Nghiên cứu công nghệ Các bon hoá các chất
thải cháy được trong rác thải đô thị thành than
nhiên liệu

Trần Văn Huệ

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Luận văn Thạc sĩ ngành: Khoa học môi trường; Mã số: 60 85 02
Người hướng dẫn: TS. Trịnh Văn Tuyên
Năm bảo vệ: 2012

Abstract: Tổng quan về phương pháp cacbon hoá chất thải rắn. Thực hiện xử lý chất
thải trên mô hình thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Viện Công nghệ Môi trường
thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng đồng
thời của các yếu tố nhiệt độ và thời gian cacbon hoá đến hiệu suất thu hồi sản phẩm và
hiệu suất thu hồi Cacbon hữu cơ. Tiến hành khảo sát tìm nhiệt độ và thời gian tối ưu
cho quá trình cacbon hoá đạt hiệu suất thu hồi sản phẩm, tỷ lệ cacbon Cacbon hữu cơ
và hiệu suất thu hồi Cacbon hữu cơ là cao nhất.

Keywords: Công nghệ Cacbon; Chất thải; Rác thải; Than nhiên liệu; Ô nhiễm môi
trường

Content
MỞ ĐẦU
Môi trường là vấn đề toàn cầu, được quan tâm bởi tất cả các quốc gia, các tổ chức và
các cá nhân. Bởi môi trường liên quan trực tiếp đến đời sống, sức khỏe của mỗi chúng ta. Một
trong những vấn đề môi trường được quan tâm nhiều hiện nay, đặc biệt là ở các đô thị đó là
vấn đề rác thải.
Chất thải sinh hoạt, thức ăn dư thừa, các loại rác thải đường phố, nếu không được thu
gom xử lý đúng quy định. Các loại chất thải này sẽ gây ô nhiễm, nhiễm khuẩn đối với môi
trường xung quanh, gây ảnh hưởng đến môi trường sống, nguồn nước mặt, nguồn nước ngầm,

đã thúc đẩy quá trình tăng trưởng về các mặt kinh tế - xã hội. Tăng trưởng mặt kinh tế - xã hội
đã góp phần tích cực cho sự phát triển của đất nước, tuy nhiên đã làm phát sinh lượng chất
thải rắn ngày càng lớn (bao gồm cả CTR sinh hoạt, CTR công nghiệp, CTR y tế ). Việc thải
bỏ một cách bừa bãi và quản lý không hiệu quả chất thải rắn ở các đô thị, khu công nghiệp,
là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường, làm phát sinh bệnh tật, ảnh hưởng
đến sức khỏe và cuộc sống con người. Vì vậy, việc quản lý chất thải là một thách thức to lớn,
chi phí phí tốn, nhưng đem lại lợi ích cho môi trường và sức khỏe cộng đồng. Mặt khác nếu
quản lý theo hướng có thể tái chế thì đây sẽ là nguồn tài nguyên sinh ra của cải vật chất, một
trong những hướng đó là tái chế chất thải rắn đô thị thành than nhiên liệu. Sau đây là một số
tìm hiểu về sự phát triển công nghệ cacbon hóa và khả năng ứng dụng của nó vào việc xử lý
rác thải đô thị thành nhiên liệu.
1.2. Công nghệ cacbon hóa chất thải rắn
- Hiện nay, phương pháp thiêu đốt được sử dụng phổ biến để xử lý chất thải y tế và
ngăn ngừa dịch bệnh.Tuy nhiên phương pháp này còn hạn chế vì chi phí xử lý cao và có nhiều
nguy cơ tạo thành dioxin và furan. Một công nghê mới được đề xuất dựa trên nguyên lý sự
đốt cháy, nhưng trong môi trường thiếu oxy. Đó là công nghệ xử lý chất thải bằng phương
pháp cacbon hóa, công nghệ này cho phép thu hồi nguồn năng lượng (như nhiệt năng, điện
năng) hoặc nguyên liệu, nhiên liệu sạch (than sạch, than hoạt tính). Phương pháp này sẽ góp
phần xử lý ô nhiễm môi trường và lượng rác thải cho bãi chôn lấp, đây là một yếu tố quan
trọng trong vấn đề quản lý chất thải.
- Cacbon hóa là quá trình loại bỏ các hợp chất hữu cơ nhẹ có thể bay hơi có mặt trong
nhiên liệu nhằm mục đích thu nhận cacbon. Đây là quá trình đốt cháy không hoàn toàn
nguyên liệu. Các hợp chất hữu cơ phân hủy dưới tác dụng của nhiệt và tạo thành cacbon. Quá
trình cacbon hóa có thể chia thành 2 bước: sấy khô và đốt cháy không hoàn toàn nguyên liệu.
- Có một số khác biệt giữa phương pháp thiêu đốt truyền thống và công nghệ mới.
Phương pháp thiêu đốt truyền thống biến toàn bộ chất thải đầu vào thành khí thải và tro, sinh
ra lượng khí thải độc hại và nhiều. Ngược lại phương pháp nhiệt phân biến chất thải thành các

