ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÁO CÁO NGHIỆM THU (Đã chỉnh sửa theo góp ý của Hội đồng nghiệm thu) NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU RẮN TỪ CHẤT THẢI PLASTIC VÀ VỎ TRẤU CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI CƠ QUAN QUẢN LÝ CƠ QUAN CHỦ TRÌ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG 06/ 2009 II TÓM TẮT Đề tài nghiên cứu này đề cập đến công nghệ sản xuất nhiên liệu rắn từ chất thải plastic và vỏ trấu. Xuất phát từ thực trạng chất thải plastic tại Thành phố Hồ Chí Minh ngày càng gây nên những khó khăn trong quản lý và xử lý; và khối lượng vỏ trấu khổng lồ thu được từ quá trình xay xát gạo tại Khu vực Đồng bằng Sông Cửu long (khoảng 3.5 triệu tấn mỗi năm) chưa được sử dụng có hiệu quả và đang gây ra những vẫn đề ô nhiễm môi trường nước, đề tài này đưa ra một phương án công nghệ khả thi – thông qua quá trình đùn ép có gia nhiệt nguyên liệu chất thải plastic và vỏ trấu – để tạo thành một loại nhiên liệu rắn mới sử dụng được trong các lò đốt công nghiệp. Chất thải plastic được ưu tiên sử dụng trong khuôn khổ nghiên cứu đề tài là các loại sản phẩm sử dụng một lần : túi xốp, bao bì thực phẩm, hộp đựng thức ăn nhanh, … có thành phần chủ yếu là PE, PP, PS, EVA. Về cơ bản, ưu điểm của chất thải plastic là nhiệt trị cao (khoảng 10.000 kcal/kg), tuy nhiên plastic cháy rất nhanh và không hoàn toàn. Trong khi đó, vỏ trấu là một loại nguyên liệu tái tạo và sạch (hàm lượng lưu huỳnh rất thấp), sẵn có tại Việt Nan. Nhược điểm của vỏ trấu là khối lượng riêng đổ đống nhỏ (80 ~ 100 kg/m 3 ), nhiệt trị thấp và khó bắt cháy. Kết hợp chất thải plastic và vỏ trấu, bằng quy trình đùn ép có gia nhiệt, hầu như đã khắc phục được các nhược điểm nêu trên của hai loại nguyên liệu này. Các kết quả nổi bật của đề tài có thể được tóm tắt như sau : - Quá trình đùn ép có gia nhiệt có thể được sử dụng để sản xuất nhiên liệu rắn, trong đó tỷ lệ vỏ trấu chiếm đến 90 %kl, chất thải plastic đóng vai trò chất kết dính. - Tỷ lệ vỏ trấu và nhiệt độ đùn ép là hai thông số chính ảnh hưởng đến quá trình đùn ép và tính chất sản phẩm thu được. - Khối lượng riêng đổ đống của sản phẩm nhiên liệu rắn tăng đáng kể so với vỏ trấu (mẫu sản phẩm có tỷ lệ vỏ trấu 80% có khối lượng riêng đổ đống khoảng 600 kg/m 3 , gấp khoảng 6 lần vỏ trấu) - Nhiệt trị của sản phẩm nhiên liệu rắn cao hơn vỏ trấu ít nhất là 1,5 lần (mẫu sản phẩm chứa 80%kl vỏ trấu) và cao nhất là 2,6 lần (mẫu sản phẩm chứa 30%kl vỏ trấu) - Sản phẩm thu được dễ cháy, cháy hết (tro thu được không dính), hàm lượng CO, NO x trong khí thải nằm trong giới hạn cho phép quy định tại TCVN 5939:2005. Ngoài ra chúng tôi cũng khảo sát ảnh hưởng đến môi trường của quá trình đùn ép, khảo sát khả năng sử dụng sản phẩm trong lò đốt quy mô công nghiệp và tính toán sơ bộ hiệu quả kinh tế của sản phẩm nhiên liệu rắn. Các kết quả thu được khá khả quan và là cơ sở tương đối vững chắc cho một dự án sản xuất thử nghiệm trong tương lai. III ABSTRACT This research work deals with the manufacturing process of solid fuel