Luận án Phân tích hệ thống quá trình đốt nhiệt phân chất thải rắn công nghiệp đặc trưng

1. ÐẶT VẤN ÐỀ Tiết kiệm sử dụng nhiên liệu hoá thạch, giảm thiểu lượng rác thải, tái chế, tái sử dụng và tái sinh năng lượng từ rác thải hiện nay đang là vấn đề được quan tâm ở mức toàn cầu hoá. Trong đó, tái chế chất thải đang dần trở thành một ngành công nghiệp thực sự tại các nước công nghiệp phát triển như Anh, Pháp, Đức, Mỹ, Nga, Trung Quốc, Nhật, Ngành công nghiệp đặc biệt này tái chế chất thải góp phần cung cấp các loại nguyên liệu như nylon, nhựa, giấy, gỗ, kim loại, thủy tinh, với chi phí thấp hơn nhiều so với chi phí sản xuấtcác loại nguyên liệu ban đầu. Phần nguyên liệu bẩn còn lại có nguồn gốc hữu cơ sau khi được phân loại, một lần nữa được xem là chất thải của ngành công nghiệpphân loại tái chế, và thường được tiếp tục xử lý bằng các phương pháp đốt khác nhau nhằm tạo điều kiện giảm áp lực quỹ đất của các bãi chôn lấp. Vấn đề đốt “chất thải của chất thải” kết hợp phát điện hiện nay cũng đang được đầu tư nghiên cứu ở rất nhiều các quốc gia công nghiệp phát triển nêu trên. Một trong những loại thiết bị sử dụng phổ biến là lò đốt có vỉ lò di chuyển (travelling bed). Thiết bị lò đốt có vỉ lò di chuyển được sử dụng phổ biến để đốt sinh khối (biomass), chất thải sinh hoạt tại nhiều nơi trên thế giới. Nhiều công trình nghiên cứu của các trường Đại học, các Viện nghiên cứu, cácnhà máy công nghiệp đối với loại thiết bị này đã được thực hiện và thu được những kết quả quan trọng, đóng góp vào sự hiểu biết về quá trình cháy, về phương thức nâng cao hiệu quả cháy, trong quá trình xử lý rác thải bằng phương pháp đốt. Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa có một nghiên cứu nào thực hiện tiếp cận quá trình đốt rác thải trong thiết bị lò đốt có vỉlò di chuyển một cách thựcsự chuẩn mực với nguyên tắc thiết bị lò đốt rác thải được xét như là một hệ thống phức tạp. Trên cơ sở nhận thức sâu sắc về ý nghĩa và giá trị củaviệc đốt chất thải rắn trong thiết bị đốt có vỉ lò di chuyển, đề tài luận văn Tiến sĩ “Phân tích hệ thống quá trình đốt chất thải công nghiệp đặc trưng” được đề xuất thực hiện phối hợp tại trường Đại học Quốc gia TP.HCM và Đại học Sheffield, UK. Trong đó, đối tượng nghiện cứu được xem xét như một hệ thống phức tạp và các tácvụ nghiên cứu được xác lập và triển khai theo tinh thần của phương pháp luận Tiếp cận Hệ thống. 2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Như đã đề cập ở trên, đối tượng nghiên cứu trong đề tài này bao gồm: ¾ Vật liệu nghiên cứu: chất thải rắn hữu cơ đã phân loại cho mục đích tái chế, tái sử dụng (chất thải của chất thải) và sinh khối thực vật (chất thải của ngành sản xuất nông nghiệp); ¾ Thiết bị: lò đốt kiểu cột nhồi (là mộtmô hình vật thể thu nhỏ của thiết bị lò đốt có vỉ lò di chuyển); ¾ Quá trình đốt: đốt nhiệt phân chất thải rắn; ¾ Phương pháp mô hình hóa quá trình đốt nhiệt phân chất thải rắn; ¾ Chương trình mô phỏng quá trình cháy chất thải rắn. 3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Mục tiêu đặt ra trong Luận án này là: ¾ Nghiên cứu tính chất của quá trình cháy của hỗn hợp vật liệu rắn trong thiết bị đốt kiểu cột nhồi; ¾ Xác định phương trình động học quá trình cháy của từng loại vật liệu là chất thải sau khi phân loại tái chế, tái sử dụng và sinh khối nông nghiệp; ¾ Xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả quá trình cháy của vật liệu rắn theo phương pháp phân tích hệ thống; ¾ Xây dựng chương trình mô phỏng nghiên cứu quá trình đốt vật liệu rắn theo phương pháp thể tích hữu hạn; 4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Các nội dung nghiên cứu ch?y?u trong luận án này g?m: ¾ Tổng quan các nghiên cứu về quá trình đốt chất thải rắn trên thế giới và trong nước theo quan điểm c?a phương pháp luận tiếp cận hệ thống. ¾ Nghiên cứu các ảnh hưởng chủ yếu của các yếu tố vật lý đến quá trình cháy trong hệ gồm: ảnh hưởng của lưu lượng không khí sơ cấp, ảnh hưởng của độ rỗng của hệ. ¾ Vận dụng phương pháp phân tích hệ thống nghiên cứu xây dựng mô tả toán học cho đối tượng lò đốt có vỉ lò di chuyển. ¾ Xử lý dữ liệu nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định các đặc tính cấu trúc, cấu tạo vật chất của vật liệu; nghiên cứu quá trình cháy của vật liệu trên thiết bị đốt kiểu cột nhồi để xác định các thông số của mô hình. ¾ Xây dựng một chương trình CIS dựa vào phương pháp thể tích hữu hạn để mô phỏng, kiểm