3
loại nhiên liệu giàu năng lượng bằng việc đốt chất thải ở trạng thái kiểm soát, quy trình xử lý

Thu hồi năng lượng từ những chất dư thừa trong quá trình tái chế các vật liệu (chất
còn lại trong máy nghiền tự động, phế liệu sản xuất điện và điện tử, các loại lốp cao su, chất
thải nhựa tổng hợp và các chất dư thừa trong quá trình bao gói).
- Nguồn năng lượng được thu hồi là yếu tố quan trọng về kinh tế của dự án. Đó là các
loại khí tổng hợp, than tổng hợp… được sử dụng với các mục đích khác nhau trong nghành
công nghiệp và xử lý môi trường, đồng thời đây là một loại vật liệu có thể được tái chế và bán
trên thị trường hiện nay.
- Đôi khi các quá trình nhiệt phân không tương thích với việc xử lý chất thải rắn đô thị
chưa được phân loại. Với xu thế gia tăng lượng chất thải hiện nay, buộc phải có các biện pháp
tiền xử lý (thu gom có phân loại… ) và các quy trình xử lý này đang trở nên thích hợp hơn.
1.2.2. Những ƣu điểm chính của công nghệ xử lý nhiệt tiên tiến
- Giảm khối lượng chất thải
- Làm cho chất thải an toàn và biến thành chất trơ
- Thu được giá trị của chất thải,các loại năng lượng nhiên liệu (như điện năng, than…)
- Đi theo hướng phát triển bền vững, tiến tới việc tái sử dụng và tái chế
- Chất thải biến thành năng lượng là sự bổ sung cho việc tái chế các vật liệu.
- Là một biện pháp xử lý thích hợp đối với lượng chất thải đang gia tăng.
- Đẩy mạnh việc thay đổi thành phần chất thải rắn ở bãi chôn lấp.

4
- Giải quyết tình trạng thiếu nơi chôn lấp chất thải.
- Ứng phó với những công cụ kinh tế và tài chính (ví dụ như thuế chôn lấp và các
khoản trợ cấp cho các nguồn thay thế)
Xử lý nhiệt là biện pháp thay thế cho phương pháp chôn lấp, khi xử lý một lượng lớn
các chất có thành phần thay đổi, đặc biệt là các chất thải rắn đô thị. Biện pháp ủ phân và ủ
yếm khí chỉ để xử lý các thành phần thối rữa.
Hầu hết các quy trình xử lý bằng nhiệt tiên tiến xử dụng chất thải rắn đô thị đã được
xử lý ban đầu. Một số hệ thống xử lý sinh học tạo ra loại nhiên liệu sản xuất chủ yếu gồm các
thẻ giấy và các loại chất dẻo tạo ra từ nhiên liệu có nguồn gốc là chất thải.
Chƣơng 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chấ t thả i đ ô thị
Phân loạ i
Xử lý sơ bộ
(nghiề n)

