Các lò phản ứng chuyển đổi chất thải: Pyrolysis, khí hóa và đường thủy nhiệt

Lò phản ứng chuyển đổi chất thải: Quá trình nhiệt phân, khí hóa và thủy nhiệt

Lò phản ứng chuyển đổi chất thải là gì?Lò phản ứng chuyển đổi chất thải là một thiết bị biến đổi rác thải, sinh khối, nhựa hoặc bùn có giá trị thấp hoặc nguy hại thành năng lượng hoặc hóa chất và được xác định bằng một trong bốn con đường sử dụng: nhiệt phân, đốt nóng trong điều kiện không có oxy ở 400-700°C để tạo ra dầu, khí và than nhiệt phân; khí hóa ở nhiệt độ 700-1200°C để tạo ra khí tổng hợp 10-30 MJ/m3 thông thường; cacbon hóa thủy nhiệt ở 180-250°C và 20-40 bar để sản xuất hydrochar từ sinh khối ướt; hoặc phân hủy kỵ khí ở 35-38°C để tạo khí sinh học. Thách thức kỹ thuật chủ yếu là tính không đồng nhất của thức ăn, vì chất thải rắn đô thị, sinh khối và bùn khác nhau về độ ẩm, nhiệt trị và chất gây ô nhiễm theo từng đợt, do đó lò phản ứng phải chịu đựng những gì đến thay vì lượng thức ăn cố định. Vật liệu và các bộ phận bên trong được chọn vì khả năng mài mòn, hắc ín, tro và ăn mòn nhiều hơn so với thành phần hóa học cốt lõi.

1. Con đường chuyển đổi và các lò phản ứng của chúng

Mỗi con đường phù hợp với một chất thải khác nhau và tạo ra một sản phẩm khác nhau:

• Nhiệt phân và khí hóa chất thải rắn:Quá trình nhiệt phân làm nóng chất thải hoặc nhựa đã được phân loại trong điều kiện không có oxy ở nhiệt độ 400-700°C, phân hủy nó thành dầu nhiệt phân, một loại khí và than dễ cháy, với sản lượng dầu đạt 30-60% trọng lượng tùy thuộc vào thức ăn. Quá trình khí hóa còn đi xa hơn, oxy hóa một phần nguyên liệu ở 700-1200°C thành khí tổng hợp gồm carbon monoxide và hydro ở mức 10-30 MJ trên một mét khối thông thường, có thể đốt hoặc chuyển đổi hóa học. Các lò phản ứng thường là lò quay, tầng sôi hoặc trục vít được gia nhiệt gián tiếp, và các vấn đề trọng tâm là sự hình thành hắc ín, làm tắc nghẽn và ngừng hoạt động của thiết bị hạ nguồn cũng như tro và than mài mòn làm mòn các bộ phận bên trong. Việc chuẩn bị thức ăn, sấy khô và phân loại vật chất cũng nhiều như lò phản ứng, vì độ ẩm trên khoảng 30-40% và chất trơ sẽ phá hủy sự cân bằng năng lượng của quá trình.
• Chuyển đổi thủy nhiệt của sinh khối ướt:Đối với thức ăn ướt như bùn thải, chất thải thực phẩm và phân bón, sấy khô là bước tốn kém, vì vậy các tuyến thủy nhiệt xử lý vật liệu ở độ ẩm tự nhiên. Quá trình cacbon hóa thủy nhiệt diễn ra ở 180-250°C và 20-40 bar trong 5-30 phút để chuyển phần hữu cơ thành hydrochar, một chất rắn giống như than với khả năng xử lý và mật độ năng lượng được cải thiện. Lò phản ứng là một bình chịu áp lực được khuấy hoặc dòng cắm có khả năng chống lại pha nước có nhiệt độ cao, ăn mòn cũng như sạn và sợi trong nguyên liệu. Con đường này tránh được tình trạng khô do nhiệt phân và rất phù hợp với bùn và chất thải nông nghiệp, nơi mục tiêu là giảm thể tích, ổn định và thu hồi năng lượng hơn là sản phẩm lỏng có giá trị cao. Ranh giới áp suất và đường dẫn ướt chống ăn mòn là các hạng mục thiết kế chính.
• Tiêu hóa kỵ khí để cung cấp năng lượng và ổn định:Đối với chất thải có hàm lượng hữu cơ cao, quá trình phân hủy kỵ khí trong lò phản ứng kín ở 35-38°C sẽ chuyển hóa chất hữu cơ thành khí sinh học, khoảng 60% metan, ở mức 0,3-0,6 m3/kg COD trong thời gian lưu giữ 15-30 ngày. Lò phản ứng thường là bể chứa thủy tinh nung chảy bằng thép hoặc bê tông có thể tích từ hàng ngàn đến 30.000 m3, trộn ở tốc độ 10-40 W/m3, với khoảng không gian phía trên được kiểm soát bằng khí quyển nổ. Đây là con đường chuyển đổi nhiệt nhẹ nhàng nhất nhưng lớn nhất về mặt thể tích, vì quá trình sinh học diễn ra chậm và thể tích được thiết lập theo thời gian lưu. Lò phản ứng phải xử lý cát sạn lắng và mài mòn, cường độ thức ăn thay đổi và chất phân hủy phải được khử nước, đồng thời sự ăn mòn của nó được thúc đẩy bởi vết sunfua và bất kỳ pha axit nào nếu rối loạn sinh học. Nó là công cụ chính của việc chuyển đổi chất thải đô thị và nông nghiệp.

