có tác động cản trở sẽ được loại bỏ để đưa đến nhà máy đốt rác thải đô thị. Các nguyên liệu nhẹ thu được sẽ được vận chuyển đến hệ thống tinh chế để sản xuất nhiên liệu thực sự. Sau khi sàng lại để loại bỏ tiếp các phần mịn và tro cũng như để giảm tải cho thiết bị nghiền sơ bộ, nguyên liệu được cho đi qua hệ thống sấy. Không khí đã gia nhiệt bằng khí ga (có thể là khí ga của bãi chôn lấp rác) sẽ được sử dụng trong máy sấy kiểu trống để sấy phần nhiệt trị cao bị ướt.

Hợp tác với các đơn vị sử dụng là các nhà máy xi măng và nhà máy nhiệt điện, công nghệ chế biến của nhà máy chế biến SRF đã được tối ưu hóa tiếp. Các nguyên liệu nặng và có tác động cản trở, rất mịn và có nhiệt trị cao sẽ được loại bỏ nhờ các phương pháp xử lý cuối dòng bổ sung, sao cho chất lượng được cải thiện tiếp. Các thử nghiệm đã cho thấy các nguyên tố vi lượng được liên kết ở dạng kim loại, như được tìm thấy trong các đồ vật kim loại (ví dụ đồng thau), các thành phần chất dẻo tỷ trọng cao hoặc được bọc phủ cũng như trong các thiết bị có thể được loại bỏ theo phương pháp cơ học nhờ hệ thống phân loại sơ bộ tốt.

Do các giả thiết trước đây là cần phải chứng minh khả năng sử dụng của nhiên liệu dẫn xuất từ rác thải thông qua các phân tích đơn chất điển hình đối với rác thải, một số giá trị định hướng (trong một số trường hợp là tự nguyện) đã được thiết lập mà phải được tuân thủ hoặc đáp ứng tốt hơn. Khi đề ra các giá trị định hướng, điều hoàn toàn không quan trọng là các nguyên tố vi lượng có liên quan với phát thải hay không. Tất cả các bên liên quan cần phải hiểu rõ là do các dòng nguyên liệu phế thải không đồng nhất nên chỉ có thể đạt được sự „tuân thủ“ chắc chắn khi đạt các giá trị thấp hơn nhiều các giá trị định hướng.

đối với chúng tôi, điều đó có nghĩa là cần phải thu thập kinh nghiệm và áp dụng cho các thay đổi tiếp theo trong thời gian ngắn nhất có thể được. Các giá trị trung bình (các thanh màu xanh lá cây) đại diện cho tất cả các nguyên tố vi lượng lúc này nằm thấp một cách an toàn dưới các giá trị cho phép thích ứng (các thanh màu đỏ) ở đầu vào của nhà máy xi măng và nhà máy nhiệt điện địa phương theo văn bản hướng dẫn II của vùng North-Rhine Westphal, ban hành tháng 9-2005 (hình 4).

Sau khi phân loại lặp lại bằng gió (gọi là siêu phân loại) sẽ có hai tùy chọn: sản phẩm sơ bộ khô với cỡ hạt < 80 mm có thể được giao như sản phẩm trung gian cho các đơn vị vận hành SRF khác (nếu cần), hoặc có thể được sản xuất  như sản phẩm hoàn thiện đã nghiền thích hợp. Nhiên liệu thứ cấp sẽ đi qua băng tải vận chuyển đến bộ phận đồng nhất hóa trong kho và sau đó được nạp vào các đống hàng rời, công-ten-nơ ép hoặc công-ten-nơ sàn di chuyển, bằng cách đó có thể sản xuất nhiên liệu với các mức hàm ẩm khác nhau và các phần sinh khối khác nhau với cỡ hạt trong phạm vi < 20-80 mm, có tỷ trọng khối khoảng 0,04 đến 0,20 tấn/m³.

Phần lớn nhiên liệu thứ cấp được sử dụng trong các nhà máy mà thường được thiết kế cho nhiên liệu sơ cấp nghiền mịn. Điều đó có nghĩa là „đốt đồng thời“ không phải là quá trình đốt „thứ cấp“ mà là thách thức nghiêm trọng đối với quá trình nhiệt hiện có để có thể sử dụng hàm lượng năng lượng một cách kinh tế và thân thiện với môi trường. Nếu muốn hệ thống này thành công thì các tính chất của SRF phải được thay đổi cho phù hợp với năng lực đốt của quá trình cụ thể mà trong đó chúng được sử dụng: thời gian lưu, thời gian bốc cháy, phần dễ bay hơi, hàm lượng năng lượng, thành phần tro và khối lượng tro như nguyên liệu tạo xỉ hoặc thành phần nguyên liệu cũng quan trọng như cỡ hạt và tốc độ lắng trong khoang đốt hoặc khoang phản ứng.

