Kể từ khi áp dụng lần đầu các nhiên liệu thay thế để ứng phó với cuộc khủng hoảng dầu mỏ trong những năm 1970, bản chất của các nhiên liệu thay thế, cũng như các xu thế đằng sau việc sử dụng chúng, đã thay đổi đáng kể. Rất nhiều nhà máy, đặc biệt là trên các thị trường phát triển, đã chuyển đổi từ việc thu phí tại cửa để "đốt chất thải" sang trả tiền cho "nhiên liệu sản xuất" có chất lượng cao, mặc dù những loại này vẫn có lợi thế về chi phí và phát thải so với nhiên liệu hóa thạch. Đồng thời, rất nhiều nhà máy đã chuyển đổi từ các hệ thống cấp liệu thô và định lượng thấp sang các mức thay thế cao hơn nhiều và các thiết bị cấp liệu, định lượng và nung luyện phức tạp hơn. Một số nhà máy đã đạt tới gần 100% nhiên liệu thay thế trong những khoảng thời gian kéo dài.
 

Đầu vòi đốt Fives Pillard Novaflam.
 

Với tiêu điểm hiện nay là tập trung vào tính bền vững và giá trị CO₂ cao hơn, xu hướng hiện giờ là hướng tới các nhiên liệu có nguồn gốc sinh vật, nghĩa là những nhiên liệu mà hấp thụ được CO₂ trong khí quyển. Tuy nhiên, với cam kết hướng tới phát thải CO₂ bằng 0 vào năm 2050 từ các nhà sản xuất và các hiệp hội lớn, lĩnh vực xi măng sẽ cần nhiều nhiên liệu thay thế hơn trong tương lai. Đồng thời, sẽ có sự cạnh tranh nhiều hơn từ các lĩnh vực khác, bao gồm cả nhiên liệu rắn chế tạo và các sinh khối từ các ngành sản xuất điện, thép và các ngành công nghiệp nặng khác. Điều này làm gia tăng sự cạnh tranh đối với tất cả các nguồn nhiên liệu thay thế tin cậy. Đồng thời, việc gia tăng tái chế, giảm bớt và tái sử dụng nguyên vật liệu có khả năng làm thay đổi thành phần hoá học, hàm lượng độ ẩm và nhiệt trị của các nguồn nhiên liệu thay thế sẽ được sử dụng. Điều này sẽ yêu cầu không chỉ công suất xử lý rác thải lớn hơn mà cả khả năng của ngành xi măng xử lý các nguồn nhiên liệu nhiệt đầu vào khác nhau đang không ngừng tăng lên, một vài trong số đó sẽ được tìm hiểu trong bài viết này.
 

 
Các xu hướng vòi đốt mới đây

Trong 30 năm qua, việc gia tăng sử dụng các nhiên liệu thay thế dạng rắn (SAF) đã dẫn đến việc các  có kích thước ngày càng lớn hơn để phù hợp với việc phun chúng qua vòi đốt. Đồng thời, số lượng các đường ống và các kênh đã tăng lên để thích ứng với tất cả các loại cấp liệu khác nhau. Tuy nhiên, nghiên cứu đã cho thấy rằng với ~50% mức thay thế nhiệt trước đây, đường kính vòi đốt trở nên quá lớn so với đường kính của lò. Điều này dẫn đến các đặc tính ngọn lửa kém, đáng chú ý là các ngọn lửa dài, yếu và không dễ điều chỉnh được. Có thể là do gió hai không thể tiếp cận được hết toàn bộ nhiên liệu, dẫn đến chỉ đốt cháy từng phần nhiên liệu và làm giảm điều kiện trên lớp clinker, cũng như làm hư hại sớm các viên gạch chịu lửa ở zôn nung. Vấn đề khác nữa mà các nhà máy đang phải đối mặt là họ đang phải tăng tỷ lệ nhiên liệu hoá thạch lên, đặc biệt là SAF, sự gia tăng dòng khí thải do hàm lượng độ ẩm cao hơn, mặc dù điều này có thể chống lại được bằng cách làm giàu oxy.