2. Kỹ thuật cho thức ăn không đồng nhất, có tính mài mòn

Quá trình chuyển đổi chất thải tồn tại hay không phụ thuộc vào cách lò phản ứng đối phó với nguồn cấp dữ liệu thù địch, có thể thay đổi:

• Quản lý hao mòn vật liệu và bên trong:Mỗi lò phản ứng chuyển đổi chất thải đều chống mài mòn và ăn mòn cùng một lúc. Các lò phản ứng nhiệt phân và khí hóa nhận thấy than và tro nóng ăn mòn các bộ phận bên trong lò hoặc tầng sôi, vì vậy lớp lót chịu lửa, thanh bay cứng và tấm mài mòn có thể thay thế là tiêu chuẩn, và vật liệu nền trong tầng sôi được chọn cho cả khả năng phản ứng và khả năng chống mài mòn. Lò phản ứng thủy nhiệt và kỵ khí chống lại sự ăn mòn từ pha nước, dấu vết sunfua và clorua, do đó, lớp lót 316L, song công hoặc thép được nung chảy bằng thủy tinh được sử dụng khi hóa học cho phép. Triết lý thiết kế là làm cho các điểm hao mòn trở nên rẻ và dễ tiếp cận, mũi lò, bệ lò, van đáy, bởi vì một số thứ sẽ được thay thế đúng tiến độ bất kể hợp kim là gì. Việc chỉ định đối với nguồn cấp dữ liệu trung bình sẽ đánh giá thấp nghĩa vụ; thiết kế phải tồn tại được khi đến nơi có nhiều sạn, mặn, ẩm ướt.
• Xử lý, trộn và thông lượng thức ăn:Không giống như lò phản ứng hóa học được cung cấp thuốc thử nguyên chất, lò phản ứng thải nhận lượng thức ăn không thể đoán trước ở mức 50-1000 tấn mỗi ngày, do đó việc chuẩn bị, phân loại, cắt nhỏ, sấy khô và đo lượng thức ăn chiếm ưu thế trong nhà máy. Bản thân lò phản ứng cần có sự pha trộn mạnh mẽ để giữ cho chất rắn chuyển động mà không bị mài mòn quá mức, cơ cấu trục vít hoặc quay dành cho chất rắn, ống hút hoặc bánh công tác cắt thấp dành cho chất lỏng và chất phóng điện sẽ không chặn trên vải vụn, đá hoặc nhựa chưa nấu chảy. Công suất được thiết lập theo ngày cho ăn tồi tệ nhất, không phải mức trung bình, và theo sự cân bằng nhiệt, bởi vì độ ẩm cao và chất trơ sẽ tiêu thụ năng lượng mà quy trình dự kiến ​​tạo ra. Một lò phản ứng chuyển đổi không thể nạp và xả một cách đáng tin cậy sẽ là một trách nhiệm pháp lý cho dù tính chất hóa học của nó có tốt đến đâu.
• Làm sạch, An toàn và Phát thải Sản phẩm:Sản phẩm lò phản ứng hiếm khi là mặt hàng có thể bán được cuối cùng; nó cần dọn dẹp. Dầu nhiệt phân có tính axit, không ổn định, dễ chảy nước và phải được nâng cấp; khí tổng hợp mang theo hắc ín, các hạt và khí axit gây hôi động cơ và phải được cọ rửa; khí sinh học mang hydro sunfua và siloxan làm hỏng máy phát điện. Do đó, lò phản ứng được chỉ định cùng với việc làm sạch khí hoặc chất lỏng và với các hệ thống an toàn cho các sản phẩm dễ cháy, kiểm soát khí quyển dễ nổ trên không gian phía trên của thiết bị phân hủy và giảm bớt mọi khí thải. Việc cho phép phát thải thúc đẩy phần lớn công việc thiết kế, từ kiểm soát NOx và dioxin trong quá trình đốt cháy đến quản lý mùi và nước rỉ rác trong quá trình phân hủy. Lò phản ứng là trái tim của nhà máy chuyển đổi chất thải, nhưng việc chấp nhận nó phụ thuộc vào việc làm sạch và kiểm soát khí thải xung quanh nó.

Ma trận so sánh các lộ trình chuyển đổi chất thải

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

Hỏi: Sự khác biệt giữa nhiệt phân và khí hóa trong chuyển đổi chất thải là gì?

