>> Giải pháp tối ưu hóa quá trình sản xuất giảm phát thải CO2 của ngành xi măng (P1)

Như vậy, tác động của hiện tượng nóng lên toàn cầu và hiệu ứng nhà kính có sự góp mặt đáng kể của quá trình sản xuất xi măng. Mức độ ảnh hưởng chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng clinker có trong xi măng portland.
 

Có những giải pháp công nghệ chủ yếu nào để sản xuất xi măng xanh?

Giảm thiểu phát thải CO_₂ hiện đã trở thành một yếu tố quan trọng trong việc tạo ra một ngành công nghiệp xi măng bền vững. Mặc dù vấn đề này được quản lý cục bộ bởi các quốc gia khác nhau, song các nhà sản xuất xi măng hàng đầu có các nhà máy trải rộng trên toàn cầu và như một phần của chiến lược phát triển bền vững để cạnh tranh, ngành công nghiệp xi măng buộc phải giảm phát thải, nếu muốn tồn tại và phát triển.

Giảm thiểu CO_₂ cũng phải vượt qua các rào cản thương mại và kinh tế. Trong 20 năm qua, các vấn đề về môi trường đã có nhiều ảnh hưởng hơn trong các thỏa thuận toàn cầu. Tuy nhiên, vì các giải pháp này có thể dẫn đến việc giảm biên lợi nhuận tạm thời của một số tập đoàn đa quốc gia hoặc tác động tiêu cực đến nền kinh tế của các nước đang công nghiệp hóa, nên giải pháp khả thi duy nhất là giải pháp dung hòa vừa mang lại lợi ích cho môi trường và cơ hội kinh doanh mạnh mẽ. Ngày nay, yếu tố tiêu chuẩn về sản phẩm xanh và giảm phát thải đã được đưa vào tiêu chuẩn các công trình xây dựng. Do đó, muốn bán được hàng các nhà xuất không còn cách nào khác, phải chuyển đổi và tuân thủ.

Để đạt được mục tiêu giảm thiểu CO_₂ trong khi thúc đẩy tính bền vững của ngành Xi măng, dưới đây là danh sách các lựa chọn về công nghệ để có thể tác động giảm thiểu đáng kể lượng khí thải CO_₂:

1. Bảo trì bắt buộc:

Các nhà sản xuất có chiến lược phải đưa vào các chương trình bảo trì bắt buộc. Một trong những phần quan trọng nhất của hệ thống bảo trì là bảo trì phòng ngừa. Bảo trì phòng ngừa có thể tăng hiệu quả của nhà máy và giảm chi phí bảo trì khắc phục hậu quả. 

Một ví dụ về kết quả mà hệ thống bảo trì thành công mang lại là tiết kiệm năng lượng. Các hành động như khảo sát không khí giả và kiểm soát điểm rò rỉ có thể làm tăng đáng kể hiệu suất nhiệt của lò nung. Người ta ước tính rằng một rò rỉ không khí đơn giản tại chụp lò nung có thể góp phần làm tăng 46 kJ/kg clinker vào mức tiêu thụ nhiệt của lò nung.

Các chiến lược khác để giảm mức tiêu thụ năng lượng bao gồm thay thế dần các động cơ cũ bằng các động cơ hiệu suất cao và triển khai hệ thống quản lý tích hợp, trong đó quy trình hàng ngày góp phần trực tiếp vào việc tăng hiệu quả bảo trì. Hiệu suất của bộ nạp và cân liệu là những ví dụ về thiết bị có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng cấp liệu của lò nung. 

Một kế hoạch bảo trì được phát triển sẽ hỗ trợ chất lượng cấp liệu lò nung, giảm độ lệch về tỷ lệ vật liệu ảnh hưởng trực tiếp đến mức tiêu thụ nhiên liệu. Nhìn chung, một chương trình bảo trì tốt sẽ góp phần làm tăng tỷ lệ sử dụng nhà máy, giảm số lần khởi động lò và sấy nóng lò nung trong năm. Mặc dù không dễ định lượng, nhưng rõ ràng là một chương trình bảo trì được cấu trúc tốt có thể đóng góp rất lớn vào việc giảm phát thải và cải thiện hiệu suất của vận hành nhà máy.