from plastic wastes and rice husk. Based on the facts that (i) accumulated plastic wastes in Hochiminh City poses many problems in management and treatment; and (ii) an enormous amount of rice husk, collectable in Mekong Delta area, is not yet effectively utilized but rising some concerns for the water environment, this research proposes a feasible method – relied on an extrusion process with heating – to produce a new kind of solid fuel, which may find application in industrial scale fire-heater. The preferred plastic wastes are those of short-term used products, such as plastic bag, food packaging materials, plastic films, … , which are mainly consisted of PE, PP, PS, EVA. Basically, the advantage of plastic lies on its high calorific value (c.a. 10,000 kcal/kg). However, plastics burn rather fast and incompletely. On the other hand, rice husk is a renewable resource, clean and readily available in huge amount in Vietnam. Disadvantages of rice husk include low bulk density, low heating value. It is also hard to ignite. Combination of plastic wastes and rice husk in an extruder with heating almost fully eliminates aforementioned drawbacks of these two starting materials. Highlịghts of this study can be summarized as follows: - Extrusion process is successful in producing the solid fuel from plastic wastes and rice husk. Plastic plays the role of binding agent. Rice husk content in the mixture can be as high as 90 wt%. - Rice husk content and extrusion temperature are the two key factors in defining the outcome of extrusion process, and in determining the properties of final products. - Bulk density of the solid fuel increases significantly compared to that of rice husk (sample containing 80wt% rice husk has a bulk density of 580 kg/m 3 , which is 6 times of that of rice husk) - Calorific value of the solid fuel is atleast 1.5 times of that of rice husk, in case of 80wt% rice husk containing sample. Among the sample prepared, a maximum increase of 260% in calorific value is observed for sample of 30wt% rice husk. - The solid fuel is burned easily and completely with unsticky ash. The content of CO, NO x in the exhaust gas is within the allowable level, regulated in TCVN 5939:2005. Besides, investigation of extrusion environment, the usability of the solid fuel in an industrial scale fire-heater and a brief economic estimation for the manufacturing process are carried out with positive results. With these results, the extrusion process and the solid fuel products are believed to be applicable in large scale and may become a strong candidate for replacing coal in numerous industrial applications. IV MỤC LỤC TÓM TẮT II ABSTRACT III MỤC LỤC IV DANH SÁCH HÌNH VẼ VI DANH SÁCH BẢNG BIỂU VIII PHẦN MỞ ĐẦU IX Giới thiệu 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 3 1.1 Vỏ trấu: 3 1.1.1 Giới thiệu: 3 1.1.2 Các ứng dụng của vỏ trấu 5 1.2 Plastic 11 1.2.1 Plastic trong rác thải rắn 11 1.2.2 Các hướng xử lý chất thải plastic 13 1.3 Nhiên liệu rắn 21 1.4 Kỹ thuật đùn ép 21 CHƢƠNG 