TÓM TẮT Đồng xử lí chất thải trong lò nung xi măng có thể làm giảm nhu cầu sử dụng nhiên liệu hóa thạch của ngành công nghiệp xi măng và phát thải CO2 , giúp giảm bớt phần nào nhu cầu ng
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN QUÝ
SINH VIÊN THỰC HIỆN: NGUYỄN THÁI HOÀNG
MSSV: 60900926
CHUYÊN NGÀNH: QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ
TP.HCM 2013
Trang 2MỤC LỤC CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ XI MĂNG ĐỐT CHẤT THẢI RẮN TRÊN
THẾ GIỚI 1
1.1 Giới thiệu 1
1.1.1 Chất thải rắn đô thị 2
1.1.2 Bùn thải 3
1.1.3 Đồng xử lí: Một phần giải pháp 4
1.2 Những nguyên tắc cơ bản khi đồng xử lí MSW và bùn thải trong ngành công nghiệp Xi măng 5
1.2.1 Sản xuất Xi măng 5
1.2.2 Đồng xử lí MSW và bùn thải trong ngành công nghiệp xi măng 8
1.2.3 Nguyên nhân và động lực để đồng xử lí MSW và bùn thải 13
1.2.4 Tác động của đồng xử lí đến chất lượng xi măng và bê-tông 17
1.2.5 Sự cân bằng giữa năng lượng sử dụng và đồng xử lí rác 18
1.2.6 Tính kinh tế của thực hiện đồng xử lí 19
1.2.7 Các nguy cơ về sức khỏe và môi trường khi thực hiện đồng xử lí 21
1.2.8 Những rào cản chính đối với thực hiện đồng xử lí 22
1.3 Những đặc điểm kĩ thuật của quá trình đồng xử lí 23
1.3.1 Công nghệ tiền xử lí 23
1.3.2 Hệ thống tồn trữ, vận chuyển và nạp 42
1.3.3 Đồng xử lí chất thải rắn đô thị và bùn thải trong nhà máy xi măng 46
1.3.4 Hệ thống kiểm soát chất lượng sản phẩm 54
1.3.5 Phát thải và ô nhiễm không khí 54
1.3.6 Các biện pháp về an toàn và sức khỏe 61
CHƯƠNG 2 THỰC TRẠNG VÀ TIỀM NĂNG ĐỐT RDF TRONG LÒ XI MĂNG VIỆT NAM 64
2.1 Thực trạng công tác quản lí chất thải rắn ở Việt Nam 64
2.1.1 Tổng quan chất thải rắn ở Việt Nam 64
2.1.2 Quản lí chất thải rắn ở Việt Nam 66
2.2 Tổng quan về công nghiệp xi măng Việt Nam 68
2.2.1 Vai trò của ngành xi –măng Việt Nam 69
2.2.2 Thách thức của ngành xi măng Việt Nam 71
2.3 Đồng xử lí rác thải trong công nghiệp xi măng Việt Nam 72
Trang 32.3.1 Định hướng đồng xử lí rác thải trong công nghiệp xi măng Việt Nam 72
2.3.2 Thách thức khi thực hiện đồng xử lí rác thải tại Việt Nam 73
CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÍ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH ĐỐT CHẤT THẢI TRONG LÒ NUNG XI MĂNG 75
3.1 Cơ sở lí thuyết quá trình tạo thành xi măng 75
3.1.1 Thành phần khoáng hóa của clanhke 75
3.1.2 Các quá trình trong sản xuất xi măng 76
3.1.3 Đánh giá chất lượng cho clanhke và xi măng 77
3.2 Cở sở lí thuyết quá trình đốt chất thải trong nhà máy xi măng 80
3.2.1 Những đặc tính của chất thải xử lí trong nhà máy xi măng 80
3.2.2 Những đặc tính của lò nung xi măng trong xử lí chất thải 84
3.2.3 Những ảnh hưởng của việc đồng xử lí đến chất lượng và phát thải của lò 85
3.3 Nguyên lí hoạt động và cấu hình của bộ preheater/precalciner 87
3.3.1 Nguyên lí hoạt động bộ preheater 87
3.3.2 Nguyên lí hoạt động bộ precalciner 88
3.3.3 Một số cấu hình preheater/precalciner 88
CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG SỬ DỤNG RDF TỪ MSW 92
4.1 Quy trình công nghệ 92
4.1.1 Phân xưởng sản xuất xi măng 92
4.1.2 Phân xưởng sản xuất RDF 93
4.2 Tính toán phối liệu 93
4.2.1 Tính chất, thành phần của nguyên liệu và nhiên liệu 93
4.2.2 Tính thành phần phối liệu 97
4.3 Tính toán cân bằng vật chất – năng lượng 102
4.3.1 Tính năng suất dây chuyền sản xuất xi măng 102
4.3.2 Tính tiêu hao nguyên liệu và nhiên liệu 103
4.3.3 Tính toán quá trình cháy nhiên liệu 105
4.3.4 Tính toán cân bằng vật chất lò nung 108
4.3.5 Tính toán cân bằng năng lượng lò nung – máy sấy 109
4.3.6 Tính toán cân bằng vật chất năng lượng hệ thống preheater – precalciner 120
4.3.7 Tính toán dây chuyền sản xuất RDF từ MSW 137
4.3.8 Tổng kết các kết quả tính toán cân bằng vật chất – năng lượng 144
Trang 4CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN LÒ NUNG VÀ THIẾT BỊ NẠP LIỆU RDF 146
5.1 Tính toán thiết bị nạp liệu RDF 146
5.1.1 Tổng quan về thiết bị nạp liệu RDF sử dụng 146
5.1.2 Thiết kế vít nạp liệu RDF 146
5.1.3 Chọn các chi tiết máy cho trục vít 151
5.1.4 Tính toán hệ thống vận chuyển khí động 157
5.2 Tính toán hệ thống lò nung 161
5.2.1 Tính thông số công nghệ lò nung 161
5.2.2 Tính toán các bộ phận khác trong hệ thống lò nung 172
NHẬNXÉTVÀKẾTLUẬN 182
TÀILIỆUTHAMKHẢO 184
Trang 5DANH MỤC HÌNH
Hình 1 1 Sản lượng xi măng hàng năm của thế giới [2] 1
Hình 1 2 Thành phần MSW ở Rawalpindi, Pakistan [5] 2
Hình 1 3 Các phương pháp phân hủy chất thải rắn đô thị ở Trung Quốc năm 2006 [6] 3
Hình 1 4 Các bước sản xuất xi măng sử dụng công nghệ lò quay khô có preheater/precalciner [1] 7
Hình 1 5 Đồng xử lí chất thải nguy hại và không nguy hai trong lò xi măng ở Liên Minh Châu Âu năm 2003 và 2004 [16] 9
Hình 1 6 Biên dạng nhiệt độ trong một lò quay có preheater và precalciner [10] 11
Hình 1 7 Biểu đồ xác định việc sử dụng chất thải để đồng xử lí [11] 11