2. Tối ưu hóa nhà máy: 

Tối ưu hóa nhà máy đã được triển khai rộng rãi trong ngành xi măng không chỉ là một hành động để giảm phát thải mà còn để thúc đẩy năng suất và thời gian chạy của lò nung cao hơn. Trong các nhà máy xi măng, người ta đều biết rằng nhiều vấn đề nhỏ như rò rỉ phớt lò nung, hiệu suất làm mát kém, phun nhiên liệu hoặc độ mịn có thể làm giảm và ảnh hưởng đến hiệu suất của nhà máy. Chỉ riêng những vấn đề này có thể dẫn đến lãng phí nhiệt lên tới sáu phần trăm. 

Một chiến lược tối ưu hóa sẽ giảm thiểu mức tiêu thụ nhiên liệu và tối đa hóa sản xuất clinker, điều chỉnh chất lượng clinker khi cần thiết. Ý tưởng chính là làm cho quy trình nhất quán, ổn định và đáng tin cậy hơn. Ví dụ, người vận hành có thể tăng tốc độ quạt hoặc giảm lượng nhiên liệu phun vào lò nung dựa trên hàm lượng oxy trên tháp trao đổi nhiệt. Người ta ước tính rằng chiến lược như vậy có thể giảm mức tiêu thụ nhiệt từ 3 - 5% và cải thiện tuổi thọ vật liệu chịu lửa từ 30 - 50%.

3. Sử dụng nhiên liệu thay thế (AF) và xử lý nhiệt: 

Các cơ hội chính để cải tiến và giảm khí thải chính là quá trình đốt cháy. Cơ hội cải thiện chủ yếu có thể được tìm thấy trong các nâng cấp quy trình sử dụng nhiên liệu thay thế AF. Điều quan trọng là phải nhận ra rằng các thiết kế đầu đốt và hệ thống nhiên liệu mới cũng có thể đóng vai trò đáng kể trong việc giảm khí thải CO kJ/kg. 

Các đầu đốt và hệ thống nhiên liệu mới có thể góp phần giảm khí thải bằng cách cải thiện tính linh hoạt của nhà máy xi măng trong việc đốt nhiên liệu thay thế, hoặc thay thế nhiên liệu có hàm lượng carbon hóa thạch cao bằng nhiên liệu có hàm lượng carbon hóa thạch thấp.

Những tác động khác của nhiên liệu thay thế đối với hoạt động của nhà máy là tỷ lệ sử dụng vật liệu chịu lửa và tổn thất áp suất tháp sấy gia nhiệt. Phần hữu cơ sẽ đốt cháy và tạo ra năng lượng cần thiết cho quy trình sấy bột liệu. Phần khoáng chất còn lại sẽ được tích hợp vào quy trình đốt và sẽ đóng góp dưới dạng bột liệu tạo thành clinker.

4. Thay thế một lượng đá vôi nguyên liệu bằng xỉ lò cao: 

Xỉ lò cao là sản phẩm phụ phi kim loại từ quá trình sản xuất sắt. Nó bao gồm silicat, aluminosilicat và canxi aluminosilicat. Bằng cách thay thế đá vôi nguyên liệu bằng xỉ lò cao, không chỉ có thể ngăn ngừa phát thải CO_₂ do phân hủy đá vôi mà còn cải thiện khả năng nung luyện của bột liệu thô. 

Xỉ lò cao không phải là vật liệu xi măng bổ sung mới; nó đã được ngành xi măng sử dụng làm thành phần pha trộn trong xi măng hoặc làm vật liệu cốt liệu trong hỗn hợp bê tông từ khá lâu. Mặc dù xỉ lò cao có công dụng lớn trong ngành Xi măng, nhưng khó khái quát việc sử dụng nó trên toàn thế giới, vì chi phí xỉ lò cao và chi phí vận chuyển là quá cao. 

