Bộ Khoa học & công nghệ Viện năng lợng nguyên tử việt nam Báo cáo tổng kết khoa học và công nghệ đề tài Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ô-xy hóa trong muối nóng chảy để xử lý chất thải plastic dạng PVC Chủ nhiệm đề tài: Trần thu hà 6364 07/5/2007 Hà Nội, 2006 1 Bộ khoa học và công nghệ Viện năng lợng nguyên tử việt nam __________________ Báo cáo tổng kết đề tàI khoa học công nghệ cấp bộ năm 2005-2006 nghiên cứu ứng dụng công nghệ oxy hóa trong muối nóng chảy (mso) để xử lý chất thảI plastic dạng pvc (Mã số: BO/05/04-03) Cơ quan chủ trì: Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân Chủ nhiệm đề tàI : Trần Thu Hà Hà Nội, tháng 11-2006 2 những ngời tham gia đề tài STT họ và tên Học hàm, học vị chuyên môn địa chỉ 1 2 3 4 5 6 7 Nguyễn Hồng Quý Phạm Quốc Kỷ Nguyễn Đình Thọ Thái Văn An Trịnh Đình Trờng Nguyễn Quang Long Vơng Thu Bắc KS. CN Môi trờng KTV. Hóa phân tích KS. Cơ khí KS. Luyện kim KS. Điện tử hạt nhân CN. Hóa phân tích CN. Vật lý Hạt nhân Viện KHKTHN Viện KHKTHN Công ty XD số 4 Viện Công nghệ Viện KHKTHN Viện KHKTHN Viện KHKTHN Các tổ chức phối hợp thực hiện đề tài 3 Bảng từ viết tắt Từ viết tắt Giải thích Nguyên bản tiếng Anh MSO TOC OTR V s G H D bmax t b d b S o E o PE DRE CE cps oxy hóa trong muối nóng chảy tổng các hợp chất hữu cơ tốc độ khuếch tán oxy vận tốc khí bề mặt hệ số nghẽn khí đờng kính của các bọt bền tối đa thời gian lu bọt khí đờng kính của bọt khí lợng thức hóa học lợng oxy d hiệu quả của quá trình hiệu quả phân hủy hiệu quả cháy (oxy hóa) hệ số tỉ lệ tơng đơng số đếm trên một giây molten salt oxidation total organic carbon oxygen transfer rate superficial air velocity gas holdup maximum stable bubble diameter resident time bubble diameter stoichimetric excess air process efficiency destruction and removal eficiency combustion efficicency equivalent ratio count per second 4 Tóm tắt Đ ề tài:Nghiên cứu ứng dụng công nghệ oxy hóa trong muối nóng chảy (MSO) để xử lý chất thải plastic dạng PVC nhằm đạt 3 mục tiêu. Xây dựng hệ thống MSO qui mô phòng thí nghiệm với các thiết bị chủ yếu để tạo cơ sở cho việc đánh giá khả năng phân hủy của công nghệ. Trên cơ sở các kết quả thu đợc qua quá trình xử lý thử nghiệm chất thải PVC điển hình cho loại thải hữu cơ chứa clo, xây dựng qui trình vận hành cho hệ thống MSO và đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ ở qui mô bán công nghiệp. Trong quá trình thiết lập cơ sở cho các nghiên cứu công nghệ, hệ thống thử nghiệm MSO đã đợc hoàn chỉnh với việc điều chỉnh thay thế và bổ sung một phần thiết bị trong hệ thống. Việc điều chỉnh lại hệ thống đợc chế tạo theo thiết kế lý thuyết đã khắc phục đợc một số khiếm khuyết về phân bố vùng nhiệt, công tác nạp thải và tháo muối nhằm đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật trong quá trình vận hành và các tiêu chí khoa học trong nghiên cứu giải pháp MSO. Các kết quả thử nghiệm đã chứng tỏ hiệu quả phân hủy clo gần nh tuyệt đối của công nghệ MSO. Sự phát thải HCl và Cl 2 hầu nh không có hoặc không đáng kể