Hình 1 8 Hệ thống thứ tự xử lí rác [10] 13
Hình 1 9 Phát thải CO2 trong quá khứ và ước lượng của công nghiệp xi măng [19] 14
Hình 1 10 Khí thải nhà kính từ chôn lấp chất thải, thiêu đốt và đồng xử lí [10] 16
Hình 1 11 So sánh cân bằng CO2 giữa đồng xử lí và chôn lấp 100 kg bùn thải [22] 16
Hình 1 12 Thành phần hóa học của tro từ bùn thải và clanhke trong giản đồ 3 cấu tử: đá vôi (CaO) – silic đioxit (SiO2) – các oxit khó nóng chảy (R2O3) [23] 17
Hình 1 13 Thông tin chi tiết về sự gia tăng 10 phần trăm năng lượng sử dụng khi tiền xử lí, trong bảng 1.5 [25] 19
Hình 1 14 Một ví dụ chi phí nhiên liệu trong nhà máy xi măng cới mục tiêu sử dụng nhiên liệu thay thế [25] 21
Hình 1 15 Một ví dụ về quản lí MSW tích hợp [29] 25
Hình 1 16 Một ví dụ MBT để sản xuất RDF [28] 26
Hình 1 17 Sơ đồ khối cho những phương pháp MBT chính [30] 26
Hình 1 18 Phần rác có nhiệt trị cao sau xử lí cơ – sinh học [31] 27
Hình 1 19 Sàng trống quay [32] 29
Hình 1 20 Sơ đồ máy nghiền búa nằm ngang [34] 31
Hình 1 21 Sơ đồ một máy xé MSW [33] 31
Hình 1 22 Sơ đồ qui trình cho một quá trình sấy hầm nhiệt độ thấp [35] 33
Hình 1 23 Sơ đồ tiền xử lí bùn thải [21] 34
Hình 1 24 Qui trình tiền xử lí và đồng xử lí bùn thải từ một dự án ở Úc 34
Hình 1 25 Sử dụng khí lò xi măng để sấy bùn [42] 37
Hình 1 26 Xử lí bùn bao gồm phân hủy kị khí [43] 38
Hình 1 27 Sản xuất bột bùn tại Nhật Bản [21] 40
Hình 1 28 Sơ đồ sấy bùn bằng năng lượng mặt trời, thông gió tự nhiên [44] 40
Hình 1 29 Hệ thống nghiền bùn khô [45] 41
Hình 1 30 Xử lí rác thải làm nhiên liệu tại nhà máy xi măng [47] 43
Hình 1 31 Những hệ thống vận chuyển bằng cơ học [48] 44
Hình 1 32 Ví dụ về hệ thống cân chỉnh và nạp RDF vào precalciner [50] 44
Hình 1 33 Ví dụ hệ thống vận chuyển và cân chỉnh để nạp RDF vào béc đốt chính của lò [42] 45
Hình 1 34 Thiết bị nạp roto (trái) và thiết bị nạp vít (phải) để cân chỉnh nhiên liệu rác [51] 45
Trang 6Hình 1 35 Công nghệ phun nhiên liệu vào giữa lò của Cadence [49] 46
Hình 1 36 Các vùng phản ứng với nhiệt độ tương ứng trong các công nghệ lò khác nhau [52] 48
Hình 1 37 Những điểm nạp chất thải thông thường [24] 49
Hình 1 38 Mặt cắt ngang một béc đốt đa liệu [25] 49
Hình 1 39 Béc đốt đa liệu Pillard ROTAFLM và đầu béc để đồng xử lí nhiên liệu thay thế [54] 50
Hình 1 40 Mối quan hệ giữa kích thước hạt và thời gian cháy hết của các loại nhiên liệu khác nhau trong lò xi măng [55] 51
Hình 1 41 Những cấu hình precalciner khác nhau để đồng xử lí nhiên liệu thay thế [25] 51
Hình 1 42 Precalciner với buồng đốt KHD Humboldt Wedag [25] 52
Hình 1 43 Buồng đốt HOTDISC của FLSmidth [56] 53
Hình 1 44 Công nghệ trộn không khí [28] 53
Hình 1 45 Cường độ xoáy thấp (trái) và cường độ xoáy cao (phải) nhờ thiết bị tạo dòng xoáy [57] 54
Hình 1 46 Phát thải NOx từ một lò xi măng khi có thực hiện đồng xử lí bùn thải và khi không thực hiện [21] 56
Hình 1 47 Khái quát các điểm đo lường ở nhà máy xi măng [62] 60
Hình 1 48 Công nghệ CEMS lấy chiết (trái) và tại chỗ (phải) [63] 61
Hình 2 1 Lượng chất thải rắn phát sinh trên các vùng trong cả nước [65] 64
Hình 2 2 Tỉ lệ các loại chất thải rắn năm 2008 và dự đoán cho năm 2015 [65] 65
Hình 2 3 Các phương pháp xử lí chất thải rắn ở Việt Nam [65] 67
Hình 2 4 Qui trình công nghệ sản xuất nhiên liệu rắn [71] 67
Hình 2 5 Quản lí tổng hợp chất thải rắn [65] 68
Hình 2 6 Vận chuyển lò nung clanhke nhà máy xi măng Công Thanh 2 [73] 69
Hình 2 7 Sản xuất và tiêu thụ xi măng qua các năm [74] 70
Hình 2 8 Nhà máy xi măng Holcim Hòn Chông (Kiên Giang) [76] 71
Hình 2 9 Ô nhiễm môi trường xung quanh nhà máy Xi măng Sài Sơn [80] 72
Hình 3 1 Các quá trình trong sản xuất xi măng [89] 76
Hình 3 2 Sự hình thành các pha trong lò nung clanhke [90] 78
Hình 3 3 Những rào chắn phát thải của lò xi măng [93] 85
Hình 3 4 Nguyên lí hoạt động bộ preheater [97] 87
Hình 3 5 Nguyên lí hoạt động bộ precalciner [94] 88
Hình 3 6 Hộp tán liệu của xyclon trao đổi nhiệt [98] 88
Hình 3 7 Van chặn liệu [98] 89
Hình 3.8 Thiết kế cho các xyclon ở các tầng khác nhau [98] 89
Hình 3 9 Các mẫu thiết kế xyclon có tổn áp thấp (LP) 89
Hình 3 10 Một số cách bố trí precalciner trong hệ thống lò [98] 91
Hình 4 1 Qui trình công nghệ sản xuất xi măng sử dụng RDF từ MSW 92
Hình 4 2 Sự giảm cường độ xi măng theo thời gian bảo quản [101] 102
Hình 4 3 Biên dạng nhiệt độ dòng khí và dòng liệu trong hệ thống lò nung 137
Trang 7Hình 4 4 Phân bố kích thước MSW sau nghiền sơ cấp 143
Hình 5 1 Phân bố kích thước RDF sau nghiền thứ cấp 147
Hình 5 2 Các kích thước cơ bản của trục vít [109] 151
Hình 5 3 Bu-lông nối vít với trục truyền động [109] 151
Hình 5 4 Trục truyền động lắp tiêu chuẩn [109] 152
Hình 5 5 Máng vít loại ống kín [109] 153
Hình 5 6 Chân đỡ nối qua mặt bích [109] 153
Hình 5 7 Nắp cuối máng có mặt chân đế [109] 154
Hình 5 8 Gioăng làm kín trục Guardian Seal [109] 155
Hình 5 9 Ổ bi chặn lắp bằng mặt bích [109] 155