Trong những năm gần đây, vấn đề đốt cháy không hết đã đưa đến sự tái xuất hiện các  kiểu hành tinh, mà đã được sử dụng lần đầu tiên cho các thử nghiệm SAF cách đây 50 năm. Tuy nhiên, các vòi đốt kiểu hành tinh hiện nay được dự định là các giải pháp lâu dài và được thiết kế tốt hơn nhiều so với trước đây. Nhờ lắp đặt lò ống bên trên vòi đốt chính, hiện có thể cấp SAF khó đốt hơn. Điều này cho phép đạt được ngọn lửa vòi đốt chính ngắn hơn và hiệu quả hơn, trên đó SAF khô hơn có thể rơi xuống. Chúng có thể được đưa trực tiếp vào để tăng thời gian lưu của hạt trong gió hai nóng và do đó cháy hết hoàn toàn và không còn đọng lại trên lớp clinker nữa. Các vòi đốt kiểu hành tinh cũng dễ điều chỉnh hơn đồng thời cũng cho phép sử dụng nhiều loại SAF khác nhau. Hầu hết các nhà cung cấp xi măng lớn đang bắt đầu chấp nhận chúng  như là một tiêu chuẩn.
 

100% nhiên liệu thay thế dạng rắn không phải là sự lựa chọn thực tế trên rất nhiều thị trường.
 

Sau khi nghiên cứu kỹ lưỡng cho bài viết này, chúng tôi có thể kết luận rằng các thông số kỹ thuật chính cho lựa chọn vòi đốt vẫn là động lượng và khả năng tạo hình dạng ngọn lửa. Động lượng ngọn lửa là lưu lượng gió sơ cấp nhân với vận tốc tại đầu vòi đốt/ công suất vòi đốt tính bằng N/MW. Với mục tiêu đạt được động lượng lớn hơn, một chủ đề mà hiện có vẻ như  đã được công nhận rộng rãi chính là tầm quan trọng của các dòng tia gió sơ cấp hướng trục hiệu quả. Tất cả các nhà sản xuất vòi đốt hiện đều kết hợp các thiết kế như vậy, bổ sung thêm những ‘điểm nhấn’ riêng của họ để tối ưu hóa số lượng các tia gió, cũng như vị trí, đặc điểm, hình dạng và mối quan hệ của chúng với các dòng tia gió xoáy sơ cấp.

Liên quan tới việc các  được điều chỉnh ra sao, đã có một sự thay đổi lớn. Ví dụ, một số người thích chức năng của vòi đốt MAS Unitherm có một tay quay đơn để quay, trong khi một số người khác lại thích loại nhiều kênh cố định với 2 - 3 van để điều chỉnh lượng gió sơ cấp tương ứng. Một loại thì dễ dàng hơn nhưng với các chi tiết chuyển động, còn loại kia thì cồng kềnh hơn, nhưng với các chi tiết cố định.  

Điều tương đối mới chính là hiệu ứng ‘turbo’ là một đặc tính trong một số thiết kế vòi đốt. Ví dụ, FLS Jetflex có các dòng tia được bố trí vuông góc với trục vòi đốt. Điều này tạo ra hiệu ứng dòng tia với ngọn lửa mạnh hơn. Khi chúng được bố trí dọc theo chu vi vòi đốt, chúng có thể tạo ra một kênh mở, tạo ra ngọn lửa yếu hơn. Tương tự, FCT Turbu-Flex có một van ở phía sau vòi đốt kiểm soát việc chia tách gió sơ cấp hướng trục giữa những lượng dòng tia khác nhau, cho phép tạo thành các hình dạng ngọn lửa khác nhau.

Vấn đề chính với các vòi đốt chế độ kép đó là, trong thực tế, khi bạn đã quen với ngọn lửa mạnh hơn, bạn sẽ không có ý định trở về chế độ hoạt động bình thường. Khi bạn lái xe ô tô ở chế độ ‘Sport’ (Thể thao), bạn sẽ khó trở lại chế độ ‘Eco’ (Tiết kiệm).