trong mọi điều kiện vận hành . Các kết quả cũng cho thấy sự phát thải HCl và Cl 2 phụ thuộc vào thời gian lu thải trong vùng phản ứng chứa muối lỏng và bản chất của môi trờng muối nóng chảy. Trong khi công nghệ MSO chứng tỏ hiệu quả rất cao khi xử lý clo thì với tính chất cố hữu của công nghệ sự phát thải CO lớn là một vấn đề cần có các biện pháp tích cực giải quyết nó. Các thử nghiệm cũng đã đợc thực hiện trong cả hai môi trờng muối đơn (Na 2 CO 3 ) và hỗn hợp muối nóng chảy (Na 2 CO 3 K 2 CO 3 ). So sánh các kết quả thử nghiệm tại hai môi trờng khác nhau cho thấy khả năng giảm chi phí vận hành do tiết kiệm đợc năng lợng cung cấp cho quá trình khi sử dụng hỗn hợp muối nóng chảy trong công nghệ MSO. Dựa trên các thông số vận hành và kết quả khảo sát hiệu quả khoa học của công nghệ nói chung và của hệ thống thử nghiệm nói riêng, qui trình vận hành có tính chất hớng dẫn đã đợc thiết lập. Từ các kết quả nghiên cứu đã có thể đánh giá sơ bộ khả năng ứng dụng của công nghệ MSO để xử lý các chất thải hữu cơ chứa clo ở qui mô bán công nghiệp. 5 Abstract The project:” Study on application of molten salt oxidation (MSO) for PVC plastic wastes treatment” should aim three followings. Installation of lab-scale MSO unit with essential compositions builds up foundation for the estimation of waste destruction efficiency of the technology. Based on the results of testing PVC - the chlorinated organic wastes on the lab-scale unit, the ability of the technology application at pilot-scale level will be primary estimated. The adjustment and correction of some compositions in the lab-scale unit theoretically designed during experiment overcame the shortages by design and fabrication such as heat distribution regime, feeding wastes and draining spent salt. These solutions adapt to the technical requirement of operation as well as scientific requirement of the research on MSO process. PVC waste treatment was tested on the MSO lab-scale unit in different conditions of operation temperature, superficial air velocity related to air/oxygen feeding rate, waste feeding rate. The testing results showed that destruction efficiency of chlorine in MSO technology is almost absolute. HCl and Cl 2 emission was insignificant in different operation conditions. HCl and Cl 2 emission depend on resident time and nature of molten salt. However, with inherent attributes of MSO technology emission of CO is not avoided in processing waste treatment. Therefore, finding out active solutions for reduction CO emission is essential to complete the technology. The experiments also were carried in conditions of single molten salt (Na 2 CO 3 ) and molten (Na 2 CO 3 – K 2 CO 3 ) eutectic. The comparison of efficiency of these tests gives idea of using molten salt eutectic to reduce operation cost in MSO technology. Based on operation parameters and scientific verification results during experiments, the introductory procedure of waste treatment by MSO process was built up. Thereby primary estimation of development of the technology in pilot-scale was given. 