Trả lời: Cả hai đều phân hủy chất thải bằng nhiệt mà không đốt cháy hoàn toàn, nhưng ở mức độ và sản phẩm khác nhau. Quá trình nhiệt phân làm nóng thức ăn trong điều kiện không có oxy ở nhiệt độ 400-700°C, phân tách nó thành dầu nhiệt phân, một loại khí và than dễ cháy, với sản lượng dầu đạt 30-60% trọng lượng. Quá trình khí hóa tiếp nhận một lượng oxy hoặc hơi nước hạn chế và thúc đẩy phản ứng đạt nhiệt độ 700-1200°C, chuyển đổi phần lớn nguyên liệu thành khí tổng hợp, carbon monoxide và hydro, ở mức 10-30 MJ/m3 thông thường, có thể đốt cháy hoặc nâng cấp về mặt hóa học. Nhiệt phân tốt hơn cho việc thu hồi chất lỏng từ nhựa và sinh khối; khí hóa tốt hơn cho nhiên liệu khí sạch và cho thức ăn dễ khí hóa. Cả hai đều phải vật lộn với hắc ín và tro, đồng thời cả hai đều cần sấy khô và phân loại thức ăn vì độ ẩm và chất trơ sẽ phá hỏng sự cân bằng năng lượng.

Hỏi: Tại sao tính không đồng nhất của thức ăn là thách thức lớn nhất trong các lò phản ứng chuyển đổi chất thải?

Trả lời: Bởi vì chất thải rắn đô thị, sinh khối và bùn khác nhau về độ ẩm, nhiệt trị, kích thước hạt và chất gây ô nhiễm theo từng đợt, trong khi lò phản ứng được thiết kế dựa trên giả định về nguồn cấp dữ liệu. Độ ẩm cao, trên 30-40%, và các chất trơ tiêu tốn rất nhiều năng lượng mà quy trình tạo ra, clo và kim loại bị ăn mòn và tạo mùi hôi, đá hoặc khối nhựa không tan chảy thải ra. Không giống như một lò phản ứng hóa học cung cấp thuốc thử nguyên chất ở tốc độ cố định, lò phản ứng thải phải chịu đựng những gì đến, do đó, việc chấp nhận nó phụ thuộc vào việc chuẩn bị thức ăn, phân loại, băm nhỏ, sấy khô và đo lường, trộn mạnh để không bị mài mòn hoặc tắc nghẽn, và các vật liệu được chọn cho trường hợp xấu nhất có sạn, mặn, ướt hơn là mức trung bình. Phần hóa học của lò phản ứng thường là phần dễ dàng; sống sót nhờ thức ăn là phần khó khăn.

Hỏi: Vật liệu nào được sử dụng trong lò phản ứng chuyển đổi chất thải?

Trả lời: Nó phụ thuộc vào tuyến đường và nguồn cấp dữ liệu đáng tin cậy nhất. Các lò phản ứng nhiệt phân và khí hóa nhận thấy sự mài mòn của tro và than nóng, vì vậy họ sử dụng lớp lót chịu lửa, thanh bay cứng và tấm mài mòn có thể thay thế, với vật liệu tầng sôi được chọn để chống mài mòn. Lò phản ứng thủy nhiệt và kỵ khí chống lại sự ăn mòn từ pha nước, vết sunfua và clorua, do đó, 316L, song công hoặc lớp lót được nung chảy bằng thủy tinh với thép được sử dụng khi hóa học cho phép, và các bể phân hủy kỵ khí thường là các bể lớn được nung chảy bằng thủy tinh với thép. Thiết kế này làm cho các điểm hao mòn trở nên rẻ tiền và dễ tiếp cận, mũi lò, bệ lò, van đáy vì dự kiến ​​sẽ có sự thay thế đúng tiến độ. Hợp kim được chọn để tăng đột biến chứ không phải ở mức trung bình vì thành phần chất thải dao động.

Hỏi: Lò phản ứng chuyển đổi chất thải hỗ trợ các mục tiêu kinh tế tuần hoàn như thế nào?

Đáp: Bằng cách di chuyển vật liệu lên chuỗi giá trị từ nơi thải bỏ đến nguồn tài nguyên. Thay vì chôn lấp hoặc đốt rác thải, sinh khối hoặc bùn, lò phản ứng thu hồi năng lượng dưới dạng khí tổng hợp, khí sinh học hoặc dầu nhiệt phân, thu hồi vật liệu dưới dạng than hoặc than hydrochar có thể được sử dụng làm nhiên liệu hoặc cải tạo đất, đồng thời giảm khối lượng và mức độ nguy hiểm của cặn phải chôn lấp. Quá trình cacbon hóa thủy nhiệt và phân hủy kỵ khí còn giúp ổn định chất thải hữu cơ ướt và giảm gánh nặng vận chuyển cũng như mùi hôi của nó. Lò phản ứng là trục kỹ thuật của một nhà máy biến chất thải thành năng lượng hoặc chất thải thành hóa chất, đồng thời hiệu quả kinh tế và môi trường của nó dựa trên việc chuyển đổi đáng tin cậy một nguồn cấp dữ liệu biến đổi thành một đầu ra ổn định, có thể bán được, đó là lý do tại sao việc xử lý thức ăn và làm sạch sản phẩm được thiết kế như một phần của cùng một hệ thống.