Việc sử dụng xỉ lò cao có những lợi ích quan trọng về mặt sinh thái và kinh tế. Việc sử dụng xỉ lò cao đóng góp đáng kể vào các nỗ lực nhằm đạt được các mục tiêu giảm năng lượng và nguyên liệu thô cần thiết trong quá trình sản xuất xi măng.

5. Tiết kiệm năng lượng điện: 

Năng lượng điện được sử dụng trong nhà máy xi măng để vận hành quạt, quay lò nung và vận chuyển vật liệu. Nhìn chung, công suất sử dụng trong lò nung thông thường tương ứng với 45 - 55 kWh/tấn clinker. Tiết kiệm điện năng từ việc sử dụng động cơ hiệu suất cao sẽ khác nhau tùy theo từng nhà máy và từng trường hợp. Hầu hết việc thay thế động cơ hiệu suất cao được thực hiện trong thời gian thay thế khi động cơ hiện tại gần hết tuổi thọ.

Một điểm tiết kiệm tiêu thụ điện năng khác trong quy trình sản xuất xi măng là sử dụng động cơ biến tần, động cơ điều khiển tốc độ. Trong hầu hết các trường hợp, động cơ biến tần, động cơ điều khiển tốc độ là bộ phận giảm tiêu thụ điện năng lớn nhất trong quy trình sản xuất xi măng. Động cơ biến tần, động cơ điều khiển tốc độ có thể tiết kiệm từ 10 - 30% điện năng tiêu thụ so với động cơ thông thường có cùng công suất.

6. Tháp trao đổi nhiệt công nghệ mới: 

Tháp trao đổi nhiệt là một phần quan trọng của quy trình sản xuất clinker. Một tháp trao đổi nhiệt mới với các cyclon xoáy lốc áp suất thấp sẽ giúp giảm mức tiêu thụ điện năng của quạt ID trong hệ thống lò nung. Có thể giảm được 0,6 - 1,1 kWh/t tùy thuộc vào hiệu suất của quạt ID. 

Việc lắp đặt một hệ thống tháp trao đổi nhiệt mới hoặc cải tạo tháp trao đổi nhiệt hiện có phụ thuộc vào từng nhà máy, khiến việc chỉ ra lợi nhuận chung cho khoản đầu tư này trở nên khó khăn. Một hệ thống cyclon mới có thể làm tăng lượng bụi thoát ra khỏi tháp trao đổi nhiệt và như vậy làm tăng tổng chi phí vận chuyển bụi. Điều này cho thấy giải pháp này được khuyến nghị cho các nhà máy mà hệ thống lò nung có tuổi đời trên 20 năm.

7. Thay thế đầu đốt (vòi đốt) lò nung mới:

Công nghệ đầu đốt đã được cải thiện nhanh chóng. Một số đầu đốt khác nhau đã cải thiện khả năng kiểm soát ngọn lửa và tối ưu hóa việc sử dụng nhiên liệu. Một trong những mục tiêu chính của công nghệ đầu đốt mới là tạo ra ngọn lửa ổn định hơn, không phụ thuộc vào loại nhiên liệu. 

Độ ổn định của ngọn lửa là một trong những yếu tố quan trọng nhất để duy trì hoạt động ổn định của lò nung và tối đa hóa hiệu quả đốt cháy nhiên liệu, hiệu quả truyền nhiệt bức xạ trong lò nung.

8. Thay thế nhiên liệu hóa thạch bằng nhiên liệu có nguồn gốc từ chất thải (WDF):

Người ta ước tính rằng việc sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc từ chất thải (WDF) sẽ tăng một phần trăm trên toàn thế giới mỗi năm. Giải pháp thay thế được một số nhà máy xi măng thực hiện là sử dụng khoảng một phần trăm WDF để thay thế nhiên liệu hóa thạch. 

