I. Mở đầu
Hiện nay công nghệ điện rác Plasma trên thế giới chưa phải là công nghệ hoàn chỉnh, có sẵn, có thể nhanh chóng chuyển giao và vận hành ở cấp độ công nghiệp, nhất là trong điều kiện chất thải rắn sinh hoạt không được phân loại, vừa bị nhiễm độc lại có giá thành xử lý thấp ~ 20 USD/tấn. Phiên bản công nghệ điện rác Plasma do các nhà khoa học của Viện Công nghệ VinIT thiết kế chế tạo sẽ là một trong những sản phẩm đầu tiên của thế giới trong lĩnh vực này, sản phẩm cần có sự hỗ trợ hợp tác của các nhà đầu tư để thương mại hóa và ứng dụng công nghệ giải quyết vấn đề môi trường cho Việt Nam và các nước trên thế giới.
Nhu cầu xử lý chất thải rắn của Việt Nam hiện nay rất lớn. Tổng khối lượng chất thải rắn sinh hoạt của các khu đô thị chiếm trên 40 000 t/ngày. Ngoài ra còn lượng lớn các chất thải rắn công nghiệp, chất thải rắn y tế… Hiện nay giá bán điện năng từ xử lý chất thải rắn sinh hoạt của Việt Nam là 10.5 Cent USD/kWh.
II. Các phương pháp cơ bản xử lý chất thải rắn sinh hoạt
Hiện nay thế giới có 4 phương pháp cơ bản để xử lý chất thải rắn sinh hoạt: chôn lấp, xử lý vi sinh, đốt và khí hóa.
– Việc chôn lấp đòi hỏi diện tích lớn và gây ra thiệt hại không thể khắc phục cho môi trường;
– Xử lý vi sinh làm phân bón (compost) tính khả thi thấp, vì cần phải phân loại rác đầu vào rất kỹ lưỡng để đảm bảo các hóa chất độc hại có sẵn trong rác không đi vào cây trồng, vật nuôi;
– Phương pháp thiêu hủy rác bằng phản ứng đốt (oxy hóa) cũng chỉ có tác dụng nếu rác trước đó được phân loại chặt chẽ, tách các loại nhựa thải, rác điện tử và y tế…Hơn nữa, các phương pháp sử dụng lò đốt bình thường ở nhiệt độ dưới 12000C thường sinh ra Dioxin và Furan rất độc hại.
– Phương pháp khí hóa là quá trình phân tích nhiệt tạo dòng hỗn hợp khí.
III. Một số đặc điểm cơ bản của chất thải rắn sinh hoạt của Việt Nam
Hàm lượng chất thải nhựa lớn tới ~ 10 %; tỷ trọng rác nhà bếp cao ~ 40 – 45 %, độ ẩm lớn ~ 40 – 50 % tùy theo mùa, nhiệt lượng thấp ~ 5000 – 5500 kJ/kg, giá thành xử lý thấp ~20$/tấn, không có hệ thống phân loại rác tại nguồn do đó tạp chất nhiều và nhiễm rác thải độc hại như rác thải y tế, rác thải điện tử và rác thải công nghiệp.
Đặc điểm chính của chất thải rắn sinh hoạt của Việt Nam hiện nay (do các lý do khách quan) là không thể phân loại được, có nhiều hợp chất hữu cơ, lẫn với chai lọ nhựa, túi nylon có các nguyên tố Cl và F. Hàm lượng Cl và F cao trong rác sinh hoạt của Việt Nam thường góp phần tạo ra Dioxin và Furan trong các lò đốt rác thường dựa trên phản ứng oxy hóa. Cũng vì dựa trên phản ứng oxy hóa nên các lò đốt này có nhiệt độ thường không quá 1200 0C và phải cung cấp đủ oxy cho quá trình đốt, vì thế mà tạo ra rất nhiều Dioxin và Furan (là các phân tử mạch vòng gốc Cl có liên kết bền vững về mặt hóa và nhiệt với các nguyên tử O, dễ dàng tổng hợp ở nhiệt độ cao).