Hình 5 10 Cửa nạp liệu cơ bản [109] 156
Hình 5 11 Bích nối máng vít loại ống kín [109] 157
Hình 5 12 Lớp lót nối trục [109] 157
Hình 5 13 Hệ thống vận chuyển khí động RDF vào precalciner [110] 158
Hình 5 14 Độ nhớt không khí phụ thuộc vào nhiệt độ [110] 159
Hình 5 15 Giản đồ Moody tra hệ số ma sát trượt [110] 160
Hình 5 16 Giản đồ tra hệ số ma sát cục bộ của đoạn uốn 90o [110] 160
Hình 5 17 Chọn đường kính lò quay [93] 162
Hình 5 18 Ứng suất tiếp xúc giữa vành đai và con lăn [114] 164
Hình 5 19 Phân tích lực và mô men tác dụng lên vành đai [114] 165
Hình 5 20 Các kích thước của gạch chịu lửa dùng trong lò xi măng [90] 167
Hình 5 21 Các kích thước cơ bản của xyclon trao đổi nhiệt [93] 172
Hình 5 22 Phân bố không khí dọc theo ghi làm nguội [112] 179
Hình 5 23 Hàm lượng cho phép của Clo trên căn bản clanhke [93] 181
Trang 8DANH MỤC BẢNG
Bảng 1 1 Lượng chất thải rắn đô thị ở một số nước trên thế giới năm [6] 3
Bảng 1 2 Những đặc tính tiêu biểu của MSW và bùn thải được dùng làm nguồn nhiên liệu thay thế [9] 5
Bảng 1 3 Nhiệt độ và thời gian lưu trong quá trình sản xuất xi măng [10] 10
Bảng 1 4 Những nguyên tắc chung đối với đồng xử lí rác thải trong ngành công nghiệp xi măng [10] 12
Bảng 1 5 Một ví dụ về sự cân bằng giữa năng lượng sử dụng và đồng xử lí [25] 19
Bảng 1 6 Các kĩ thuật phân loại MSW [30] 28
Bảng 1 7 Những kĩ thuật giảm kích thước MSW [30] 30
Bảng 1 8 Chi phí thiết bị sản xuất RDF [36] 33
Bảng 1 9 Phát thải CO2 trên mỗi tấn bùn khô bởi các phương pháp khác nhau dùng trong nhà máy xi măng hoặc đem thiêu đốt [22] 38
Bảng 1 10 Chi phí đầu tư và vận hành hàng năm, và thời gian hoàn vốn cho các phương án tiền xử lí bùn khác nhau [46] 42
Bảng 1 11 Ảnh hưởng của loại rác nạp vào preheater/precalciner đến phát thải PCDD/PCDF [60] 58
Bảng 1 12 Ví dụ phát thải từ một lò xi măng sử dụng RDF [61] 59
Bảng 2 1 Thành phần MSW tại TP HCM [66] 65
Bảng 2 2 Thành phần MSW tại TP Bắc Ninh [67] 66
Bảng 2 3 Thành phần MSW tại huyện Thanh Oai, Hà Nội [68] 66
Bảng 2 4 Các công ty Xi măng lớn ở Việt Nam [74] 70
Bảng 3 1 Các thành phần chính của clanhke [88] 75
Bảng 3 2 Thành phần hóa các nguyên liệu thô và nguyên liệu đem nung clanhke [89] 76
Bảng 3 3 Biến đổi hóa học trong quá trình nung nguyên liệu XMP [90] 77
Bảng 3 4 Tiêu chuẩn quốc gia về chất lượng Xi măng Pooc lăng [92] 79
Bảng 3 5 Phân loại các loại nhiên liệu thay thế [93] 80
Bảng 3 6 Các tính chất cần kiểm tra của nhiên liệu thay thế [93] 81
Bảng 3 7 Nhiệt trị các loại nhiên liệu thay thế và nhiên liệu truyền thống [93] (*= nhiên liệu truyền thống) 82
Bảng 3 8 Điều kiện đồng xử lí chất thải trong lò xi măng [94] 83
Bảng 3 9 Đặc điểm các vị trí nạp nhiên liệu thay thế vào lò NSP [93] 85
Bảng 3 10 Mức phát thải cho phép khi đồng xử lí chất thải ở các nước Châu Âu [94] 86
Bảng 4 1 Yêu cầu kĩ thuật đối với đá vôi sản xuất xi măng Pooc lăng (TCVN 6072:1996) 93 Bảng 4 2 Yêu cầu kĩ thuật đối với đất sét sản xuất xi măng Pooc lăng (TCVN 6071:1995) 93
Bảng 4 3 Thành phần hóa của đá vôi và đất sét [72] 94
Bảng 4 4 Thành phần hóa cấu tử điều chỉnh quặng sắt và cát đen [72] 94
Bảng 4 5 Thành phần than cám 3 [72] 95
Trang 9Bảng 4 6 Thành phần làm việc của than 95
Bảng 4 7 Thành phần hóa của tro than [72] 95
Bảng 4 8 Thành phần của RDF căn bản khô (ECN) 96
Bảng 4 9 Thành phần làm việc của RDF (độ ẩm 5%) 96
Bảng 4 10 Thành phần tro RDF (ECN) 97
Bảng 4 11 Thành phần nguyên liệu chưa nung quy về 100% 97
Bảng 4 12 Thành phần nguyên liệu khô đã nung quy về 100% 97
Bảng 4 13 Thành phần hóa học của từng cấu tử trong clanhke 99
Bảng 4 14 Thành phần nguyên vật liệu chưa nung 101
Bảng 4 15 Thành phần hóa của phối liệu khô chưa nung 101
Bảng 4 16 Độ ẩm của các loại nguyên liệu sản xuất xi măng 103
Bảng 4 17 Tiêu hao các loại nguyên liệu sản xuất xi măng 104
Bảng 4 18 Lượng O2 cần để đốt cháy than 105
Bảng 4 19 Lượng O2 cần để đốt cháy RDF 107
Bảng 4 20 Kết quả tính toán quá trình đốt nhiên liệu 108
Bảng 4 21 Cân bằng vật chất trong hệ thống lò 117
Bảng 4 22 Cân bằng năng lượng trong hệ thống lò 118
Bảng 4 23 Cân bằng vật chất trong thiết bị làm lạnh clanhke 119
Bảng 4 24 Cân bằng năng lượng trong thiết bị làm lạnh clanhke 120
Bảng 4 25 Bảng số liệu để tính toán preheater- precalciner 121
Bảng 4 26 Cân bằng vật chất các dòng bụi qua các xyclon 123
Bảng 4 27 Cân bằng vật chất các dòng khí trong hệ thống xyclon 126
Bảng 4 28 Biên dạng nhiệt độ trong preheater - precalciner 136
Bảng 4 29 Thành phần tiêu biểu của MSW [106] 137
Bảng 4 30 Hàm ẩm của các thành phần MSW [14] 138
Bảng 4 31 Thành phần MSW đi vào máy sấy 138
Bảng 4 32 Tính thành phần của MSW sau khi sấy 139
Bảng 4 33 Tỷ trọng của một số thành phần MSW [100] 140
Bảng 4 34 Thành phần dòng nhẹ và dòng nặng ra khỏi máy phân tách khí động 140
Bảng 4 35 Tính toán nhiệt trị của viên RDF 142
Bảng 4 36 Các dòng vật chất và năng lượng chính 144