chứngmô hình toán học xây dựng được. 5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Luận án này được thực hiện trên cơ sở của phương pháp luận tiếp cận hệ thống và được triển khai theo một lược đồ logic tương ứng với tác vụ chủ đạo là phân tích hệ thống. Các phương pháp được vận dụng để tiếnhành phân tích hệ thống quá trình đốt nhiệt phân chất thải rắn bao gồm: ¾ Phương pháp phân hoạch hệ thống: được sử dụng để nhận dạng những vấn đề cụ thể cần nghiên cứu trên những quy mô, phạm vithuộc các phân hệ. ¾ Phương pháp tích hợp hệ thống: được sử dụng để tổng hợp các kết quả nghiên cứu trên các phân hệ, tạo ra kết quả cho các hệ có quy mô lớn hơn. ¾ Phương pháp nghiên cứu trên mô hình vật thể: từ kết quả phân hoạch hệ thống xác định được các mô hình vật thể (các thiết bị thực nghiệm) và tiến hành nghiên cứu trên các mô hình vật thể để nhận dạng quá trình đốt nhiệt phân các loại vật liệu đã được chọn làm đạidiện cho các chất thải rắn. Phương pháp nghiên cứu trên mô hình vật thể bao hàm cả quá trình thống kê xử lý các dữ liệu thực nghiệm. ¾ Phương pháp xây dựng và nghiên cứutrên mô hình toán học: được sử dụng với mục đích hỗ trợ cho các nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình vật thể, nhằm tạo ra những biểu đạt có tính khái quát hơn và sau đó có thể tiến hành mô phỏng quá trình đốt nhiệt phân trên cơ sở các mô tả toán học thu được. 6. Ý NGHĨA KHOA HỌC • Đây là nghiên cứu đầu tiên ở trong và ngoài nước cho đến nay đã vận dụng nhất quán phương pháp Phân tích Hệ thống với tư cách là một tác vụ chiến lược của phương pháp luận Tiếp cận Hệ thống để nghiên cứu quá trình đốt vật liệu rắn “chất thải của chất thải” trên đối tượng thiết bị lò đốt kiểu cột nhồi. • Mô tả toán học quá trình cháy của vật liệu rắn trong thiết bị đốt kiểu cột nhồi đã được xây dựng trên cơ sở khai thác biểu đạt toán học tổng quát của các quá trình đa phân tán là phương trình cân bằng tính chất tập đoàn hạt. • Các nghiên cứu thực nghiệmđối với một số chất thải rắn đặc trưng của quá trình phân loại tái chế rác thải đã đóng góp vào sự hiểu biết đầy đủ hơn về quá trình cháy các loại vật liệu đó thông qua các phương trình động học thu được. • Việc xây dựng và xác định được các đại lượng hóa-lý đóngvai trò các thông số kiểm soát quá trình cháy như tốc độ cháy trung bình (ABR), Tốc độ cháy nghiêm ngặt (SBR), kếthợp với các đại lượng tốc độ cháy lan (IFS), tốc độ bắt cháy (IR), tốc độ cháy (BR) trởthành nghiên cứu đầu tiên thể hiện sự hiểu biết tường tận quá trình cháy trong thiết bị đốt kiểu cột nhồi. Nhờ thế, kết quả nghiên cứu của luận án đã góp phần nâng cao vịthế nghiên cứu công nghệ đốt chất thải của Việt Nam lên tầm cấp khu vực và Đông Nam Á thể hiện qua các công trình đã công bố trong hội nghị RSCE 2006 tại Singapore, Hội nghị lần thứ 21 về Công nghệ Hóa học của Malaysia năm 2007 và tạp chí công nghệ Hóa học của ASEAN năm 2008 và Hội nghị về Công nghệ Hóa học ASEAN lần 2 năm 2009. • Đối tượng vật liệu nghiên cứu là hỗnhợp giấy và hỗn hợp sinh khối được sử dụng trong nghiên cứu này đã đóng góp vào các nghiên cứu chung của nhóm nghiên cứu của trường Đại học Sheffield (Vương Quốc Anh) về sự hiểu biết quá trình cháy của loại vật liệu “chấtthải của chất thải”. Đây cũng được xem là các nghiên cứu mở đường cho việc nghiên cứu quá trình cháy của các loại chất thải rắn tương tự ở Việt Nam. 7. Ý NGHĨA THỰC TIỄN • Thiết bị đốt kiểu cột nhồi được nghiên cứutrong luận án có thể được triển khai ứng dụng cho thiết bị lò đốt có vỉ lò di chuyển và thiết bị lò đốt tĩnh hai cấp. Đây là hai loại lò đốt chất thải phổ biến trên thế giới và ở Việt Nam. Với việc vận dụng thành công phương pháp luận Tiếp cận hệ thống thông qua tác vụ phân tích hệ thống để xây dựng mô tả toán học, phương pháp nghiên cứu này đã được triển khai ứng dụngxây dựng mô tả toán học trong đề tài "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ đốt nhiệt phân để xử lý chất thải rắn nguy hại tại TP.HCM" và đề tài "Nghiên cứu ứng dụng quá trình nhiệt phân để xử lý thành phần hữu cơ trơ trong chất thải rắn sinh hoạt tại TP.HCM theo hướng sản xuất nhiên liệu". • Đối tượng nghiên cứu trong luận án là các chất thải đã được phân loại để tái chế và tái sử dụng.Kết quả nghiên cứu của đề tài đã góp phần giải quyết sức ép của các bãi chôn lấp rác, đặc biệt là trong lĩnh vực kết hợp đốt rác và sản xuất điện năng, phục vụ nhu cầu sinh hoạt và sản xuất công nghiệp.