Tất cả các lò đốt rác hiện nay của Việt Nam dựa trên phản ứng oxy hóa đều đã và đang tạo ra một lượng lớn khí thải cực độc là Dioxin và Furan vào môi trường. Phản ứng đốt rác bằng dòng Plasma không dựa trên phản ứng oxy hóa như các lò đốt thông thường. Nhiệt độ cao cần thiết để đốt và khí hóa rác không phải được tạo ra từ phản ứng oxy hóa rác mà từ dòng Plasma. Cũng vì vậy mà lượng Dioxin và Furan tạo ra cực thấp. Ngoài ra sử dụng dòng Plasma có thể nâng nhiệt độ đốt rác nên rất cao, đảm bảo phân tách và khí hóa triệt để các phân tử gốc C, H, Cl, F, O tới cấp độ phân tử đơn giản hoặc nguyên tử không độc hại cho môi trường.
IV. Giới thiệu công nghệ Plasma xử lý rác thải
Công nghệ Plasma là công nghệ xử lý rác tiên tiến hiện nay của thế giới do quá trình phân tích nhiệt triệt để các phân tử hỗn hợp khí thành các phân tử đơn giản ở nhiệt độ trung bình trên 20000C của dòng Plasma, hầu như không tạo ra các chất khí độc hại như Dioxin và Furan. Nó cho phép đáp ứng chuẩn khí thải Dioxin ra môi trường khắt khe nhất hiện nay là dưới 10-10 g/m3. Mặc dù vậy, công nghệ Plasma từ trước tới nay chỉ được dùng cho xử lý các chất thải độc và cực độc (từ cấp độ I tới III theo thang IV cấp các chất thải ra môi trường), trong đó có các hóa chất từ các vũ khí hóa học, các đầu đạn bẩn, các loại vũ khí sinh hóa cần phải tiêu hủy, các chất thải rắn y tế, các hợp chất Fenon và Xyanua từ công nghiệp hóa chất, trong một số trường hợp là cả các chất thải phóng xạ với mục đích làm giảm thể tích và khối lượng cần lưu trữ.
Do các thiết bị Plasma vẫn là thiết bị đặc chủng, công nghệ cao nhưng chưa có sản xuất ở mức độ công nghiệp, mặt khác để có dòng Plasma phải cung cấp một lượng điện lớn nên thường tỷ suất đầu tư và giá thành của công nghệ Plasma cho một đơn vị xử lý chất thải thường rất cao, cao hơn nhiều lần các công nghệ sinh hóa (làm phân bón compost) và công nghệ đốt bình thường (dùng dầu và khí) khác. Hiện nay trên thế giới chỉ có một số lò Plasma của Mỹ, Canada, Israel, Đức, Nhật, Hàn quốc sử dụng công nghệ Plasma cho xử lý rác thải sinh hoạt nhưng chỉ ở cấp độ nhỏ, do không đáp ứng được các yêu cầu về kỹ thuật, công nghệ và giá thành cho xử lý rác thải sinh hoạt và thường chủ yếu chỉ mang mục đích quảng bá cho công nghệ. Để có thể ứng dụng công nghệ Plasma cho xử lý rác thải sinh hoạt (nhất là trong điều kiện Việt Nam) cần phải có những cải tiến triệt để.
Các chuyên gia của Viện Công nghệ VinIT đã có những cải tiến kỹ thuật và công nghệ quan trọng liên quan tới buồng phản ứng Plasma, chế độ buồng phản ứng xử lý chất thải rắn sinh hoạt trên nền C và H ở nhiệt độ cao và các kỹ thuật tiên tiến liên quan tới điều khiển dòng Plasma, chu trình hóa lý tối ưu xử lý chất thải rắn tạo khí Syngas cho phát điện… Bản chất của công nghệ khí hóa Plasma xử lý chất thải rắn sinh hoạt là quá trình khí hóa C và H (gasification) ở nhiệt độ cao trong môi trường yếm khí dùng năng lượng nhiệt của dòng Plasma. Những cải tiến kỹ thuật quan trọng này không chỉ giúp tối ưu hóa các quá trình phân tách và khí hóa Plasma, đảm bảo các yêu cầu khắt khe nhất về môi trường mà còn làm giảm giá thành trang thiết bị và công nghệ đáng kể nhằm phù hợp cho xử lý chất thải rắn sinh hoạt của Việt Nam.