Bảng 5 1 Tính toán khối lượng riêng của viên RDF 146
Bảng 5 2 Kích thước các chi tiết trục vít [109] 149
Bảng 5 3 Các đặc tính của trục vít [109] 151
Bảng 5 4 Các đặc tính của bu-lông nối vít với trục truyền động [109] 1522
Bảng 5 5 Các đặc tính của trục truyền động [109] 152
Bảng 5 6 Các đặc tính của các phần máng vít 153
Bảng 5 7 Các đặc tính của chân đỡ nối qua mặt bích [109] 154
Bảng 5 8 Các đặc tính của nắp cuối máng có chân đế [109] 154
Bảng 5 9 Các đặc tính của gioăng Guardian Seal [109] 155
Bảng 5 10 Các đặc tính của ổ đỡ trục [109] 156
Bảng 5 11 Các đặc tính cửa nạp liệu cơ bản [109] 156
Bảng 5 12 Các đặc tính của bích nối máng vít [109] 157
Trang 10Bảng 5 13 Các đặc tính của lớp lót nối trục [109] 157
Bảng 5 14 Kết quả tính toán mô men uốn ở từng tiết diện 165
Bảng 5 15 Các điều kiện cho các thông số công nghệ lò nung [93] 167
Bảng 5 16 Chọn loại gạch theo chiều dài lò 168
Bảng 5 17 Tính toán khối lượng vật liệu trong lò 168
Bảng 5 18 Số liệu tính toán công suất lò quay [115] 170
Bảng 5 19 Khối lượng riêng của các khí ở điều kiện chuẩn [93] 173
Bảng 5 20 Tính toán V và γt của dòng khí trong các xyclon 173
Bảng 5 21 Tính toán các kích thước của xyclon 175
Bảng 5 22 Số tấm ghi trong thiết bị làm nguội clanhke 178
Bảng 5 23 Thông số tính toán công suất quạt thiết bị làm nguội clanhke 179
Trang 11TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Thái Hoàng MSSV: 60900926
Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế dây chuyền công nghệ sản xuất xi-măng bổ sung các loại chất đốt (RDF) từ rác thải sinh hoạt, công nghiệp và nông nghiệp thay thế nhiên liệu than và thiết kế thiết bị nạp liệu RDF vào lò nung clinker bằng hệ thống vis tải định lượng
Số liệu ban đầu: Năng suất clanhke 5000 tấn/ngày; thay thế 60% than bằng RDF
Nội dung thực hiện:
- Tìm hiểu công nghệ xử lí chất thải thành chất đốt và đồng xử lí chất thải trong sản xuất xi măng trên thế giới
- Tìm hiểu thực trạng quản lí và xử lí chất thải rắn tại Việt Nam, những tiềm năng
và định hướng công nghệ đồng xử lí chất thải trong nhà máy xi măng ở Việt Nam
- Tính toán thiết kế dây chuyền sản xuất xi măng năng suất 5000 tấn clanhke/ ngày đêm có đốt bổ sung chất đốt (RDF) từ chất thải
- Tính toán thiết kế hệ thống vis tải định lượng để nạp RDF vào lò xi măng ở trên
Bản vẽ: Số bản vẽ:……… bản A0 …………bản A1………bản A2
Sản phẩm (phần mềm):
Ngày giao nhiệm vụ: …./…./…
Ngày hoàn thành nhiệm vụ: …./…./…
Họ và tên người hướng dẫn: Nội dung hướng dẫn %
TS Nguyễn Quý 100%
…………., ngày… Tháng… năm…
(ký ghi rõ họ tên) (ký ghi rõ họ tên)
Trang 12NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
………., ngày… tháng… năm…
Giáo viên hướng dẫn
Trang 13NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
………., ngày… tháng… năm…
Giáo viên phản biện
Trang 14LỜI NÓI ĐẦU
Luận văn tốt nghiệp này là kết quả của quá trình nghiên cứu, tìm tòi, tính toán và thiết kế hết sức nghiêm túc và chăm chỉ của tôi trong suốt ba tháng, cũng là đúc kết của những kiến thức đã được tích lũy trong hơn bốn năm học tập và rèn luyện tại trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Trong quá trình tính toán thiết kế, tôi đã áp dụng không những những kiến thức lý thuyết trên trường mà còn xem xét những thiết kế từ thực tế sản xuất đang sử dụng Luận văn đã trình bày những tiến bộ và hướng phát triển mới trong ngành công nghiệp xi măng Đó là việc sử dụng loại lò nung hiện đại có precalciner hay việc đưa đồng xử lí rác thải trở thành một giải pháp tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường
Trong quá trình thực hiện luận văn, nhờ sự giúp đỡ của các thầy và các bạn học, cùng với
nỗ lực hết mình tìm hiểu kiến thức mới, tôi đã học được rất nhiều điều về quá trình sản xuất
xi măng Đó là một quá trình phức tạp cần phải vận dụng kiến thức từ nhiều ngành; bao gồm: kĩ thuật hóa, cơ lưu chất, nhiệt động học, kĩ thuật phản ứng, công nghệ đốt cháy, hóa học vô cơ, cơ học vật liệu rời và cả kĩ thuật điều khiển và cơ khí Tôi tin rằng bản thân đã cố gắng hết mình để thực hiện đề tài một cách tốt nhất, đó cũng là món quà chân thành nhất tôi gửi tặng đến bố mẹ tôi
Tôi muốn gửi lời cảm ơn tới:
Tiến sĩ Nguyễn Quý, giáo viên hướng dẫn của tối, vì sự chỉ dạy tận tình, động viên
và khuyến khích tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn
Thạc sĩ Hoàng Trung Ngôn, giáo viên phản biện, vì những nhận xét, đóng góp và đề nghị cho những phần tôi còn thiếu sót
Bạn Lê Đức Long, vì những chia sẻ, bàn luận cùng tôi trong quá trình thực hiện luận văn
Gia đinh và bạn bè tôi, đã luôn quan tâm và giúp đỡ tôi những lúc khó khăn
TP Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 12 năm 2013
Nguyễn Thái Hoàng