2 : THỰC NGHIỆM 26 2.1 Lý do lựa chọn phương pháp đùn ép 26 2.2 Nguyên liệu 27 2.1.1 Vỏ trấu 27 2.1.2 Chất thải plastic 27 2.3 Thiết bị 28 2.4 Quy trình đùn ép 29 2.5 Phân tích tính chất sản phẩm 30 2.6 Đốt thử nghiệm và thành phần khí thải 31 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 33 3.1 Cảm quan sản phẩm: 33 3.2 Khối lượng riêng và khối lượng riêng đổ đống: 35 3.3 Độ bền nén: 37 V 3.4 Nhiệt trị 39 3.5 Hiệu suất thu sản phầm và hiệu suất năng lượng của quá trình đùn ép 43 3.5.1 Hiệu suất thu sản phẩm 43 3.5.2 Tính toán hiệu suất năng lượng của quá trình đùn ép 44 3.6 Quá trình cháy của sản phẩm và hàm lượng khí thải: 45 3.6.1 Đốt thử nghiệm sản phẩm tại lò đốt tự chế: 45 3.6.2 Đốt thử nghiệm sản phẩm tại lò đốt công nghiệp: 47 3.7 Mức độ gây ô nhiễm của quá trình đùn ép 51 3.8 Tính toán sơ bộ tính kinh tế của quy trình công nghệ 52 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56 4.1 Kết luận: 56 Những kết quả đạt được từ đề tài này được tóm tắt như sau: . Error! Bookmark not defined. 57 Các tài liệu tham khảo chính 59 PHỤ LỤC A : MÔ TẢ CHI TIẾT THIẾT BỊ ĐÙN ÉP MỘT TRỤC VÍT 60 PHỤ LỤC B : CÁC KẾT QUẢ PHÂN TÍCH 64 VI DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1. 1. Vỏ trấu 3 Hình 1. 2: Sản lượng lúa từ 1976 – 2006 [3] 5 Hình 1. 3: Một số lò đốt trấu ở vùng nông thôn 7 Hình 1. 4: Trấu sử dụng để nấu thức ăn trong chăn nuôi 7 Hình 1. 5: Trấu được sử dụng để đốt lò trong sản xuất gạch 7 Hình 1. 6 Thiết bị ép đùn củi trấu và sản phẩm củi trấu 8 Hình 1. 7 Mô hình hệ thống khí hóa phát điện sử dụng vỏ trấu [7] 9 Hình 1. 8: Hình chụp rác thải ở bãi rác tại Quận Tân Bình 13 Hình 1. 9: Quy trình tại chế nhựa theo phương pháp cơ học 15 Hình 1. 10: Các quá trình tái chế hoá học [11] 16 Hình 1. 11: Quy trình Veba Oel - nhiệt phân và hydro hoá chất thải plastic [12] 17 Hình 1. 12: Quy trình Texaco – khí hoá plastic [12] 18 Hình 1. 13: Quy trình tái chế nhựa PET [13] 18 Hình 1. 14: Nhiệt trị của một số nhiên liệu và chẩt thải [13] 20 Hình 1. 15 Cấu tạo đơn giản của máy đùn ép 22 Hình 1. 16 Một số loại vít đùn thông dụng 23 Hình 1. 17 Cấu trúc vít đùn và các thông số thiết kế 24 Hình 1. 18 Máy đùn (a) một trục vít; (b) hai trục vít quay cùng chiều; và (c) hai trục vít quay ngược chiều 24 Hình 2. 1 Nguyên liệu vỏ trấu 27 Hình 2. 2: Nguyên liệu plastic phế thải 28 Hình 2. 3: Máy đùn tiến hành quá trình thí nghiệm 28 Hình 2. 4 Lò đốt tự chế 32 Hình 3. 1 Sản phẩm nhiên liệu rắn 34 Hình 3. 2 Độ xốp của sản phẩm với hàm lượng ẩm khác nhau 34 Hình 3. 3: Sự biến đổi khối lượng riêng theo tỷ lệ trấu và nhiệt độ 36 VII Hình 3. 4 Thời gian lưu của nguyên liệu theo tỷ lệ vỏ trấu và nhiệt độ đùn ép 36 Hình 3. 5 Độ bền nén theo tỷ lệ trấu và nhiệt độ đùn 38 Hình 3. 6 Ảnh hưởng độ ẩm đối với độ bển nén 39 Hình 3. 7 Ảnh hưởng của tỷ lệ trấu và nhiệt độ đùn đối với nhiệt trị 40 Hình 3. 8 Độ chênh lệch giữa nhiệt trị đo và nhiệt trị tính toán 41 Hình 3. 9 Nhiệt trị đo được của các mẫu T70-240 theo hàm lượng ẩm 42 Hình 3. 10 Hiệu suất quá trình đùn ép 43 Hình 3. 