So với các công nghệ xử lý chất thải rắn sinh hoạt của thế giới thì công nghệ điện rác Plasma có những ưu điểm chính sau:
1. Là công nghệ khí hóa ở nhiệt độ cao (T > 20000C) giúp phân hủy triệt để nhất các chất thải hữu cơ và vô cơ, không thải ra môi trường các chất độc hại như Dioxin và Furan. Các chất NOx, SOx và CO2 đều nhỏ hơn các công nghệ đốt và khí hóa khác do nhiệt độ cao của dòng Plasma và cấu trúc đặc biệt của lò phản ứng Plasma;
2. Là công nghệ yếm khí (nghèo oxy) duy nhất mà năng lượng dùng cho phản ứng không dựa trên phản ứng oxy hóa C và H thông thường mà từ dòng Plasma (lấy từ điện);
3. Hệ số khí hóa lớn nhất (tới 93 – 95%) so với các công nghệ khác, dẫn tới khả năng sản xuất khí Syngas ở cấp độ công nghiệp (hàm lượng khí CO và H2 tới 40 – 50%), phù hợp cho sản xuất điện năng;
4. Hàm lượng tro bụi và xỉ thải vào môi trường thấp nhất do phân tách triệt để ở nhiệt độ cao (T > 20000C) và do hàm lượng C và H được khí hóa triệt để. Các thành phần xỉ ở dạng thủy tinh có thể dùng để sản xuất các tấm bê tông kè biển (không có chất thải);
5. Là công nghệ duy nhất có khả năng xử lý triệt để các chất thải nhiễm tạp chất (plastic, nylon, lưu huỳnh) và nhiễm độc (thủy ngân, cadmium, chì, xenon, cyan, chất thải điện tử) do không thể phân loại như chất thải rắn sinh hoạt của Việt nam. Đảm bảo tất cả các chỉ số khắt khe nhất về môi trường như của G7, EURO6;
6. Không yêu cầu phân loại rác triệt để, chỉ cần sơ tuyển rác để loại gạch, đá, kim loại;
7. Không có nước rỉ rác do rác được sấy khô và nghiền trước khi cho vào lò phản ứng;
8. Dây chuyền khép kín, không có khu lưu trữ rác, không có mùi hôi ảnh hưởng ra môi trường;
9. Do đặc điểm phân tách và khí hóa triệt để của dòng Plasma mà các bộ phận lọc khí đơn giản hơn dẫn tới tiết kiệm đầu tư cho bộ phận này từ 3 – 10 lần;
10. Do không cần khu lưu trữ rác, nước rỉ rác và khu xử lý nên diện tích đất xử dụng có thể ít hơn tới 2 – 3 lần so với các công nghệ khác cùng công suất.
Nhược điểm chính của công nghệ:
1. Tốn điện do các đầu phát Plasma sử dụng năng lượng điện;
2. Rác cần phải nghiền (kích thước < 100 mm) để khí hóa tốt hơn;
3. Tỷ suất đầu tư cao hơn các công nghệ khác dẫn tới thời gian hoàn vốn lâu hơn.
Các chuyên gia của Viện công nghệ VinIT đã có những phát minh, cải tiến triệt để, khắc phục những yếu điểm của công nghệ này bằng các phương pháp sau:
1. Nâng công suất của đầu phát Plasma lên 500 kW (VinIT có kế hoạch nghiên cứu để công suất đạt trên 1000 kW) và tuổi thọ lên trên 2000 h (gấp 2 – 3 lần so với các đầu đốt khác của thế giới);
2. Giảm giá thành của đầu phát Plasma từ thiết kế, chế tạo, gia công và thương mại hóa sản phẩm xuống hàng chục lần;
3. Thiết kế lại lò phản ứng Plasma nhằm tối ưu hóa quá trình khí hóa, tăng sản lượng khí Syngas;
4. Thiết kế để sử dụng khí Syngas cho phát điện tại chỗ, đảm bảo hệ số dương (dư thừa) về năng lượng điện tới 30 – 50 %.
5. Các cải tiến kỹ thuật và công nghệ cho phép rút tỷ suất đầu tư xuống thấp hơn so với công nghệ Plasma của thế giới, thậm chí nhỏ hơn cả tỷ suất đầu tư của các công nghệ khí hóa khác và nhỏ hơn cả tỷ suất đầu tư của các công nghệ đốt thông thường. Nhờ vậy thời gian hoàn vốn chỉ còn 6-10 năm so với các công nghệ khác từ 15 – 20 năm. 6. Các thông số kỹ thuật thực nghiệm và tính toán theo chỉ số của rác thải sinh hoạt tại Hà Nội và TP Hồ Chí Minh cho thấy công nghệ khí hóa Plasma với các cải tiến của VinIT hoàn toàn phù hợp với nhu cầu xử lý rác thải sinh hoạt của Việt Nam. Đáp ứng không chỉ các yêu cầu về kỹ thuật, công nghệ, môi trường mà còn cả các thông số về đầu tư, lợi nhuận. Đặc biệt VinIT hoàn toàn chủ động về công nghệ, trang thiết bị và hệ thống cán bộ chuyên gia cần thiết cho thực hiện các dự án công nghệ này tại Việt Nam.