6 Mục lục Bảng từ viết tắt 2 Tóm tắt 3 Abstract 4 Phần a: mở đầu 7 I/ Tổng quan và cơ sở lý thuyết I.1/ thực trạng chất thải nguy hại và các giải 7 pháp Xử lý ở việt nam I.2/ Công nghệ MSO và các u điểm 8 I.3/ Các nghiên cứu ứng dụng công nghệ 11 Mso trên thế giới để xử lý chất thải nguy hại I.4/ Cơ sở khoa học của các yếu tố ảnh hởng 12 đến hiệu quả phản ứng trong quá trình mso i.5/ các kết quả thực nghiệm ở nớc ngoài và 15 và các giả thuyết phân tích quá trình mso I.5.1/ Kết quả thử nghiệm của phòng thí nghiệm Đại học 15 Maryland, Mỹ I.5.2/ Kết quả thử nghiệm của phòng thí nghiệm MSO ở 16 KAERI, Hàn Quốc. I.5.3/ Kết quả thử nghiệm của phòng thí nghiệm LLNL, Mỹ 16 I.6/ mục tiêu của xử lý thử nghiệm pvc trên 17 Hệ thống mso Ii/ mục tiêu và nội dung của đề tài 18 Phần b : kết quả nghiên cứu 20 i. xây dựng, hoàn thiện hệ thống thử nghiệm 20 mso với công suất 0,3- 0,5kg/giờ. I.1/ đặt vấn đề 20 I.2/ mô tả hệ thống thử nghiệm mso 21 công suất 0,3- 0,5kg/giờ. I.2.1/ Lò phản ứng 21 I.2.2/ Lò nhiệt 21 I.2.3/ Hệ nạp liệu và cấp oxy/không khí 22 I.2.4/ Hệ kiểm soát nhiệt độ 23 I.2.5/ Hệ xử lý khí thải 25 I.2.6/ Bộ hỗ trợ tháo muối. 25 I.3/ phân tích các phần đợc sửa đổi và thay thế 25 I.3.1 Bổ sung Bộ hỗ trợ tháo muối 26 7 I.3.2/ Điều chỉnh vùng nhiệt và bổ sung Hệ điều khiển nhiệt độ 27 I.3.3/ Điều chỉnh Hệ nạp thải và cấp oxy/không khí 27 I.4/ Đánh giá hệ thống thử nghiệm MSO 28 công suất 0,3- 0,5kg/giờ. I.5/ Kết luận 29 Ii/ đánh giá hiệu quả xử lý và xây dựng qui trình 29 vận hành hệ thống thử nghiệm mso công suất 0,3-0,5kg/giờ II.1/ Đặt vấn đề 29 II.2/ thiết lập qui trình thử nghiệm 28 thải pvc để đánh giá hiệu quả xử lý. II.2.1/ Yếu tố nhiệt độ 29 II.2.2/Yếu tố chiều cao cột chất lỏng- muối nóng chảy 30 II.2.3/ Yếu tố vận tốc bề mạt khí 30 II.2.4/ Yếu tố lợng oxy cấp vào 30 II.3/ Quá trình thử nghiệm và đánh giá hiệu quả 31 xử lý. II.3.1/ Thử nghiệm xử lý PVC trong môi trờng 31 muối đơn nóng chảy. II.3.1.1/ Xác định đặc trng của chất thải 31 II.3.1.2/ Qui trình thử nghiệm và phơng pháp đo 32 II.3.1.3/ Kết quả và bình luận 35 II.3.2/ Thử nghiệm xử lý PVC trong môi trờng 41 hỗn hợp muối nóng chảy. II.3.2.1/ Qui trình thử nghiệm và phơng pháp đo 41 II.3.2.2/ Kết quả và bình luận. 43 II.3.3 So sánh hiệu quả phân hủy clo tại hai môi trờng 43 muối đơn và hỗn hợp muối nóng chảy. II.4/ QUI trình vận hành hệ thống thử nghiệm mso 44 II.5/ kết luận 45 Iii/ đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ Mso 46 để xử lý thải hữu cơ chứa Clo ở qui mô bán công nghiệp. Phần c: kết luận và kiến nghị 49 Tài liệu tham khảo 51 Phụ lục 52-64 8 Phần a: mở đầu I/ tổng quan và cơ sở lý thuyết I.1/ thực trạng chát thảI nghuy hại và các giải pháp xử lý ở việt nam. [1] Một điều tất yếu sẽ xảy ra cùng với sự phát triển công nghiệp và mở rộng các hoạt động kinh tế trong từng quốc gia đó là lợng chất thải ngày càng gia tăng và điều này dẫn đến sự gia tăng về khả năng gây ô nhiễm cao cho môi trờng. Các chất thải có tiềm năng gây ô nhiễm cao