11 Hình ảnh minh hoạc quá trình cháy của sản phẩm trong lò đốt tự chế : (a) T60; (b) T70 và (c) T80 46 Hình 3. 12 Quá trình đốt nhiên liệu tại lò đốt - Công ty Phước Đạt 48 Hình 3. 13 Quá trình cháy của nhiên liệu và khí thải sinh ra trong quá trình đốt 49 Hình 3. 14 Đo thành phần khí thải tại Công ty Phước Đạt 50 Hình 3. 15 Một vài hình ảnh quá trình đùn ép 52 Hình 3. 16 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất nhiên liệu rắn 54 VIII DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1. 1 Thành phần hoá học trong vỏ trấu 4 Bảng 1. 2 So sánh nhiệt trị và chi phí của một số dạng năng lượng [1] 6 Bảng 1. 3 Năng lượng chứa trong chất thải rắn 12 Bảng 1. 4 Mã số ký hiệu và mục đích sử dụng của một số loại nhựa thông dụng 15 Bảng 2. 1 Tính chất tổng quát của vỏ trấu 27 Bảng 2. 2 Các chế độ nhiệt độ cài đặt cho thiết bị đùn ép 29 Bảng 2. 3 Tỷ lệ vỏ trấu / chất thải plastic trong hỗn hợp nguyên liệu 29 Bảng 2. 4 Ký hiệu mẫu và điều kiện đùn ép 31 Bảng 3. 1 Khối lượng riêng và khối lượng riêng đổ đống của mẫu sản phẩm 35 Bảng 3. 2 Độ bền nén của sản phẩm 38 Bảng 3. 3 Kết quả đo nhiệt trị của nguyên liệu và sản phẩm 40 Bảng 3. 4 Nhiệt trị của một số nhiên liệu thông dụng 42 Bảng 3. 5 Số liệu và kết quả tính toán HSNL của quy trình đùn ép 45 Bảng 3. 6 Thành phần khí thải khi đốt sản phẩm trong lò đốt tự chế 46 Bảng 3. 7 So sánh tiêu hao nhiên liệu giữa củi trấu và sản phẩm của đề tài 49 Bảng 3. 8 Thành phần khí thải lò đốt Công ty Phước Đạt 50 Bảng 3. 9 Kết quả đo đạc chất lượng không khi trong và ngoài xưởng, trước và trong khi vận hành thiết bị đùn ép 51 Bảng 3. 10 Ước tính chi phí sản xuất quy trình công nghệ đùn ép 500 kg nguyên liệu/h (tính trung bình cho 1 giờ sản xuất) 53 IX PHẦN MỞ ĐẦU Tên đề tài: Tên đề tài: Nghiên cứu công nghệ sản xuất nhiên liệu rắn từ chất thải plastic và vỏ trấu Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Vĩnh Khanh Cơ quan chủ trì: Trường Đai học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM Thời gian thực hiện đề tài: 12/2007 – 12/2008 Kinh phí đƣợc duyệt: 220.500.000 đ Kinh phí đã cấp: 202.000.000 đ theo TB số : 320/TB-SKHCN ngày 21/12/07 theo TB số : /TB-SKHCN ngày / /09 Mục tiêu: Xây dựng quy trình công nghệ và thiết bị quy mô phòng thí nghiệm 10 kg nguyên liệu/h, sản xuất nhiên liệu rắn từ chất thải plastic và vỏ trấu. Nội dung : - Nghiên cứu công nghệ sản xuất nhiên liệu rắn từ chất thải plastic và trấu: + Nghiên cứu quá trình đùn ép: ảnh hưởng của các thông số của quá trình: nhiệt độ đùn, tốc độ đùn, … lên các tính chất vật lý của sản phẩm (khối lượng riêng, khối lượng riêng đống, độ cứng cơ học, …) + Nghiên cứu tỷ lệ (khối lượng) trấu tối ưu, và ảnh hưởng của tỷ lệ trấu đến tính chất vật lý của sản phẩm + Nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm của nguyên liệu lên các tính chất vật lý của sản phẩm + Đánh giá mức độ ô nhiễm của quá trình đùn ép chất thải plastic và trấu tạo ra sản phẩm - Đánh giá chất lượng sản phẩm tạo ra: + Đánh giá khả năng cháy, nhiệt trị của sản phẩm nhiên liệu rắn tạo ra + Phân tích