V. Giới thiệu thiết kế nhà máy điện rác Plasma
1. Các thông số cơ bản của Nhà máy điện rác Plasma.
a) Công suất 250 t/ngày: Đất sử dụng ~ 3 – 4 ha; tổng vốn đầu tư ~ 25 – 30 triệu USD; công suất nguồn điện cần cung cấp ~ 7 MW, công suất nguồn phát ~ 12 MW, dư thừa lên lưới ~ 5 MW, tổng sản lượng điện dôi ra hàng năm ~ 43 tỷ kWh; thời gian hoàn vốn ~ 6 – 10 năm.b) Công suất 1000 t/ngày: Đất sử dụng ~ 10 – 12 ha; tổng vốn đầu tư ~ 90 – 95 triệu USD; công suất nguồn điện cần cung cấp ~ 27 MW, công suất nguồn phát ~ 47 MW, dư thừa lên lưới ~ 20 MW, tổng sản lượng điện dôi ra hàng năm ~ 172 tỷ kWh; thời gian hoàn vốn ~ 5 – 7 năm.
1 – Khu tập kết và lưu trữ rác; 2 – Tang trống phân loại rác; 3 – Bộ phận phân loại rác thủ công; 4 – Bộ phận tách kim loại; 5 – Máy nghiền rác; 6 – Máy sấy rác; 7 – Máy đóng viên nhiên liệu RDF; 8 – Kho nhiên liệu RDF; 9 – Hệ thống thang máy phân phối nhiên liệu; 10 – Máy nạp nhiên liệu trung chuyển tự động; 11 – Lò khí hóa plasma; 12 – Các đầu đốt plasma; 13 – Bộ thu tro bụi nóng si-lô dạng lốc xoáy; 14 – Hệ thống dập nước quencher; 15 – Hệ thốnglọc khí; 16 – Máy nén khí; 17 – Bể chứa khí Syngas; 18 – Tua-bin khí ga; 19 – Lò hơi thu hồi nhiệt (HRSG); 20 – Ống xả hơi ; 21 – Tua-bin hơi nước; 22 – Bộ trao đổi nhiệt; 23– Hệ thống nước-bình ngưng; 24 – Máy phát điện; 25 – Trạm biến áp; 26 – Hệ thống lên lưới điện.
2. Các dây chuyền công nghệ cơ bản của nhà máy điện rác Plasma:
1. Dây chuyền tuyển và phân loại rác: bunker tiếp nhận rác từ xe rác; lồng tuyển rác; hệ thống phân loại rác sơ bộ;
2. Dây chuyền tạo viên nhiên liệu RDF cho lò phản ứng: bộ phận sấy rác (tới độ ẩm ~ 20 – 25 %) bằng năng lượng nhiệt từ lò phản ứng; máy nghiền rác; máy đóng viên nhiên liệu RDF (kích thước ~ 20 – 30 mm);
3. Lò phản ứng khí hóa Plasma: hệ thống nạp nhiên liệu RDF; buồng phản ứng Plasma; các đầu đốt Plasma (plasma torches); hệ thống quan trắc, điều khiển; hệ thống thu gom xỉ;
4. Dây chuyền lọc khí 3 cấp (hot cyclone; kvencher; gas cleaning system);
5. Dây chuyền sản xuất điện năng: hệ thống các máy phát điện chạy khí Syngas (hệ số có ích 40 – 43 %); hệ thống lọc và thải khí; máy biến áp và hệ thống nối lưới.
Ngoài ra nhà máy điện rác Plasma còn có hệ thống các thiết bị kiểm tra, đo lường; hệ thống tạo áp suất âm; hệ thống bơm và dẫn khí; hệ thống quan trắc môi trường; trung tâm điều khiển; nhà điều hành và các bộ phận hỗ trợ cho hoạt động thường xuyên của nhà máy.