cho môi trờng chủ yếu từ các chất thải nguy hại là sản phẩm của các quá trình chế biến hóa chất, hoạt động y tế, công nghiệp, nông nghiệp, các nhà máy năng lợng và các nguồn thải rác đô thị . Các kết quả khảo sát và thống kê thực trạng sự phát sinh các chất thải nguy hại ở Việt Nam cũng chỉ ra đây là nguồn ô nhiễm nghiêm trọng và ngày càng lớn. Theo dự báo đến năm 2010 với sự tăng mạnh dân số trong các đô thị và với sự phát triển thêm nhiều ngành công nghiệp cũng nh các cơ sở y tế tiếp tục đợc hiện đại hóa, lợng chất thải nguy hại sẽ tăng gấp 3 lần. Nguồn phát sinh chất thải nguy hại lớn nhất là các cơ sở công nghiệp (với 130.000tấn/năm theo thống kê năm 2004) và các bệnhviện (với 21.000tấn/năm theo thống kê năm 2004). Ngoài ra nông nghiệp cũng là nguồn phát sinh chất thải nguy hại. Trung bình hàng năm nớc ta chi khoảng 100 triệu US$ để nhập khẩu một lợng thuốc bảo vệ thực vật khoảng 6500 - 9000 tấn dới dạng thành phẩm hoặc nguyên liệu. Con số trên cha tính đến còn có một lợng rất lớn các loại thuốc bảo vệ thực vật nhập lậu trái phép qua biên giới Việt Trung. Theo thống kê sơ bộ trong năm 2001 nớc ta có khoảng 26 kho thuốc bảo vệ thực vật tồn đọng quá hạn sử dụng và lợng thuốc bảo vệ thực vật cần tiêu hủy trong phạm vi toàn quốclà 200 tấn đặc biệt trong đó có khoảng 10 tấn DDT. Các chất thải nguy hại đáng quan tâm nhất là các chất thải hữu cơ chứa clo, các chất thải chứa kim loại nặng, các chất thải phóng xạ và pha trộn, các hoá chất độc và đặc biệt là các chất PCBs và POP. Lợng các chất thải kể trên chiếm một tỉ lệ khá cao. Ví dụ lợng chất thải PVC, PP, PTEF v.v. trong y tế chiếm 10,1%; trên toàn quốc hiện có 9 điểm chứa các hoá chất độc; lợng dầu có chứa PCBs trong công nghiệp điện ớc tính có thể lên đến 4.000-5.000 tấn. Tuy nhiên hầu hết các loại chất thải nguy hại cho đến nay vẫn cha đợc xử lý triệt để. Một nhận định rằng Việt Nam hiện đang thiếu công nghệ xử lý các chất độc hại cũng nh các công nghệ thích hợp cho từng loại thải. 9 Các giải pháp xử lý chất thải rắn nói chung kể cả chất thải nguy hại ở Việt Nam chủ yếu là chôn lấp (50%) sau đó là giải pháp đốt (25%). Các giải pháp đốt đợc sử dụng trong y tế nhiều nhất. Hiện tổng số lò đốt sử dụng trong y tế là 51 trong đó có 47 lò đợc nhập khẩu. Hầu hết các lò đốt ngoại đều không đợc nhập khẩu đồng bộ do đó việc xử lý rác thải y tế đã gây ra ô nhiễm từ các nguồn thải thứ cấp. Bộ y tế đã ban hành các tiêu chuẩn cho phép sử dụng đối với lò đốt rác thải y tế thông thờng nhng khống chế đối với thải nguy hại. Các chất thải rắn nguy hại trong công nghiệp chủ yếu đợc cất giữ tạm thời để chờ xử lý. Một vài nơi sử dụng lò đốt rác cho chất thải công nghiệp nhng chỉ tập trung ở phía Nam. Tuy nhiên hầu hết các lò đốt này đều không thể đáp ứng xử lý thích hợp các loại chất thải nguy hại. Một số Viện nghiên cứu và công ty đã và đang tìm kiếm các công nghệ để giải quyết các chất thải đặc biệt nhậy cảm nh PCBs và POP. Hớng nghiên cứu tập trung vào các giải pháp đốt trên các hệ thống lò xi măng hay lò 2 tầng có xúc tác và