PGS.TS Nguyễn Minh Ngọc (Giám đốc Trung tâm nghiên cứu ứng dụng vật liệu xanh, Công ty TNHH GTS Innolab) và các cộng sự tại Viện Dầu khí Việt Nam và trường Đại học Dầu khí Việt Nam đã nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt trong lò quay reactor với cao su lốp xe cắt nhỏ để cho ra được quy trình nhiệt phân phù hợp ở quy mô lớn.
Kết quả này hứa hẹn sẽ giúp giảm thời gian gia công nhiệt, giảm chi phí nhiên liệu đốt, nâng cao được quá trình trao đổi nhiệt, quá trình thu gom khí bốc cũng như tăng sản lượng dầu thu được từ nguyên liệu tái chế.
Dù là một vấn đề đã được quan tâm ngay từ khi ngành công nghiệp cao su ra đời, song trong bối cảnh số lượng cao su phế thải cũng như các loại rác khó phân hủy ngày càng gia tăng như hiện nay, việc xử lý và tận dụng cao su phế thải càng trở thành một bài toán bức thiết. “Chỉ riêng lượng lốp xe hỏng được thu gom từ các garage sửa chữa ô tô, xe máy tại tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu đã có thể lên đến hơn 100 tấn/ngày”, PGS.TS Nguyễn Minh Ngọc - Giám đốc Trung tâm nghiên cứu ứng dụng vật liệu xanh, Công ty TNHH GTS Innolab - dẫn ra một ví dụ từ địa bàn nghiên cứu của mình.
Đã có nhiều biện pháp được triển khai trong thực tế để tận dụng nguồn nguyên liệu này hoặc hạn chế đến mức thấp nhất tác động của loại chất thải này đối với môi trường. Tuy nhiên, “các cơ sở tái chế nguyên liệu (lốp xe cũ, nhựa,..) đều làm theo kiểu kinh nghiệm, chưa có thông số tính toán cụ thể, dẫn đến công nghệ nhiệt phân còn nhiều hạn chế về chu trình nhiệt”, TS. Nguyễn Mạnh Huấn (Viện Dầu khí Việt Nam) cho biết. Hạn chế này dẫn đến hiệu suất thu hồi các sản phẩm quý như dầu, than đen (carbon black) thấp, cũng như khiến cho lượng nhiệt thừa từ khí không ngưng không được tuần hoàn, từ đó làm phát sinh khí thải thứ cấp, thời gian nhiệt phân cũng dài hơn.
Thực tế ấy đã thôi thúc nhóm nghiên cứu của PGS.TS Nguyễn Minh Ngọc và các kỹ sư của Nhà máy Năng lượng tái tạo DVA (nhà máy DVA) thuộc hệ sinh thái cùng Công ty TNHH GTS Innolab đã cùng thảo luận và tính toán lại để cho ra được quy trình nhiệt phân phù hợp hơn ở quy mô lớn, từ đó nâng cao sản lượng, chất lượng sản phẩm và bảo đảm chống cháy nổ cho toàn dây chuyền công nghệ.
Giải bài toán về nhiệt
Cho đến nay, theo PGS.TS Nguyễn Minh Ngọc, các nghiên cứu về bài toán nhiệt đã có nhiều, song ứng dụng cụ thể cho lò nhiệt phân lốp xe cũ lại chưa có, đặc biệt là biểu đồ gia công nhiệt, liên quan giữa thời gian và nhiệt độ cho từng công đoạn nhiệt phân (nâng nhiệt, hằng nhiệt và làm nguội). Do đó, mục tiêu chính mà họ đặt ra là tính toán nhiệt do đốt cháy nhiên liệu khí GAS dư, nhiệt độ trong buồng đốt, nhiệt độ mặt ngoài và nhiệt độ trong vỏ lò reactor; nâng cao quá trình truyền nhiệt và hiệu quả khi có gia công cắt nhỏ lốp xe, khí động học của dòng khí nóng. Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu hướng đến việc đưa ra biểu đồ gia công nhiệt, biểu đồ bảo toàn vật chất và đưa kết quả bài toán tính toán nhiệt vào ứng dụng thực tế tại nhà máy, trung tâm điều khiển chung, xử lý số liệu với hệ thống đo cảm ứng nhiệt độ, áp suất, lượng dầu khí tạo thành theo thời gian gia công nhiệt.