3. Một số đặc điểm của nhà máy điện rác Plasma.
Nhà máy điện rác Plasma là dây chuyền công nghệ khép kín gồm hai khu:
a) Khu xử lý chất thải rắn sinh hoạt bằng công nghệ khí hóa Plasma ở nhiệt độ cao trên 2000 C tạo khí Syngas;
b) Khu xử lý khí Syngas và phát điện (dùng máy phát điện chạy khí Syngas). Dòng Plasma có nhiệt độ cao dùng không khí (rẻ), các đầu đốt Plasma có công suất lớn 500 kW do Viện công nghệ VinIT chế tạo có hệ số sử dụng năng lượng tới 93% (so với 80% của thế giới), thời gian làm việc trên 2000 h (so với 400 – 800 h của thế giới). Nhiệt độ khí gas trung bình của các vùng nhiệt trong lò đốt từ 12000C tới 30000C. Lò phản ứng có thiết kế đứng, xung quanh bố trí các đầu phát Plasma công suất lớn, cho phép khí hóa rác thải thành khí Syngas. Áp suất trong lò luôn được duy trì áp suất âm phù hợp với yêu cầu của môi trường. Hàm lượng xỉ rắn thải ra ở dạng thủy tinh rất nhỏ (không quá 5%) và có thể dùng để chế tạo các tấm bê tông cho kè biển, bảo vệ đập, ngăn triều cường v.v.
VI. Phương án đầu tư và tổ chức thực hiện
1) Thiết kế, chế tạo dây chuyền điện rác Plasma Demo công suất nhỏ (25-30 t/ngày) nhằm mục đích: thu hút các nhà đầu tư bằng thực tế chứng minh hiệu quả của công nghệ điện rác Plasma; đăng ký các giấy chứng nhận kỹ thuật, bản quyền công nghệ và chứng nhận đảm bảo các tiêu chuẩn vệ sinh môi trường của chính quyền nước sở tại Việt Nam; kiểm chứng các thông số kỹ thuật cơ bản phục vụ cho thiết kế, chế tạo Nhà máy điện rác Plasma công suất vừa và lớn;
2) Thiết kế, chế tạo, lắp đặt, chuyển giao cho nhà đầu tư Nhà máy điện rác Plasma cấp độ công nghiệp (công suất 250-1000 t/ngày). Thông số dây chuyền Demo công suất 25 – 30 t/ngày. Mức đầu tư 2 – 5 triệu USD; Thời gian thiết kế, chế tạo, thử nghiệm 6 – 9 tháng; Mặt bằng 0.2 – 0.5 ha; Thời gian xin các chứng chỉ hoạt động của dây chuyền 1 – 2 năm; Công suất đầu Plasma 0.5 – 0.7 MW; Công suất phát điện 1 – 1.5 MW.
Thông số dây chuyền công nghiệp:
| Công suất | Đầu tư | Thời gian hoàn vốn |
| 250 t/ngày | 25 – 30 triệu USD | 6 – 10 năm |
| 500 t/ngày | 45 – 50 triệu USD | 6 – 9 năm |
| 750 t/ngày | 65 – 70 triệu USD | 5 – 8 năm |
| 1000 t/ngày | 90 – 95 triệu USD | 5 – 7 năm |
Thời gian hoàn vốn của nhà máy điện rác Plasma nhỏ hơn 3 – 5 lần các nhà máy nhiệt điện khí hoặc than. Thời gian hoàn vốn dao động do phụ thuộc vào công suất lắp đặt, giá xử lý rác của từng địa phương, tiền thuê mặt bằng, các chi phí thường xuyên, lương công nhân viên, khấu hao máy móc, thuế môi trường…
Tỷ suất đầu tư của nhà máy 1000 tấn/ngày < 250 tấn/ngày;
Mặt bằng do chủ đầu tư làm việc với địa phương. Mặt bằng của nhà máy điện Plasma thường nhỏ hơn mặt bằng các nhà máy xử lý rác bằng các công nghệ cũ;
Lợi nhuận của nhà máy điện rác Plasma theo tính toán thiết kế sơ bộ lớn hơn nhiều lần các nhà máy nhiệt điện than và lớn hơn nhà máy nhiệt điện khí. Với mỗi một nhà máy điện rác Plasma sẽ có bản thiết kế, tính toán cụ thể. Trong đó có tính toán về tỷ suất đầu tư và lợi nhuận.
VII. Một số thông tin tham khảo
VIỆN CÔNG NGHỆ VINIT
01.2020