Trang 15TÓM TẮT Đồng xử lí chất thải trong lò nung xi măng có thể làm giảm nhu cầu sử dụng nhiên liệu hóa thạch của ngành công nghiệp xi măng và phát thải CO2 , giúp giảm bớt phần nào nhu cầu ngày một gia tăng các biện pháp xử lí và tiêu hủy rác thải một cách an toàn và không gây ảnh hưởng đến môi trường
Ngành công nghiệp xi măng chiếm khoảng 5 phần trăm toàn bộ lượng CO2 do con người thải ra trên toàn thế giới Với nhu cầu sử dụng và sản xuất xi măng ngày càng tăng, nhu cầu
sử dụng năng lượng của ngành công nghiệp và phát thải CO2 sẽ không ngừng gia tăng Các
lò xi măng thường đốt nhiên liệu hóa thạch, những nguồn này không thể tái sinh và sẽ bị cạn kiệt nhanh chóng Xử lí chất thải trong lò nung xi măng, hay còn gọi là đồng xử lí, có thể làm giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch và phát thải CO2 đi kèm của ngành công nghiệp xi măng Tro từ chất thải đồng xử lí sẽ bổ sung vào clanhke, nhờ đó sẽ giúp tiết kiệm nguồn nguyên liệu thô Thêm vào đó, xử lí chất thải trong sản xuất xi măng làm dịu đi những vấn đề do sự gia tăng rác trên thế giới, đặc biệt ở những nước đang phát triển có tốc độ đô thị hóa nhanh chóng Ở nước ta, việc quản lí chất thải còn nhiều bất cập, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người và môi trường Các quy định và hướng dẫn cho việc
xử lí chất thải cũng như đồng xử lí vẫn còn nhiều hạn chế, thiếu sót và cần được tiếp tục sửa đổi, bổ sung
Mục đích của luận văn này là cung cấp một cái nhìn tổng quát về công nghệ đồng xử lí chất thải trong nhà máy xi măng và đưa ra một số tính toán thiết kế cho công nghệ này Luận văn được chia làm 5 chương Chương 1 và 2 trình bày tổng quan về công nghệ này trên thế giới
và ở Việt Nam, theo thứ tự Một dây chuyền công nghệ đồng xử lí chất thải trong nhà máy
xi măng năng suất 5000 tấn/ngày đêm được tính toán trong chương 3 và chương 4 đưa ra một số thiết kế cho hệ thống vis tải nạp chất thải vào vùng precalciner của dây chuyền sản xuất này
Trang 16BẢNG DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
MBT Mechanical Biological Treatment
POP Persistent Organic Pollutant
PCDD Polychlorinated dibenzo-p-dioxin
PCDF Polychlorinated dibenzo-p-furan
I-TEQ International Toxic Equivalent Basic
TOC Total Organic Carbon
BAT Best Available Technique
PCB Polychlorinated Biphenyl
SNCR Selective Non-catalytic Reduction
PAH Polycylic Aromatic Hydrocacbon
CEMS Continuous Emission Monitoring System
Trang 17CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ XI MĂNG ĐỐT CHẤT THẢI RẮN
TRÊN THẾ GIỚI
1.1 Giới thiệu
Ngành công nghiệp xi măng phụ thuộc nhiều vào nguồn nhiên liệu hóa thạch và chiếm 5
phần trăm trong toàn bộ lượng phát thải CO2 nhân tạo trên toàn thế giới [1] Nhu cầu sử
dụng và sản xuất xi măng đang gia tăng; sản lượng xi măng hằng năm của thế giới được
dự đoán tăng từ khoảng 2.540 triệu tấn vào năm 2006 đến khoảng từ 3.680 đến 4.380
triệu tấn vào năm 2050 Phần lớn sự tăng trưởng này diễn ra ở Trung Quốc, Ấn Độ và các
nước đang phát triển ở Châu Á (Hình 1.1) [2] Sự gia tăng sản lượng xi măng dẫn đến sự gia
tăng đáng kể lượng năng lượng sử dụng và lượng CO2 phát thải Sử dụng nguồn nhiên liệu
thay thế có thể giúp giảm tốc độ tiêu hao nhiên liệu hóa thạch, và nếu nguồn nhiên liệu thay
thế có mức phát thải CO2 thấp hơn thì có thể giảm cả sự phát thải CO2 của ngành công nghiệp
Bài viết tập trung vào nhiên liệu thay thế từ chất thải rắn đô thị và bùn thải, trong thực tế người
ta còn dùng nhiều loại chất thải công nghiệp và nông nghiệp khác
Hình 1 1 Sản lượng xi măng hàng năm của thế giới [2]
Ngoài những thách thức về việc sử dụng năng lượng và phát thải CO2 trong ngành công
nghiệp xi măng, các nước trên thế giới đều phải đối mặt với vấn đề phát sinh rác ngày
càng gia tăng Vấn đề này đặc biệt nghiêm trọng ở những nước đang phát triển có sự đô
thị hóa nhanh Các chính quyền ở nhiều nước đối mặt với vấn đề tìm ra biện pháp an toàn
và không gây ô nhiễm môi trường để phân hủy lượng chất thải rắn đô thị và bùn thải ngày
càng gia tăng Cuối cùng, tro từ rác được đồng xử lí1 sẽ bổ sung vào clanhke, nhờ đó sẽ
dự đoán nhu cầu thấp
Liên Minh Châu Âu Ca-na-đa và Mỹ Các Tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế Châu Âu khác Dương
Tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế Thái Bình Dương
Trung Quốc
Trang 18tiết kiệm được nguyên vật liệu
1.1.1 Chất thải rắn đô thị
Chất thải rắn đô thị2 (MSW) bao gồm mọi thứ mà con người sử dụng và thải bỏ hàng ngày, như là bao bì, đồ đạc, quần áo, chai lọ, thức ăn, báo, dụng cụ, sơn và pin [3] Thành phần MSW phụ thuộc vào nguồn gốc, mùa trong năm, lối sống và ý thức của người dân địa phương Nguồn MSW thô có hàm lượng ẩm cao, nhiệt trị thấp, kích thước dao động lớn và hàm lượng tro cao Vì những lí do này, sử dụng MSW thô khó khăn và không thu hút được nhiều sự quan tâm MSW có thể được xử lí trong nhà máy xử lí cơ học hoặc trong nhà máy xử lí kết hợp cơ học và sinh học Cả hai phương pháp xử lí đều tạo ra được nhiên liệu có nguồn gốc từ chất thải3 (RDF) có nhiệt trị lớn hơn đáng kể so với nguyên liệu ban đầu Ngoài việc có nhiệt trị cao, RDF còn có ưu điểm là có thành phần vật lí và hóa học đồng nhất hơn so với MSW; dễ dàng tồn trữ, thao tác và vận chuyển hơn; phát