Các giải pháp hướng tới mức phát thải thuần bằng 0

Trong những năm gần đây, không có những thay đổi lớn về thiết kế vòi đốt chính của lò xi măng, đúng hơn chỉ là sự phát triển dần dần của các thiết kế. Tuy nhiên, xu hướng khử carbon ở các nhà máy xi măng có nghĩa rằng điều này khó có thể tiếp tục kéo dài. Các vòi đốt kiểu hành tinh với các tỷ lệ SAF ngày càng cao hơn sẽ chỉ giúp ngành xi măng toàn cầu trong hành trình đạt tới mức phát thải CO₂ thuần bằng 0. Mức thay thế 100% SAF sẽ gần như không thể đạt được, đặc biệt là khi rất nhiều vùng không có các thị trường rác thải phát triển tốt. Trong bất kỳ trường hợp nào, kể cả khi SAF phát triển bền vững nhất thì cũng không phải là CO₂ trung tính và không có đảm bảo rằng các nguồn rác thải phù hợp sẽ có sẵn cho ngành xi măng.

Điều này có nghĩa rằng sẽ cần có các phương thức tiếp cận mới. Trong số các phương thức tiếp cận này có thể là việc áp dụng tăng cường hydro và làm giàu oxy. Cả hydro lẫn oxy đều có thể được tạo ra thông qua việc phân tách nước để tạo ra nguyên tố hydro và oxy, một quá trình mà yêu cầu 10 lít nước sạch/1kg H₂ và, trong tương lai bị hạn chế CO₂, là điện năng tái tạo. Hydro được coi là một mắt xích quan trọng trong quá trình điện khí hóa một số quy trình tiêu tốn nhiều năng lượng, cụ thể là trong sản xuất thép. Nó cho thấy là một giải pháp hữu hiệu để lưu trữ năng lượng từ các nguồn tái tạo trong thời gian lâu hơn so với pin.

Hydro thậm chí có thể sử dụng được trực tiếp như là một nhiên liệu trung tính CO₂. Một hỗn hợp nhiên liệu mà kết hợp 5 - 20% hydro trong khí tự nhiên không yêu cầu các thay đổi lớn đối với vòi đốt công nghiệp hoặc vòi đốt gia dụng. Thực vậy, đây là một giải pháp mà Liên minh Châu Âu lập kế hoạch để khử carbon cho lĩnh vực năng lượng của mình. Các nhà sản xuất tua bin khí và động cơ tịnh tiến đã đưa ra tuỳ chọn cho một số thiết bị của họ mà sẽ được đốt với 100% khí hydro tinh khiết. 

Tuy nhiên, sẽ không thực tế khi sử dụng 100% hydro để đốt lò xi măng. Nó phản ứng, ăn mòn rất mạnh, có khả năng gây nổ và độ phát xạ ngọn lửa là quá thấp. Tuy nhiên, hydro có thể bổ sung cho các nhiên liệu thay thế khác để hoàn thành chương trình đạt mức thay thế nhiệt 100%. Cemex đã công bố rằng tất cả các nhà máy ở Châu Âu của mình đều đang sử dụng hydro. Các nhà sản xuất khác cũng đã báo cáo về các thử nghiệm hydro.
 

Hình 1: Phép điện phân nước thông thường để tạo ra hydro và oxy.
 

Phương pháp chính được sử dụng cho các thử nghiệm này là lắp đặt một bình điện phân nhỏ ở gần lò nung và sử dụng cả hydro lẫn oxy sinh ra. Các khí này được phun vào bằng cách phối trộn mỗi khí với gió sơ cấp hoặc gió vận chuyển, hoặc qua một mũi cắt ống kép chuyên dụng để phun chính xác cả hai khí vào chân ngọn lửa. Vị trí phun là quan trọng và liên quan tới động lực học của phản ứng đốt và việc tạo ra các nhóm O•, H•, và OH•, một cơ chế cực kỳ phức tạp. Hydro trong hỗn hợp nhiên liệu – cùng với làm giàu oxy – cũng sẽ có lợi trong việc trì hoãn hoặc loại bỏ nhu cầu đối với clo bypass, thường là một hệ thống tốn kém  để lắp đặt.
(Còn nữa)
 

Nguyễn Thị Kim Lan dịch từ Global Cement Magazine số tháng 2/2022
VLXD.org