Điều quan trọng cần lưu ý là biện pháp giảm thiểu này là gián tiếp, vì những sản phẩm chất thải này không được đốt trong lò nung xi măng, chúng cũng sẽ bị đốt hoặc bị đưa đến bãi chôn lấp, tạo ra thêm khí thải CO_₂. Giải pháp thay thế này có tiềm năng mang lại giá trị lớn cho môi trường về xử lý chất thải trong ngành xi măng.

9. Khả năng nung của bột liệu:

Rất khó để đo lường mức độ đóng góp của khả năng nung của bột liệu. Nhìn chung, các nhà máy xi măng có mục tiêu cải thiện sản lượng và biên lợi nhuận khi xem xét phương án thay thế này. Độ mịn, thành phần và module hóa học của bột liệu là những cải tiến chính cần thực hiện để đạt được khả năng nung của bột liệu giảm. 

Những cải tiến như vậy có thể tác động trực tiếp đến việc giảm lượng nhiên liệu cung cấp cho lò nung sử dụng hàng ngày. Những cải tiến này cũng sẽ kéo dài vòng đời của vật liệu chịu lửa và giảm mức tiêu thụ điện năng.

10. Sử dụng các sản phẩm phụ thay thế một phần clinker: 

Phương án thay thế này có thể cung cấp giải pháp thực tế cho việc sử dụng một lượng lớn các sản phẩm phụ được tạo ra thay thế cho hàm lượng clinker trong xi măng. Chẳng hạn như đất sét nung, xỉ lò cao của nhà máy thép hoặc tro bay của nhà máy nhiệt điện là những sản phẩm phụ trực tiếp thay thế một phần hàm lượng clinker trong xi măng. 

Trong một số trường hợp, sản phẩm phụ có thể góp phần cải thiện độ bền của bê tông. Phương án thay thế này cần được nghiên cứu kỹ để xác định tính khả dụng và chi phí. Nhìn chung, điều quan trọng cần lưu ý là các tiêu chuẩn xi măng cần được xem xét lại để phù hợp với việc sử dụng sản phẩm phụ (ví dụ như đất sét nung) làm giải pháp thay thế clinker trong quá trình giảm phát thải khí nhà kính.

11. Thu giữ và thải bỏ CO_₂:

• Các phương pháp khác nhau để thu giữ CO_₂ tại điểm đốt cháy đã được nghiên cứu và phát triển. Ví dụ về các khả năng là: tách hóa học, dùng hệ thống màng, tách lạnh và hấp thụ vật lý. Tuy nhiên, chi phí triển khai của từng khả năng này là rất cao; chi phí liên quan trực tiếp đến kỹ thuật và hiệu quả kinh tế. Hơn nữa, các giải pháp xử lý hiện có hiện nay gây ra nhiều nghi ngờ về tính khả thi về mặt kỹ thuật để triển khai trên quy mô lớn.

Nồng độ CO_₂ trong nhà máy xi măng cao, quy trình sản xuất xi măng có lưu lượng khí với nhiệt độ thấp khá cao. Lượng nhiệt bổ sung này có thể được sử dụng trong quy trình thu giữ CO_₂.

- Xử lý hóa học được coi là quy trình trưởng thành nhất để thu giữ CO_₂. Phương pháp tách hóa học dựa trên Định luật Henry, trong đó quá trình hấp thụ phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất của hệ thống.

- Hấp thụ hóa học chủ yếu áp dụng cho hệ thống trong đó khí thải có nồng độ CO_₂ thấp và áp suất hệ thống gần với áp suất khí quyển. Các bước chính của phương pháp tách là hấp thụ CO_₂ bằng dung môi hóa học và thu hồi CO_₂ từ dung môi hóa học bằng cách sử dụng nhiệt độ thấp. Một trong các công nghệ có sẵn để loại bỏ CO_₂ khỏi luồng khí là hấp thụ hóa học bằng monoethalnolamine.

- Hấp thụ vật lý là một lựa chọn khác để thu giữ CO_₂ và có ứng dụng chính với các khí và hơi có nồng độ thấp được giữ lại trên bề mặt vật liệu rắn xốp. CO_₂ được giữ trên bề mặt vật liệu xốp bằng các lực bề mặt (không phải hóa học). Vật liệu hấp phụ rắn được tái sinh bằng nhiệt và quá trình thu giữ CO_₂ hoàn tất.