5
Hình 2.1. Sơ đồ thực nghiệm quá trình cacbon hoá.

Hình 2.2. Sơ đồ cấu tạo của thiết bị thí nghiệm.
Mô tả quá trình thí nghiệm: Chất thải được đưa vào một cốc sứ chịu nhiệt, sau đó đậy
nắp kín và đưa vào lò nung kín bằng điện. Tiến hành quá trình cacbon hoá tại các nhiệt độ
khác nhau theo giá trị nhiệt kế hiển thị, theo dõi quá trình cacbon hoá theo thời gian và nhiệt
độ. Sau khi đủ thời gian cacbon hoá, đưa cốc chứa mẫu ra khỏi lò, giữ nguyên nắp đậy, để
nguội tự nhiên cho vào lọ chứa mẫu.
Trong quá trình cacbon hoá lò nung được đậy nắp kín, khí nóng sinh ra từ hơi nước và
các chất dễ bay hơi trong vật liệu, do áp suất bên trong lò cao hơn bên ngoài, khí nóng trong
lò sẽ thoát ra ngoài, đồng thời ngăn cản sự xâm nhập ôxi vào trong lò, như vậy ôxi sẽ không
tham gia vào quá trình đốt. Trong quá trình này, áp suất của lò không được kiểm soát, áp suất
hoạt động theo hoạt động tự nhiên của lò.
2.3.3. Phƣơng pháp phân tích, tính toán
2.3.4. Phƣơng pháp xử lý số liệu

Lò đ iệ n
Nhiệ t kế

42,34
26,23
2
20
43,50
45,50
19,79
3
30
40,43
56,12
22,69
4
40
42,29
64,21
27,15
5
50
28,33
46,61
13,21
Trung bình
43,30
50,96
21,82

Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn quá trình cacbon hoá của tre gỗ tại T = 300
0
C thay đổi theo

36,00
54,44
19,60
4
40
24,40
51,40
12,54
Tỷ lệ thành phần các bon
hữu cơ (%)

7
5
50
19,01
44,25
8,41
Trung bình
32,24
50,70
16,55

Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn quá trình cacbon hoá của tre gỗ tại T = 400
0
C thay đổi theo
thời gian
c. Cacbon hoá tre gỗ tại T = 500
0
C
Bảng 3.3. Hiệu suất thu hồi cacbon hoá tre gỗ tại T = 500

20,44
42,86
8,76
5
50
21,13
29,33
6,20
Trung bình
27,44
44,73
12,76

Tỷ lệ thành phần các bon
hữu cơ(%)

8

Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn quá trình cacbon hoá của tre gỗ tại T = 500
0
C thay đổi theo
thời gian.
Từ những kết quả của quá trình cacbon hoá tre gỗ ở nhiệt độ 300
0
C, 400
0
C và 500
0
C
với thời gian lưu là 10 phút, 20 phút, 30 phút, 40 phút và 50 phút ở trên ta rút ra kết luận sau:

51,34
50,65
2
20
83,70
60,90
50,97
3
30
68,19
68,42
46,65
4
40
66,01
73,93
48,80
5
50
66,75
71,51
47,73
Trung bình
76,66
65,22
48,96
Tỷ lệ thành phần các bon
hữu cơ (%)

9

65,22
50,73
3
30
57,19
79,75
45,61
4
40
48,12
75,30
36,23
5
50
27,93
72,16
20,15
Trung bình
59,27
70,80
41,06

Tỷ lệ thành phần các bon
hữu cơ (%)

10

Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn quá trình cacbon hoá của nhựa tại T = 400
0
C thay đổi theo

26,81
74,02
19,85
4
40
26,65
71,33
19,01
5
50
13,73
64,15
8,80
Trung bình
38,74
72,82
29,04

Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn quá trình cacbon hoá của nhựa tại T = 500
0
C thay đổi theo
thời gian.
Tỷ lệ thành phần các bon
hữu cơ (%)
Tỷ lệ thành phần các bon
hữu cơ (%)

11
Từ những kết quả của quá trình cacbon hoá nhựa ở nhiệt độ 300
0

(%)
Hiệu suất thu hồi
cacbon hữu cơ (%)
1
10
65,60
32,44
21,28
2
20
45,20
42,50
19,21
3
30
42,19
45,12
19,03
4
40
42,34
52,29
22,14
5
50
38,79
46,67
18,10
Trung bình
46,82

10
41,91
37,74
15,82
2
20
25,02
41,24
10,32
3
30
25,08
44,45
11,15
4
40
14,24
41,40
5,89
5
50
19,06
34,17
6,51
Trung bình
25,06
39,80
9,94

Hình 3.8. Đồ thị biểu diễn quá trình cacbon hoá của giấy tại T = 400

44,70
12,18
3
30
21,2
38,16
8,09
4
40
18,24
27,46
5,01
5
50
5,86
12,05
0,71
Trung bình
17,30
34,88
6,65
Tỷ lệ thành phần các bon
hữu cơ (%)

13

Hình 3.9. Đồ thị biểu diễn quá trình cacbon hoá của giấy tại T = 500
0
C thay đổi theo
thời gian.

Tỷ lệ thành phần
cacbon hữu cơ
(%)
Hiệu suất thu hồi
cacbon hữu cơ (%)
1
10
94,73
42,44
40,20
2
20
93,87
47,50
44,59
3
30
80,87
46,12
37,30
4
40
78,80
54,29
42,78
5
50
69,40
46,61
32,35

1
10
41,91
37,74
15,82
2
20
25,02
41,24
10,32
3
30
25,08
44,45
11,15
4
40
14,24
41,40
5,89
5
50
13,56
34,17
4,63
Trung bình
23,96
39,80
9,56


52,32
15,48
2
20
27,25
49,54
13,50
3
30
21,20
41,63
8,82
4
40
18,24
37,80
6,89
5
50
5,86
28,30
1,66
Trung bình
20,43
41,92
9,27

Hình 3.12. Đồ thị biểu diễn quá trình cacbon hoá của cao su tại T = 500
0
C thay đổi

sản phẩm (%)
Tỷ lệ thành phần
Cacbon hữu cơ
(%)
Hiệu suất thu hồi
Cacbon hữu cơ
(%)
Tỷ lệ thành phần các bon
hữu cơ (%)

16
1
10
91,62
62,45
57,22
2
20
90,87
61,00
55,43
3
30
86,90
74,46
64,70
4
40
71,18
73,93

1
10
95,83
64,59
61,89
2
20
82,87
68,22
56,54
3
30
72,65
82,70
60,08
4
40
68,26
75,30
51,40
5
50
69,73
73,16
51,01
Trung bình
77,87
72,79
56,19
Tỷ lệ thành phần các bon

2
20
64,12
76,34
48,95
3
30
58,97
74,02
43,65
4
40
23,85
70,40
16,79
5
50
14,01
62,34
8,73
Trung bình
48,74
72,27
36,57
Tỷ lệ thành phần các bon
hữu cơ (%)

18

Hình 3.15. Đồ thị biểu diễn quá trình cacbon hoá của vải tại T = 500

Sơn, Hà Nội tháng 3/2011. Tỷ lệ cụ thể như sau:
Hình 3.16. Bảng thành phần hỗn hợp chất thải thí nghiệm
Thành phần
Tỷ lệ trong trong
rác thải
Tỷ lệ trong hỗn hợp
thí nghiệm
Giấy
6,53%
22,85%
Vải
5,82%
20,36%
Gỗ
2,51%
8,78%
Nhựa
13,57%
47,48%
Da và cao su
0,15%
0,52%
Sản phẩm cacbon hoá của hỗn hợp được đem đo TOC với khối lượng mẫu lấy là
10mg.
a. Cacbon hoá hỗn hợp tại T = 300
0
C
Tỷ lệ thành phần các bon
hữu cơ (%)