giải pháp hoá học khử clo. I.2/ công nghệ mso và các u điểm Một phơng pháp truyền thống có hiệu quả cao để xử lý các chất thải là phơng pháp đốt trong các hệ thống lò đốt rác. Quá trình trong lò đốt rác (lò đốt) là một quá trình oxy hóa có ngọn lửa có khả năng biến đổi bằng nhiệt các chất thải từ thể rắn sang các thể lỏng, hơi hay ở thể rắn khác (thay đổi về cấu tạo và thành phần) nhằm làm giảm đáng kể về khối lợng, thể tích và mức độ độc hại của các chất thải đó. Các sản phẩm cháy hay nói cách khác là thành phần trong dòng khí phát ra từ lò đốt phụ thuộc rất nhiều vào hiệu quả cháy hay sự oxy hoá hoàn toàn trong lò đốt và bản chất của chất thải đợc đốt. Mặc dù lò đốt là biện pháp xử lý chất thải nhng nó cũng có thể biến thành một nguồn phát thải vào môi trờng gây ô nhiễm cho một vùng rộng lớn hơn do hiệu ứng phát tán của dòng khí ra. Điều này có thể xảy ra khi hệ thống lò đốt không kiểm soát đợc quá trình cháy, không kiểm soát đợc dòng phát thải ra bên ngoài. Sự gây ô nhiễm môi trờng từ các lò đốt có thể là các hạt bụi, các oxit ni tơ, lu huỳnh và cacbon, các khí axit, các kim loại nặng, và đặc biệt là các hydrocacbua, dioxin/furan. Tiềm năng phát ra dioxin từ các lò đốt là bởi nguyên nhân không thể phân hủy hết clo trong các chất thải hữu cơ chứa clo bằng quá trình đốt có ngọn lửa. Do đó, các nhà nghiên cứu xử lý môi trờng trên thế giới đã và đang tập trung tìm kiếm các giải pháp có thể xử lý triệt để các chất thải chứa clo. Một trong những công nghệ đợc coi nh giải pháp hữu hiệu trong tơng lai, công nghệ oxy hóa trong muối nóng chảy (MSO) đã chứng tỏ có nhiều u điểm vợt trội so với giải pháp lò đốt rác truyền thống. MSO là một quá trình xử lý thải bằng nhiệt mạnh mẽ không có ngọn lửa có thể phân hủy gần nh hoàn toàn đa dạng các chất thải mà chỉ phát ra một khối lợng nhỏ thải thứ cấp không nguy hại. Môi trờng trong quá trình MSO là môi trờng tạo điều kiện cho sự oxy hóa hoàn toàn và các phản ứng hóa học xảy ra nhanh chóng do đó dem lại hiệu quả phân hủy rất cao đối với các chất nguy hại và phóng xạ đặc biệt là các chất thải hữu cơ dẫn xuất clo. Công nghệ MSO đã đợc đánh giá là không có tiềm năng sinh ra dioxin/furan do khả năng phân hủy clo chứa trong chất thải gần nh triệt để (hiệu quả > 99,999%). [...]... khả năng đáp ứng các yêu cầu của công nghệ Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ oxy hóa trong muối nóng chảy (MSO) để xử lý chất thải plastic dạng PVC đợc xây dựng mang một ý nghĩa là sự khởi đầu để tìm hiểu công nghệ MSO và đặt nền tảng cho chơng trình nghiên cứu tiếp theo trong khi cha có sự nghiên cứu cụ thể nào về công nghệ này ở Việt Nam Nội dung nghiên cứu của đề tài đợc đặt ra để nhắm tới 3... quả phản ứng trong quá trình Mso Công nghệ MSO là một công nghệ dựa trên các quá trình phản ứng giữa các chất với oxy trong môi trờng muối nóng chảy Môi trờng nhiệt trong công nghệ 13 MSO là muối kiềm nóng chảy (mà thờng đợc lựa chọn là muối Na2CO3) Thực chất của giải pháp oxy hóa trong muối nóng chảy để xử lý các chất thải hữu cơ là làm