và đánh giá hàm lượng khí thải sinh ra khi đốt nhiên liệu sản phẩm + So sánh chất lượng của sản phẩm tạo ra với than là một dạng nhiên liệu phổ biến hiện nay Sản phẩm : - Báo cáo nghiệm thu đề tài - 01 báo cáo (oral presentation) tại Hội thảo Khoa học Quốc tế “International Conference on Environment and Natural Resources - ICENR 2008” do Viện Môi trường và Tài nguyên – Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh tổ chức ngày 17- 18/03/2008 , bài được chọn đăng toàn văn trong kỷ yếu. - 01 báo cáo (oral presentation) tại Hội thảo Khoa học Quốc tế “International Workshop on Automotive Technology, Engine and Alternative Fuel”, do Sở Khoa X học Công nghệ Tp HCM, Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Lọc hoá dầu và Khoa Kỹ thuật Giao thông Trường ĐHBK, Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Dầu khí thuộc Viện Dầu khí Việt Nam đồng tổ chức , ngày 22/12/2008, bài được chọn đăng toàn văn trong kỷ yếu. - 01 báo cáo (oral presentation) tại Hội thảo Khoa học “An toàn – Sức khoẻ - Môi trường” do Trường Đại học Tôn Đức Thắng tổ chức ngày 20/05/2009, bài được chọn đăng toàn văn trong kỷ yếu. - 04 luận văn đại học đã bảo vệ - Tham gia Ngày hội tái chế do Quỹ Tái chế - Sở Tài nguyên và Môi trường TP. HCM tổ chức, Tháng 4/2008 - Tham gia Hội chợ Techmart & Industrial Zones 2008, do Sở Khoa học và Công nghệ TP. HCM tổ chức, Tháng 10/2008 [...]... triển khai rộng rãi Nghiên cứu của chúng tôi mong muốn đưa ra một quy trình công nghệ đùn ép đơn giản để sản xuất nhiên liệu rắn từ chất thải plastic sinh hoạt và vỏ trấu, là hai nguồn chất thải rẻ tiền và sẵn có tại Việt Nam Sản phẩm nhiên liệu rắn thu được có những ưu điểm so với vỏ trấu như khối lượng riêng đổ đống lớn hơn, nhiệt trị cao hơn, dễ vận chuyển hơn; và so với chất thải plastic : dễ cháy... các sản phẩm có giá trị kinh tế, nhưng thực tế vẫn chưa được ứng dụng do công nghệ phức tạp và tốn kém Vì vậy, việc sản xuất nhiên liệu rắn từ vỏ trấu và plastic sẽ là một giải pháp khả thi, do có công nghệ đơn giản, chi phí đầu tư thấp, vỏ trấu và plastic lại là hai nguồn nguyên liệu rẻ tiền và sẵn có tại Việt Nam, đồng thời cũng giải quyết được vấn đề môi trường phát sinh từ vỏ trấu và plastic phế thải. .. pha trong xây dựng 1.3 Nhiên liệu rắn Từ các thành phần có thể đốt được trong chất thải sinh hoạt : giấy, plastic, gỗ, vải, có nhiều phương pháp để làm ra nhiên liệu rắn (refuse derived fuel – RDF) Ví dụ có thể nén giấy thải trong rác thải sinh hoạt tại áp suất rất cao thành một bánh nhiên liệu rắn tỷ trọng lớn [14] Nói chung để sản xuất được nhiên liệu rắn từ các nguồn chất thải kể trên, về nguyên... liệu khác (a) Ép trấu thành củi trấu Công nghệ ép đùn được sử dụng để ép vỏ trấu thành “củi trấu – là một loại nhiên liệu đã được sản xuất và được thị trường chấp nhận tại Việt Nam Công nghệ này được phát triển đầu tiên bởi Viện AIT, Thái Lan [6] và đã được triển khai bởi nhiều đơn vị tại Việt Nam như Viện Năng Lượng, Đại học Cần Thơ, Công ty Nhiên liệu Sinh học, … Theo công nghệ này, vỏ trấu được gia... thải