thải ít chất ô nhiễm hơn; và cần ít lượng không khí dư hơn khi đốt [4] Hình 1.2 cho thấy
các thành phần trong MSW ở Rawalpindi, Pakistan [5]
Bảng 1.1 cho thấy lượng MSW phát sinh ở một vài nước trên thế giới Cả tổng lượng rác
và lượng rác tính theo đầu người phát sinh đã giảm khá ổn định trong những năm gần đây
ở một số nước phát triển (ví dụ, Mỹ ) Tuy nhiên, ở một số nước đang phát triển, những con số này đang gia tăng (ví dụ, Trung Quốc) ) Thêm nữa, ở các nước phát triển tốc độ
tái sinh rác thường lớn hơn ở các nước đang phát triển [6] Hình 1.3 cho thấy những biện
pháp tiêu hủy MSW ở Trung Quốc vào năm 2006 như một ví dụ
Hình 1 2 Thành phần MSW ở Rawalpindi, Pakistan [5]
2
Chất thải rắn đô thị (Municipal Solid waste): viết tắt MSW; từ đây trở đi sẽ dùng từ MSW
3 Nhiên liệu nguồn gốc từ chất thải (Refuse-derived fuel): viết tắt RDF; từ đây trở đi sẽ dùng từ RDF
Trang 19Bảng 1 1 Lượng chất thải rắn đô thị ở một số nước trên thế giới năm [6]
Nước Tổng lượng chất thải rắn đô thị (1000 tấn)
Tốc độ phát sinh chất thải rắn đô thị
Bùn thải được tạo ra chủ yếu bởi các nhà máy xử lí nước thải đô thị Lượng bùn thải tạo
ra tăng đáng kể trong những năm gần đây do sự gia tăng cả về số lượng và qui mô các cộng đồng dân cư cũng như lượng nước thải tạo bởi các quá trình công nghiệp [7]
Hình 1 3 Các phương pháp phân hủy chất thải rắn đô thị ở Trung Quốc năm 2006 [6]
Trang 20Ở Mỹ vào năm 2007, 16.583 cơ sở xử lí nước thải tạo ra khoảng 6,5 triệu tấn bùn thải khô (bùn sinh học) [8] Hầu hết bùn thải tạo ra ở Mỹ và các nước khác được tái chế thành đất hoặc đưa đi chôn lấp, không được thiêu đốt để thu hồi năng lượng trong lò xi măng [7] Bùn thải được chuyển thành đất phải tuân thủ những tiêu chuẩn nghiêm ngặt về sức khỏe con người và môi trường, và bùn thải bị ô nhiễm kim loại nặng từ nước thải công nghiệp
sẽ không thích hợp cho mục đích trồng trọt [9]
Những nước đang phát triển, như Trung Quốc và Ấn Độ, đang mở rộng nhanh chóng các
cơ sở xử lí nước thải, do đó chất lượng bùn thải cũng tăng lên nhanh chóng Vào năm
2005, các nhà máy xử lí nước thải ở Trung Quốc tạo ra 9 triệu tấn bùn khô; trong vòng 10 năm, số lượng này được dự tính sẽ tăng lên 27 triệu tấn [9]
1.1.3 Đồng xử lí: Một phần giải pháp
Quản lí chất thải yếu kém vẫn còn là một vấn đề ở các nước đang phát triển và các nước
có nền kinh tế chuyển tiếp Ở nhiều nước này, chất thải được thải ra cống rãnh, chôn, đốt một cách không có kiểm soát, hoặc đổ bừa bãi bất hợp pháp, hay đưa đến các bãi chôn lấp không đạt các yêu cầu tiêu hủy rác an toàn với môi trường Những biện pháp này dẫn đến
ô nhiễm nguồn đất, nguồn nước và không khí, dẫn đến suy giảm dần điều kiện sống và sức khỏe của các người dân xung quanh
Đồng xử lí các dòng chất thải cụ thể trong lò nung xi măng có thể giúp giải quyết phần nào vấn đề này [10] Bùn thải, thường được chôn lấp hay sử dụng trong nông nghiệp, nay được dùng như nguồn nguyên liệu và nhiên liệu thay thế trong qui trình sản xuất clanhke
và xi măng Nhiều nước châu Âu đã bắt đầu áp dụng biện pháp này trong việc quản lí bùn thải [11] Cả chất thải rắn đã qua tiền xử lí và bùn thải đều có nhiệt trị cao, vào cỡ giga-jun(GJ) trên một tấn vật liệu khô Hai loại này đều có mức phát thải CO2 thấp hơn so với
than khi được đốt trong lò nung xi măng Bảng 1.2 cho thấy những đặc tính tiêu biểu của
MSW và bùn thải được sử dụng làm nguồn nhiên liệu thay thế Tuy vậy, mức năng lượng chứa trong chất thải rắn của một số nước đang phát triển được báo cáo thấp hơn so với số
liệu trong bảng 1.2
Trang 21Bảng 1 2 Những đặc tính tiêu biểu của MSW và bùn thải được dùng làm nguồn nhiên liệu thay thế [9]
(% nguyên liệu)
Nhiệt trị (GJ/tấn vật liệu khô)
Hàm lượng nước (%)
Mức phát thải CO 2 (tấn CO2/ tấn vật liệu)
Bùn thải để
1.2 Những nguyên tắc cơ bản khi đồng xử lí MSW và bùn thải trong ngành
công nghiệp Xi măng
Phần dưới đây mô tả qui trình sản xuất xi măng, tác động CO2 của nó, và nhiều vấn đề liên quan đến việc đồng xử lí MSW và bùn thải trong ngành công nghiệp xi măng
1.2.1 Sản xuất Xi măng
Qui trình chung sản xuất xi măng ngày nay đòi hỏi khai thác và đập nghiền nguyên vật liệu (thông thường là đá vôi [CaCO3], đá phấn và đất sét, sau đó được phối trộn và đưa qua lò nung ở dạng khô hoặc dạng ướt Nhiệt độ trung bình của nguyên vật liệu trong lò nung lên đến 1450 °C Nhiệt kết dính các nguyên vật liệu thô với nhau thành các hạt nhỏ gọi là clanhke Clanhke sau đó được làm nguội và được trộn với thạch cao và nghiền thành bột mịn gọi là xi măng Poóc-lăng Hiệp hội kiểm nghiệm và Vật liệu của Mỹ (ASTM) xác định nhiều loại xi măng Poóc-lăng với nhiều tính chất khác nhau cũng như nhiều loại xi măng đông cứng trong nước được tạo thành bằng cách phối trộn nhiều nguyên liệu như xi măng Poóc-lăng, tro bay, pozzolana thiên nhiên ( một loại tro núi lửa chứa nhiều silic), pozzolana nhân tạo và xỉ lò [12] Liên Minh Châu Âu cũng có phân loại tương tự cho xi măng kèm theo những vật liệu gắn kết xi măng