biến đổi các chất hữu cơ thành các chất vô cơ và các chất vô hại... trình xử lý PVC vào việc phát ra dioxin từ các lò đốt chiếm u thế so với các quá trình xử lý các chất thải plastic khác Nồng độ dioxin phát ra từ quá trình đốt PVC lớn gấp 10 lần so với các quá trình đốt PS, PE, PTEF v.v Các nghiên cứu thực nghim đã chứng minh rằng không thể xử lý triệt để chất thải PVC trên hệ thống lò đốt do không thể phân hủy hết clo đợc chứa trong thải Trong quá trình đốt PVC, sự... trên hàng trăm kết quả nghiên cứu thử nghiệm hàng loạt các loại chất thải nguy hại khác nhau trong các phòng thí nghiệm trên thế giới Để ứng 19 dụng công nghệ tiên tiến, an toàn với môi trờng vào lĩnh vực xử lý chất thải ở Việt Nam cần có một chơng trình nghiên cứu nghiêm túc nhằm: (1) thẩm tra lại hiệu quả khoa học của công nghệ đối với các chất thải nguy hại đặc biệt là các chất thải có tiềm năng gây... Các chất thải có độ tro lớn và có thành phần clo rất cao cũng là sự bất lợi cho hiệu quả phân hủy do việc làm tăng độ nhớt trong lớp nóng chảy và phát thải các oxit cacbon Ngoài ra do cấu tạo và công nghệ, công suất của lò không cao I.3/ Các nghiên cứu ứng dụng công nghệ MSO trên thế giới để xử lý chất thải nguy hại Từ thập niên 70 của thế kỷ trớc, International Rockwell (Mỹ) đã thử nghiệm công nghệ. .. thải nguy hại và khó xử lý nh PVC Từ các kết quả thu đợc trong quá trình thử nghiệm dựa trên cơ sở kỹ thuật thực tế của hệ thống thiết bị công nghệ, qui trình vận hành công nghệ đợc thiết lập Điều này là cơ sở để đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ vào xử lý các loại chất thải hữu cơ chứa clo khác ở qui mô lớn ngoài phòng thí nghiệm Nó cũng là cơ sở để tiếp tục nghiên cứu công nghệ với mức độ sâu rộng... mục đích làm mát ống dẫn thải để tránh phản ứng cháy chất thải trớc khi chất thải chìm vào trong bể muối Chất thải đợc nạp vào qua phễu chứa (H.6) và đợc dẫn xuống dới đáy của lò phản ứng qua ống dẫn thải Không khí có vận tốc cao đợc đa vào bộ ejector (H.6) có tác dụng tạo ra sức hút để hút các hạt thải rắn và cuốn các chất thải xuống vùng muối nóng chảy Theo thiết kế, hệ cấp oxy/ không khí gồm các ống... PVC đợc thực hiện trong hai môi trờng muối đơn và hỗn hợp muối nóng chảy II.3.1/ Thử nghiệm xử lý PVC trong môi trờng muối đơn nóng chảy: II.3.1.1/ Xác định đặc trng của chất thải: Các chất thải PVC là các dây truyền dịch đờng kính 3 mm đợc thu thập từ bệnh viện E Sau khi đợc phân loại, rửa sạch các dây truyền PVC đợc cắt nhỏ với kích thớc . tổng kết đề tàI khoa học công nghệ cấp bộ năm 2005-2006 nghiên cứu ứng dụng công nghệ oxy hóa trong muối nóng chảy (mso) để xử lý chất thảI plastic dạng pvc (Mã số: BO/05/04-03). & công nghệ Viện năng lợng nguyên tử việt nam Báo cáo tổng kết khoa học và công nghệ đề tài Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ô-xy hóa trong muối nóng chảy để xử lý chất thải plastic. 4 Tóm tắt Đ ề tài :Nghiên cứu ứng dụng công nghệ oxy hóa trong muối nóng chảy (MSO) để xử lý chất thải plastic dạng PVC nhằm đạt 3 mục tiêu. Xây dựng hệ thống MSO