Thực tế, nhiệt lượng mà nguyên liệu thải lốp xe cao su hấp thụ phụ thuộc nhiều vào các yếu tố như nguồn nhiệt cấp, phương pháp trao nhiệt (bức xạ, đối lưu và truyền dẫn nhiệt) và đặc biệt là hình dạng kích thước của lốp xe khi tăng diện tích tiếp xúc nguồn nhiệt khi được gia công cắt nhỏ. Để tiến hành tính toán, nhóm nghiên cứu đã dựa vào các thông số kỹ thuật mà nhà máy DVA cung cấp. Trong đó, lò quay reactor, nhiệt phân lốp xe ô tô cũ của nhà máy DVA có dạng hình trụ có đường kính 3000 mm, chiều dài lò 7000 mm. Quá trình gia công nhiệt phân đốt phía dưới lò quay, nhiệt độ do khí GAS cháy trong buồng đốt sẽ làm nóng vỏ ngoài lò và truyền qua lớp vỏ lò dày 22 mm bằng thép hợp kim A515. Nhiệt độ mặt bên trong vỏ lò nhiệt phân tăng dần lên trên 600°C (không đo được mà dựa vào tính toán), lò kín hoàn toàn để không cho khí chứa oxy lọt vào, gây cháy nổ. Nhiệt độ bề mặt trong vỏ lò sẽ truyền cho khối nguyên liệu lớp xe ô tô cũ, bavia tăng dần đến 500°C và sẽ tạo chất bốc là hỗn hợp khí các bon hydro (CH). Dòng khí hút ra ngoài và qua ngưng tụ sẽ tạo thành dầu nhiệt phân lốp xe (Tire Pyrolysis Oil – TPO) (chiếm khoảng 48% lượng nguyên liệu đầu vào), lượng khí không ngưng tụ, khí GAS dư chiếm khoảng 14-15% sẽ dùng để đốt lò.
“Ban lãnh đạo và đội ngũ kỹ thuật đã phải bỏ nhiều công sức cho thiết kế, chế tạo các thiết bị phù trợ, thay đổi nhiều nguyên tắc làm việc của các thiết bị chuyên dụng, thay đổi cả công nghệ nạp liệu, chế độ gia công nhiệt, thay đổi chu kỳ làm việc của lò nhiệt phân cho phù hợp với yêu cầu từng công đoạn”, PGS.TS Nguyễn Minh Ngọc chia sẻ về quá trình tính toán.
Dù có thuận lợi trong việc hợp tác và nghiên cứu thực tế tại nhà máy, việc giải bài toán này vẫn không đơn giản. Điểm khó nhất trong nghiên cứu nằm ở chỗ: lò quay nhiệt phân reactor luôn làm việc ở nhiệt độ cao, trong môi trường kín, không có không khí (do nếu có oxy và khí bốc ra từ cao su sẽ gây ra cháy nổ, nguy hiểm đến con người). “Chúng tôi luôn phải đặt an toàn lên hàng đầu, hơn cả sản lượng sản phẩm và kinh tế”, nhóm nghiên cứu cho biết. Do đó, bài toán nhiệt cùng với thiết bị đồng bộ phải được thực hiện một cách thống nhất, bao gồm việc “phải không tiếc chi phí mua sắm thiết bị cần thiết, kể cả nhập ngoại với giá cao” để đảm bảo được tiêu chí này, nhóm nghiên cứu nhớ lại.
Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu cũng đưa ra phân tích về công nghệ cắt lốp xe thành những miếng nhỏ có kích thước 2-4 mm (trên thế giới cũng đã sử dụng công nghệ này, nhưng không tính toán cụ thể). Kết quả cho thấy, công nghệ này giúp làm tăng tỷ diện tích bề mặt (hay còn gọi là tổng diện tích bề mặt các viên) lên 97 lần, dẫn đến tăng khả năng hấp thụ nhiệt (do bức xạ và do truyền dẫn nhiệt), nhờ đó chu kỳ gia công nhiệt giảm được 1 - 2 giờ. Ngoài ra, do thể tích cũng giảm hàng chục lần khi các viên nhỏ được sắp xếp gọn hơn lốp xe không cắt, công nghệ này cũng làm tăng khả năng tiếp nhận nguyên liệu từ 12 tấn lên 15 tấn, lượng dầu khí thu được cũng sẽ tăng lên. Công nghệ nạp liệu cũng thay đổi từ thủ công sang tự động bằng thiết bị vít tải, đùn ép.
Với kết quả này, nghiên cứu đã mở ra tiềm năng nâng cao được hiệu quả sử dụng lò, giảm chi phí nhiên liệu đốt, nâng cao được quá trình trao đổi nhiệt, quá trình thu gom khí bốc, tăng sản lượng dầu. Không chỉ vậy, kết quả tính toán còn cho thấy một thực tế, “nếu doanh nghiệp sản xuất công nghệ phức tạp, liên quan đến áp suất, nhiệt độ và dễ gây mất an toàn thì phải nghiêm chỉnh chấp hành các quy tắc vận hành công nghệ, phải theo dõi bằng công nghệ số qua màn hình điều khiển trung tâm và phải có đào tạo cán bộ quản lý, cán bộ kỹ thuật và công nhân trực tiếp tham gia sản xuất”, PGS.TS Nguyễn Minh Ngọc cho biết. “Đến nay, chúng tôi đã làm chủ hoàn toàn công nghệ nhiệt phân nói chung và công nghệ nhiệt phân lốp xe nghiền nhỏ nói riêng và sẵn sàng để chuyển giao công nghệ nhiệt phân này cho các đơn vị có nhu cầu sử dụng”.
Và lốp xe hỏng mới chỉ là một trong những loại rác thải cần phải nâng cao hiệu quả xử lý. “Rác thải rắn ảnh hưởng đến môi trường còn rất nhiều loại, có trữ lượng rất lớn như rác thải nhựa, rác thải công nghiệp may mặc, sản phẩm nông nghiêp như các loại vỏ trái cây - vỏ sầu riêng, gáo dừa, vỏ cây thông, vỏ trấu,...”, PGS.TS Nguyễn Minh Ngọc cho biết. Đó là lý do nhóm nghiên cứu hướng đến mục tiêu đưa kết quả nghiên cứu vào ứng dụng nhiệt phân các loại chất thải rắn khác cũng như nghiên cứu sử dụng thải carbon đen từ quá trình nhiệt phân làm vật liệu mới, vật liệu xanh thân thiện với môi trường, “chẳng hạn như sử dụng thải carbon đen làm phân Biochar cho cây trồng nông nghiệp”, ông mường tượng.
| Nhóm nghiên cứu gồm: PGS.TS Nguyễn Minh Ngọc – Giám đốc Trung tâm nghiên cứu ứng dụng vật liệu xanh, Công ty TNHH GTS Innolab; TS. Nguyễn Mạnh Huấn - Viện Dầu khí Việt Nam; TS. Dương Chí Trung - Trường Đại học Dầu khí Việt Nam; Phan Trường Sơn – Chủ tịch hội đồng thành viên Công ty TNHH GTS Innolab; Nguyễn Xuân Trường - Tổng Giám đốc Công ty TNHH GTS Innolab; Đào Văn Hạnh – Phó Tổng Giám đốc Công ty TNHH GTS Innolab; KS. Lê Văn Long - Cán bộ nghiên cứu Trung tâm nghiên cứu ứng dụng vật liệu xanh, Công ty TNHH GTS Innolab. |