27,64
4
40
47,63
52,29
24,91
5
50
45,03
46,67
21,01
Trung bình
54,75
44,60
23,87

Hình 3.16. Đồ thị biểu diễn quá trình cacbon hoá của hỗn hợp tại T = 300
0
C thay đổi
theo thời gian
b. Cacbon hoá hỗn hợp tại T = 400
0
C
Bảng 3.18. Hiệu suất thu hồi cacbon hoá hỗn hợp tại T = 400
0
C
STT
Thời gian
Cacbon hoá
(phút)

16,91
34,60
5,85
Trung bình
45,75
40,58
18,97

Tỷ lệ thành phần các bon
hữu cơ (%)

20

Hình 3.17. Đồ thị biểu diễn quá trình cacbon hoá của hỗn hợp tại T = 400
0
C thay đổi
theo thời gian
c. Cacbon hoá hỗn hợp tại T = 500
0
C
Bảng 3.19. Hiệu suất thu hồi cacbon hoá hỗn hợp tại T = 500
0
C
STT
Thời gian
cacbon hoá
(phút)
Hiệu suất thu hồi
sản phẩm (%)
Tỷ lệ thành phần

11,81
40,29
5,06

Tỷ lệ thành phần các bon
hữu cơ (%)

21

Hình 3.18. Đồ thị biểu diễn quá trình cacbon hoá của hỗn hợp tại T = 500
0
C thay đổi
theo thời gian.
Từ những kết quả của quá trình cacbon hoá hỗn hợp chất thải ở nhiệt độ 300
0
C, 400
0
C
và 500
0
C với thời gian lưu là 10 phút, 20 phút, 30 phút, 40 phút và 50 phút ở trên ta rút ra kết
luận sau:
- Điểm tối ưu để hiệu suất thu hồi sản phẩm lớn nhất là: T = 300
0
C và t = 30 phút
- Điểm tối ưu để tỷ lệ thành phần cacbon hữu cơ lớn nhất là: T = 400
0
C và t = 30 phút.
- Điểm tối ưu để hiệu suất thu hồi cacbon hữu cơ lớn nhất là: T = 500
0

ASTM ( D5496)
2
Cao su
1.012,4
ASTM (D5496)
3
Tre
5.493,6
ASTM ( D5496)
4
Vải
5.626,2
ASTM ( D5496)
5
Hỗn hợp
6.413,7
ASTM ( D5496)
6
Nhựa
6.743,0
ASTM ( D5496)
Dưới đây là bảng giá trị nhiệt trị của một số loại nhiên liệu rắn thông thường để so
sánh với sản phẩm than cacbon tạo ra từ chất thải rắn.
Bảng 3.21. Bảng nhiệt trị của một số loại nhiên liệu thông thƣờng
Loại nhiên liệu
Nhiệt trị kJ/kg
Kcal/kg
Than ít bitum loại A
24.490 – 26.823
6.400