1.2.1.1 Qui trình sản xuất xi măng
Khai thác mỏ
Nguyên liệu thông dụng nhất để sản xuất xi măng là đá vôi, đá phấn, và đất sét, với đá vôi hay đá phấn tạo thành những thành phần chính trong xi măng Những nguyên liệu này thường được thu gom từ một mỏ ở kế bên hay rất gần nhà máy xi măng Đá vôi cung cấp canxi oxit và một vài oxit khác; và đất sét, đá phiến, và các nguyên liệu khác cung cấp hầu hết silic, nhôm, và sắt oxit cần thiết cho việc sản xuất xi măng Khoảng 5 phần trăm
Trang 22lượng CO2 phát thải của việc sản xuất xi măng đến từ việc khai thác mỏ và vận chuyển [13]
Nghiền và chuẩn bị nguyên vật liệu
Nghiền nguyên liệu thô để sản xuất xi măng là một công đoạn tiêu tốn nhiều điện năng , thông thường cần khoảng 25 đến 35 (kWh)/tấn nguyên liệu thô Quá trình nghiền khác nhau còn tùy thuộc vào loại qui trình nào được sử dụng trong sản xuất clanhke Trong qui trình khô, nguyên vật liệu thô được nghiền đến dạng bột mịn trong máy nghiền bi, máy nghiền con lăn đứng hay máy nghiền trục cán.Vật liệu có thể được sấy bằng cách tận dụng nhiệt từ khí thoát ra khỏi lò nung hay khỏi vùng làm lạnh clanhke, hoặc bằng nhiệt
bổ sung từ lò đốt nóng không khí riêng biệt Hàm lượng ẩm khi nạp liệu khô thông thường khoảng 0,5 phần trăm nhưng có thể dao động từ 0 đến 0,7 phần trăm Khi nguyên vật liệu có độ ẩm quá lớn, như trong trường hợp ở một số nước và vùng miền, qui trình ướt
có thể được ưu tiên hơn Trong qui trình ướt, nguyên vật liệu được nghiền trong máy nghiền bi hay máy nghiền ống cùng lúc được bổ sung nước để tạo thành một dịch bùn có hàm lượng nước từ 24 đến 48 phần trăm, thông thường là 36 phần trăm [14]
Sản xuất clanhke
Sản xuất clanhke là giai đoạn tiêu tốn nhiều năng lượng nhất trong sản xuất xi măng, chiếm đến hơn 90 phần trăm tổng năng lượng tiêu thụ và sử dụng hầu hết nhiên liệu Hệ thống lò nung làm bay hơi nước gắn kết bên trong nguyên vật liệu, phân hủy (can-xin hóa) các thành phần chứa cacbonat ,và tạo thành các khoáng của xi măng (clanhke hóa) Loại lò nung phổ biến được sử dụng ngày nay là lò quay theo phương pháp khô Một lò quay nung khô sử dụng vật liệu vào có hảm ẩm thấp (0,5 phần trăm) Lò nung loại này được phát minh ở Mỹ và ban đầu không có bộ phận gia nhiệt4 Những cải tiến sau này thêm preheater phân tán (xyclon) hay preheater kiểu giếng đứng Gần đây, công nghệ tiền phân hủy5 vôi được phát triển, trong đó một buồng đốt thứ hai được thêm vào ở giữa lò nung và preheater thông thường, cho phép làm giảm thêm lượng nhiên liệu tiêu thụ của lò nung Tiêu thụ năng lượng của lò nung khô với 4,5 hay 6 giai đoạn gia nhiệt thay đổi từ 2,9 đến 3,5 GJ/ tấn clanhke, và hầu hết các quá trình phát thải CO2 trong sản xuất xi măng đều liên quan đến quá trình phân hủy đá vôi (can-xin hóa) Ngay sau khi tạo thành trong lò nung, clanhke được làm nguội nhanh để làm giảm tối thiểu sự tạo thành pha thủy tinh và đảm bảo đạt được tỉ lệ lớn nhất pha alit (tricanxi silicat), một thành phần quan trọng tạo nên đặc tính hóa cứng cho xi măng Các công nghệ làm nguội chính là công nghệ làm nguội dạng ghi, dạng ống hay dạng hành tinh Trong thiết bị làm lạnh dạng ghi, được sử dụng
4
Bộ phận gia nhiệt: hay tiền gian nhiệt (preheater): từ đây trở đi dùng từ preheater
5 Bộ tiền phân hủy: hay tiền nung (precalciner): từ đây trở đi dùng từ precalciner
Trang 23nhiều nhất hiện nay, clanhke được chuyển qua ghi dịch chuyển qua lại và được làm nguội
bởi dòng khí chuyển động vuông góc với dòng clanhke [14]
Nghiền thành phẩm
Để sản xuất xi măng dạng bột, những hạt clanhke được nghiền mịn trong máy nghiền bi,
máy nghiền bi kết hợp máy nghiền trục cán, máy nghiền trục hay trục cán Ở công đoạn
này, 3 đến 5 phần trăm thạch cao được thêm vào để điều chỉnh tính chất của xi măng
Lượng điện năng sử dụng để nghiền nguyên liệu và nghiền thành phẩm phụ thuộc nhiều
vào độ cứng của vật liệu (đá vôi, clanhke, pozzolana, vv ) và độ mịn yêu cầu của xi măng
cũng như hàm lượng phụ gia Xỉ lò cao thì khó nghiền và vì vậy cần tiêu tốn nhiều năng
lượng nghiền hơn Thông thường, máy nghiền bi được sử dụng cho nghiền mịn, nhưng
nhiều nhà máy cũng sử dụng máy nghiền con lăn đứng Phương pháp tiên tiến là sử dụng
máy nghiền con lăn áp suất cao hay máy nghiền lăn nằm ngang Xi măng hoàn thiện được
tồn trữ trong xi-lô; kiểm nghiệm và đóng bao hoặc chuyển theo khối trên xe tải, tàu hỏa,
xà lan hay tàu thủy [14] Hình 1.4 cho thấy các bước trong công nghệ sản xuất xi măng sử
dụng lò quay khô có preheater/precalciner.