- Hệ thống màng dựa trên các tương tác vật lý và hóa học khác nhau giữa luồng khí và vật liệu màng. Hệ thống màng hiện không được coi là phương pháp tiếp cận phổ biến. Rào cản chính đối với công nghệ này là sự cần thiết của nhiều giai đoạn hoặc chu kỳ, làm tăng trực tiếp mức tiêu thụ năng lượng và do đó, tăng chi phí.

- Phương pháp phân đoạn đông lạnh dựa trên quá trình nén luồng khí và sau đó, nhiệt độ khí giảm xuống khi có thể tách bằng chưng cất. Phương pháp này chủ yếu được khuyến nghị trong trường hợp nồng độ CO_₂ cao (trên 90%) và do đó không phù hợp với ngành Xi măng.

• Xử lý thải bỏ CO_₂: Các lựa chọn thải bỏ CO_₂ là xả CO_₂ vào các bể chứa khí tự nhiên hoặc tầng chứa nước ngầm, xả sâu xuống đại dương hoặc tái sử dụng CO_₂ trong các hợp chất hữu cơ hữu ích.

Xem xét tất cả các giải pháp hiện có, kịch bản đại dương có khả năng lưu trữ CO_₂ cao nhất và hấp thụ lớn nhất lượng CO_₂ tạo ra do nhu cầu thực tế của việc giảm thiểu CO_₂.

Dự kiến trong vài năm tới, việc lưu trữ CO_₂ dưới lòng đất sẽ là một lựa chọn kỹ thuật và kinh tế để xử lý CO_₂, đặc biệt là trong trường hợp tăng cường thu hồi dầu và thu hồi khí metan.

Kết luận về sự khả dụng

Để đạt được và duy trì mục tiêu đưa phát thải ròng bằng 0 - NetZero vào năm 2050 mà Việt Nam đã cam kết trong Hội nghị thượng đỉnh về biến đổi khí hậu (COP26), có thể thấy rằng việc áp dụng các công nghệ cải thiện hiệu quả khác nhau là những lựa chọn tốt, đặc biệt là ở các mục tiêu có thể giảm phát thải tới 10% CO_₂.

Ngoài mục tiêu giảm phát thải 10% CO_₂ này, ngành Xi măng nên áp dụng chuyển đổi thay thế nhiên liệu, sử dụng đất sét nung nhằm thay thế giảm hàm lượng clinker trong xi măng để đạt được mục tiêu giảm phát thải trên 20% CO_₂.

Giải pháp sản xuất clinker xi măng thân thiện với môi trường trong giai đoạn hiện nay được tổng kết bằng các lựa trọn trên. Các nhà máy có thể tự lựa chọn cho mình một hay nhiều phương án được áp dụng một cách nhanh nhất, đồng thời có chi phí đầu tư thấp nhất, tiến tới mô hình sản xuất xanh hơn trong ngành Xi măng Việt Nam.

Bên cạnh đó, các cơ quan quản lý cũng cần đưa ra khung pháp lý, có cơ chế định hướng, ghi nhận và khuyến khích việc chuyển đổi này một cách công bằng, khách quan.

Tài liệu tham khao:

1. Nazmul, S.M., E. Croiset và P.L. Douglas, 2006. Nghiên cứu kinh tế kỹ thuật về thu giữ CO_₂ từ một nhà máy xi măng hiện có bằng cách sử dụng MEA scrubbing. Tạp chí quốc tế về năng lượng xanh, 3: 1-24.

2. Tài nguyên thiên nhiên Canada Biến đổi khí hậu 2006, 'Xi măng và bê tông', có sẵn: //climatechange.nrcan.gc.ca (truy cập: 15 tháng 3 năm 2007).

3. IPCC. 2001. Biến đổi khí hậu 2001: cơ sở khoa học. Ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu, Nhà xuất bản Đại học Cambridge, Cambridge, Vương quốc Anh.