Sản phẩm nhiên liệu rắn thu được có những ưu điểm như: - So với vỏ trấu: sản phẩm có khối lượng riêng đổ đống lớn hơn, nhiệt trị cao hơn, nên dễ vận chuyển với chi phí thấp hơn - So với chất thải plastic thì: sản phẩm dễ cháy hoàn toàn hơn, khí thải sinh ra ít ô nhiễm hơn Những cơ sở để nhóm nghiên cứu chọn lựa kỹ thuật đùn ép có gia nhiệt hỗn hợp nguyên liệu bao gồm chất thải plastic và vỏ trấu. .. không nung được làm từ vỏ trấu, bã mía, vỏ dừa… Sản phẩm được dùng làm tấm tường, sàn, trần và mái nhà Nhóm nghiên cứu của Khoa Vật liệu Xây dựng của Trường ĐH Xây dựng Hà Nội đã chế tạo thành công gạch xốp cách nhiệt dùng xây nhà cao tầng, với nguồn nguyên liệu là vỏ trấu, sơ dừa, tro, mùn cưa, xốp Polystyron, bã thải trong sản xuất đường Sử dụng tro trấu sản xuất ôxyt silic Tro của trấu sau khi đốt... dụng chất thải rắn nói chung và chất thải plastic sinh hoạt nói riêng còn có một số khó khăn từ việc thu gom, phân loại, cho đến các công nghệ đốt, xử lý hiện đại còn chưa được ứng dụng và triển khai trong thực tế ở quy mô lớn Một số thành tựu đạt được trong xử lý chất thải rắn / chất thải plastic sinh hoạt tại Việt Nam được tóm tắt dưới đây: - Quy trình xử lý rác thải sinh hoạt Seraphin của Công ty... trong sản xuất gạch 7 Công suất mô tơ điện để chạy máy là 20HP Điện năng tiêu thụ trung bình cho 1 kg sản phẩm củi trấu là 0,18KWh (tương đương 0,648 MJ hoặc 155 kcal) cho quy mô sản xuất khoảng 90 kg sản phẩm/h Hình 1.6 thể hiện thiết bị đùn ép củi trấu và sản phẩm củi trấu Hình 1 6 Thiết bị ép đùn củi trấu và sản phẩm củi trấu Bên cạnh ưu điểm là công nghệ đơn giản và sản phẩm củi trấu có khối lượng... hưởng môi trường và hiệu quả kinh tế Trong hình vẽ dưới đây, hai yếu tố này được đánh giá sơ bộ cho một vài phương pháp xử lý / tái sử dụng chất thải plastic tiêu biểu nhất [1] 1 Có thể thấy rằng một phương pháp xử lý chất thải plastic khá an toàn và kinh tế là sản xuất nhiên liệu rắn (refused plastic fuel – RPF) với mục đích thu hồi năng lượng Về bản chất, với phương pháp này, chất thải plastic được nén... loại nhiên liệu rắn, ví dụ như ,n , hoặc cung cấp năng lượng cho các lò hơi để sản xuất hơi nước, hoặc sử dụng làm nhiên liệu thay cho các nhiên liệu truyền thống khác như than đá, gỗ … Hình 1 14: Nhiệt trị của một số nhiên liệu và chẩt thải [13] Về bản chất, theo phương pháp này, chất thải plastic được nén tại áp suất cao hoặc đùn ép tạo thành viên Cả hai quy trình trên đều đơn giản và dễ ứng dụng vào . trình công nghệ và thiết bị quy mô phòng thí nghiệm 10 kg nguyên liệu/ h, sản xuất nhiên liệu rắn từ chất thải plastic và vỏ trấu. Nội dung : - Nghiên cứu công nghệ sản xuất nhiên liệu rắn từ chất. nghệ sản xuất nhiên liệu rắn từ chất thải plastic và vỏ trấu. Xuất phát từ thực trạng chất thải plastic tại Thành phố Hồ Chí Minh ngày càng gây nên những khó khăn trong quản lý và xử lý; và khối. sản xuất nhiên liệu rắn từ chất thải plastic sinh hoạt và vỏ trấu, là hai nguồn chất thải rẻ tiền và sẵn có tại Việt Nam. Sản phẩm nhiên liệu rắn thu được có những ưu điểm so với vỏ trấu như