Nếu không sẵn có các hỗn hợp nhiên liệu hoặc các tùy chọn bù trừ thông qua các nhiên liệu lỏng thì khi đó SRF sẽ có ảnh hưởng còn lớn hơn đối với toàn bộ các quá trình trong lò quay khi mức thay thế công suất đốt nhiệt ngày càng tăng. Điều này cũng có thể dẫn đến việc đốt clinker trong điều kiện khử. Trước bối cảnh này, các khảo sát sâu hơn đã được thực hiện để giúp miêu tả hoạt động vật lý của nhiên liệu thay thế đối với quá trình „cháy trong khi bay“. Vì nhiên liệu phế thải bao gồm các vật liệu rất khác nhau mà hoặc đã rõ (ví dụ phế thải từ các quá trình sản xuất cụ thể) hoặc không rõ (khi xử lý bã nguyên liệu phế thải), nên chúng có các đường bay khác nhau khi rời khỏi miệng vòi đốt. Vì xung lượng được xác định bởi „khối lượng x tốc độ“, nên sẽ diễn ra kiểu phân loại dựa trên khối lượng và hình dạng hạt, mật độ hạt của thành phần nhiên liệu.

Các thiết bị phân ly thường làm việc theo nguyên lý này, đó là lý do vì sao chúng tôi phân loại, phân tích và miêu tả nhiên liệu của mình trên cơ sở hoạt động lắng trong không khí. Trong khi đó, SRF ở dạng thành phẩm để bán được sấy và nạp vào bộ lọc hình chữ chi có kích thước thích hợp, bắt đầu với tốc độ gió khoảng 10 m/s. Ống gió cần phải có đường kính trong gấp khoảng 7 lần cỡ hạt tối đa của các hạt nhiên liệu. Thông thường, có thể nhận được từ các nhà cung ứng thích hợp các kiểu thiết bị phân loại này, hoạt động ở quy mô nhà máy thử nghiệm.

Lúc này nguyên liệu nặng được thu gom và ghi lại cả thể tích và khối lượng. Nguyên liệu nhẹ được thổi lên sẽ lại được nạp vào ở tốc độ gió thấp nhất tiếp theo (9 m/s). Quy trình này được lặp lại cho đến tốc độ thấp nhất là tốc độ lắng 1 m/s. Trong khi đó sẽ thu được các hạng dựa trên trọng lượng hoặc tỷ trọng mà có thể được trình bày như các giá trị đo riêng rẽ hoặc như đường cong lũy tích (hình 5), tương tự như phân tích cỡ hạt.

Các dữ liệu đặc trưng thu được như vậy được trình bày trên biểu đồ hoặc như các giá trị „vod50“, tức là 50% của cụm nhiên liệu rơi nhanh hơn x m/s (hình 6).

 Trong khi đó, nhiên liệu với các phần đã nén mạnh, bao gồm chẳng hạn gỗ, các tấm chất dẻo hoặc cao su ba chiều, ... hoặc nhiên liệu đã vê viên, có tốc độ lắng trên 4 m/s, cao hơn các phần nhiên liệu hai chiều hoặc nhiên liệu đã cắt vụn với tốc độ lắng 2 m/s. Các dữ liệu đặc trưng như vậy cung cấp các thông tin về thành phần và đặc điểm bay, đặc điểm động lực của nhiên liệu thu hồi dạng rắn, sao cho - ngoài những việc khác - có thể thiết kế vòi đốt để sử dụng các nhiên liệu thu hồi dạng rắn.

Hình 6. Phân loại nhiên liệu theo thể tích và trọng lượng thành các phần có tốc độ lắng trong không khí như nhau.

4. Kết luận:

Trong năm 2006, nhiều dữ liệu kỹ thuật quá trình và dữ liệu đốt cần phải được khảo sát trong dự án nghiên cứu với đề tài “Thay thế nhiên liệu chính thức bằng SRF trong các quá trình chuyển đổi năng lượng“. Bằng cách đó, cần thực hiện các bước từ việc „đốt đồng thời“ cho đến việc „sử dụng chính“ sao cho các dữ liệu về kỹ thuật đốt có thể miêu tả được và các ứng dụng tiếp theo được tạo ra (hình 7).