4. Choate, T.W., 2003. Cơ hội giảm phát thải năng lượng và khí thải cho ngành công nghiệp xi măng, Chương trình công nghệ công nghiệp, Bộ năng lượng Hoa Kỳ, Hiệu quả năng lượng và năng lượng tái tạo, 14: 24-29.

5. Sheinbaum, C., I. Jauregui và L. Rodriguez, 1998. Kịch bản giảm phát thải carbon dioxide ở Mexico trong năm 2005. Chiến lược giảm thiểu và áp dụng cho thay đổi toàn cầu, 2: 359-372.

6. Hendriks, C., E. Worrel, D. Dejager, K. Blok và P. Riemer, 2004. Giảm phát thải khí nhà kính từ ngành công nghiệp xi măng. Hội nghị công nghệ kiểm soát khí nhà kính, 1-11.

7. Das, A. và T.C. Kandpal, 1997. Ý nghĩa của năng lượng đối với môi trường trong sản xuất xi măng ở Ấn Độ. Int. J. Energy Research, 21: 299-308.

8. Martin, N., E. Worrel và L. Price, 1999. Hiệu quả năng lượng và cơ hội giảm phát thải carbon dioxide trong ngành công nghiệp xi măng Hoa Kỳ. Báo cáo của bộ phận công nghệ năng lượng môi trường.

9. IEA Greenhouse Gas R&D, 1999. Giảm phát thải khí nhà kính từ ngành công nghiệp xi măng. Báo cáo số PH3/7, 25-49.

10. Saxena, J.P., 1995. Cải thiện năng suất thông qua việc giảm thời gian ngừng hoạt động của lò nung. World Cement, 26 (3), 64-68.

11. Votorantim 1994. Sistema especialista tác giả 25 linhas de cimento, Minérios/Min Magazine, São Paulo, 196, 28-29.

12. Grosse-Daldrup, H. và B. Scheubel, Nhiên liệu thay thế và tác động của chúng lên lớp lót tái chế. Báo cáo Refratechnik, Số 45.

13. Kihara, Y., 1999. Đồng xử lý về vấn đề: xu hướng. Tiếp tục Hội thảo II Phát triển hoạt động tái tạo duy trì và xây dựng dân sự, Tổ chức Comitê Técnico do IBRACON CT-206 Ambiente, São Paulo, Brazil, 35-43.

14. Gouda, G.R., 1977. Nguyên liệu thô xi măng và tác động của chúng đến mức tiêu thụ nhiên liệu. Rock Products, Chicago, 80 (10), 60-64.

15. Damtoft, J.S., 1998. Sử dụng tro bay và các vật liệu thải khác làm nguyên liệu thô và nguồn năng lượng trong ngành công nghiệp xi măng Đan Mạch. Biên bản Hội nghị chuyên đề quốc tế ba ngày CANMET/ACI về Phát triển bền vững của ngành công nghiệp xi măng và bê tông, Ottawa, Canada, CANMET/ACI, 95-105.

16. Collins, R. J. và S.K. Ciesielski, 1994. Tái chế và sử dụng vật liệu thải và sản phẩm phụ trong xây dựng đường bộ. Chương trình nghiên cứu đường bộ hợp tác quốc gia Tổng hợp thực hành đường bộ 199, Ban nghiên cứu giao thông, Washington, DC, 1994.

17. Ehrenberg, A. 2002. Lượng khí thải CO_₂ và nhu cầu năng lượng của xỉ lò cao dạng hạt. Biên bản Hội nghị xỉ châu Âu lần thứ 3, ấn phẩm EUROSLAG, 2, 151-166.

18. Jepsen, O.L. và K.P. Christensen, 1998. Cải thiện mức tiêu thụ nhiên liệu và lượng khí thải bằng công nghệ làm mát, cyclone và calciner hiện đại. Biên bản Hội nghị quốc tế WABE về xi măng và bê tông, Montreal, Canada, 5-15.
(Hết)

 

 Nguồn: Ximang.vn (Văn Vượng - Chuyên gia công nghệ CIDC)