1. Cacbon hóa chất thải rắn đô thị là một phương pháp xử lý chất thải rắn đô thị mang lại
nhiều hiệu quả trong xử lý chất thải rắn và bảo vệ môi trường.Đề tài đã tiến hành thực nghiệm
với rác thải đô thị để xác định được tỷ lệ thu hồi cacbon hữu cơ (TOC) với quy mô nhỏ hơn
10g, cho thấy hiệu quả của công nghệ.
2. Đã tiến hành khảo sát độ ẩm của chất thải cho thấy lượng ẩm trong các thành phần rác thải
cacbon hoá nhỏ cụ thể: tre gỗ 8,26%; nhựa 1,12%; giấy 8,33%; cao su 1,48%; vải 2,33%,
không ảnh hưởng nhiều đến quá trình cacbon hoá.
3. Xác định được hiệu suất thu hồi cacbon tối ưu đối với các thành phần chất thải với các kết
quả như sau: tre gỗ tại 300
0
C, hiệu suất thu hồi cacbon đạt 26,23%, thời gian cacbon hoá 10
phút; nhựa tại 500
0
C, hiệu suất thu hồi cacbon đạt 58,55%, thời gian cacbon hoá 10 phút; giấy
tại 300
0
C, hiệu suất thu hồi cacbon đạt 22,14%, thời gian cacbon hoá 40 phút; cao su tại
300
0
C, hiệu suất thu hồi cacbon đạt 42,78%, thời gian cacbon hoá 40 phút; vải tại 300
0
C, hiệu
suất thu hồi cacbon đạt 68,18%, thời gian cacbon hoá 30 phút; hỗn hợp tại 300
0
C, hiệu suất
thu hồi cacbon đạt 27,64%, thời gian cacbon hoá 30 phút.
4. Giá trị nhiệt nhiệt trị của sản phẩm thu được đạt giá trị cao có giá trị tương đương
một số loại nhiên liệu truyền thống cụ thể: nhựa 6.743,0 kcal/kg; hỗn hợp 6.413,7 kcal/kg; vải
5.626,2 kcal/kg; tre gỗ 5.493,6 kcal/kg; giấy 3.709,4 kcal/kg; ngoại trừ cao su đạt giá trị thấp
1.012,4 kcal/kg so với dầu DO là 10.030 kcal/kg

rắn”, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, Trang 41- 43
11. Trần Hiếu Nhuệ, Ưng Quốc Dũng, Nguyễn Thị Kim Thái, (2001), “Quản lý chất thải
rắn - Tập 1. Chất thải rắn đô thị”, Nxb Xây dựng, Hà Nội.
12. Trần Quang Ninh (2010), “Tổng luận về Công nghệ Xử lý Chất thải rắn của một số
nước và ở Việt Nam”Trung tâm thông tin khoa học và công nghệ quốc gia
13. Sở Tài nguyên và Môi trường các địa phương, (2010), “Báo cáo hiện trạng môi trường
các địa phương”.
14. Viện Công nghệ môi trường - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, (2007), “Tuyển
tập báo cáo hội nghị khoa học - Công nghệ môi trường, nghiên cứu và ứng
dụng”,Trang 11-17
15. Viện Công nghệ môi trường - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, (2008), “Tổng
quan tình hình nghiên cứu, công nghệ nhiệt phân, cacbon hóa chất thải”
Tài liệu tham khảo tiếng Anh:
16. A. C. Fieldner (1926) “Low - Temperature carbonization of coal” Washington
Government printing office
17. D J Goucher, “Coalite tyre services pyrolysis process” Presented to the Midland Section
on 19 September, 2002 At the Corus Conference Centre, Scunthorpe.
www.coke-oven-managers.org/PDFs/goucher.pdf
18. Frank M. Gentry (1928), “The technology of low temperature carbonization”, The
Williams & Wilkins Co., Baltimore, Chapter I, IV.

25
19. Kazuhiro Mochidzuki, Lloyd S. Paredes, and Michael J. Antal, Jr, (2002), “Flash
Carbonization of Biomass”,Hawaii Natural Energy Institute, School of Ocean and
Earth Science and Technology, University of Hawaii at Manoa, Honolulu, HI 96822.
20. Lower and Higher Heating Values of Gas, Liquid and Solid Fuels - National
Laboratory, Argonne, IL, released August 26, 2010,
21. R. Ketchum, et al, (May 1939), “Low Temperature Carbonization of Utah Coals” A
Report of the Utah Conservation and Research Foundation
to the Governor and State Legislature.