Hình 1 4 Các bước sản xuất xi măng sử dụng công nghệ lò quay khô có
preheater/precalciner [1]
1.2.1.2 Tác động CO 2 của ngành sản xuất xi măng
Sản xuất 1 tấn xi măng thải ra 0,73 đến 0,99 tấn CO2 tùy thuộc vào tỉ lệ clanhke trong xi
Đập thô
Đồng nhất và nghiền nguyên liệu
Mỏ quặng
Khai thác nguyên liệu
Preheater Precalciner Tạo clanhke trong lò quay
Làm nguội và tồn trữ
Nghiền xi măng Pha trộn với phụ gia
Tồn trữ xi măng trong xi-lô
Trang 24măng và các yếu tố khác Một sự khác biệt lớn giữa ngành công nghiệp xi măng với những ngành công nghiệp khác đó là việc tiêu thụ nhiên liệu không phải là nguồn phát thải CO2 chính Hơn 50 phần trăm lượng CO2 phát thải trong quá trình sản xuất xi măng, khoảng 540 kg mỗi tấn clanhke [15] là từ quá trình nung đá vôi (can-xin hóa), trong đó CaCO3 được phân hủy thành vôi (CaO) theo phản ứng sau:
CaCO3 ➝ CaO + CO2
Phần CO2 còn lại thải ra trong quá trình sản xuất xi măng là từ việc đốt nhiên liệu để cung cấp năng lượng nhiệt cần thiết cho quá trình can-xin hóa Lò quay trong đó quá trình can-xin hóa diễn ra được nung nóng đến khoảng 1450oC Trung bình 100 đến 110 kWh điện năng tiêu thụ khi sản xuất 1 tấn xi măng [13] Lượng CO2 phát thải từ lượng điện sử dụng trung bình khoảng 5 phần trăm tổng lượng CO2 phát thải của ngành công nghiệp xi măng Tùy thuộc vào nguồn năng lượng và hiệu suất sử dụng điện, con số này có thể thay đổi từ dưới 1 phần trăm đến hơn 10 phần trăm Khoảng 5 phần trăm CO2 phát thải đến từ việc khai thác và vận chuyển quặng [13]
1.2.2 Đồng xử lí MSW và bùn thải trong ngành công nghiệp xi măng
Công ước Basel (2011) định nghĩa đồng xử lí là “ việc sử dụng chất thải trong quá trình sản xuất vì mục đích thu hồi năng lượng và/hoặc thu hồi nguyên liệu dẫn đến giảm được nguồn nhiên liệu truyền thống và/hoặc nguyên liệu thô bằng việc thay thế” Đây cũng là khái niệm dùng trong sinh thái công nghiệp, liên quan đến vai trò của công nghiệp trong việc giảm thiểu những gánh nặng của môi trường thông qua phát triển vòng đời sản phẩm Hội nghị Basel còn định nghĩa thêm đồng xử lí là một quá trình “ có thể giúp thu hồi tài nguyên, tái chế, phục hồi, sử dụng lại trực tiếp hoặc thay thế”
Đồng xử lí rác thải đã được thực hiện hơn 20 năm, đặc biệt ở các nước/vùng phát triển
như Châu Âu, Nhật Bản, Mỹ và Canada [10] Hình 1.5 cho thấy lượng chất thải được
đồng xử lí trong ngành công nghiệp xi măng của Châu Âu trong năm 2003 và 2004 Năm
2006, nhiên liệu thay thế không tính mảnh lốp xe và dung môi (ví dụ, MSW và bùn thải) tính chung lại đã chiếm khoảng 2,5 phần trăm tổng lượng năng lượng đưa vào các lò xi măng của Mỹ [8] Năm 2009, 63 nhà máy xi măng, hay 70 phần trăm tất cả các nhà máy
xi măng ở Mỹ, đã sử dụng nguồn nhiên liệu thay thế [12]
Trang 25Hình 1 5 Đồng xử lí chất thải nguy hại và không nguy hai trong lò xi măng ở Liên Minh Châu Âu năm 2003 và 2004 [16]
Cơ quan kiểm soát và ngăn ngừa ô nhiễm Liên Minh Châu Âu (EIPPCB) đưa ra những đặc tính sau đây của ngành công nghiệp xi măng cho phép quá trình đồng xử lí chất thải:
Nhiệt độ tối đa khoảng 2000oC (nhiệt độ ngọn lửa, hệ thống đốt chính) trong lò quay
Thời gian lưu của khí khoảng 8 giây ở nhiệt độ lớn hơn 1200 oC trong lò quay
Nhiệt độ vật liệu khoảng 1450oC trong vùng kết khối của lò quay
Oxi hóa không khí trong lò quay
Thời gian lưu của khí trong hệ thống đốt phụ nhiều hơn 2 giây ở nhiệt độ lớn hơn 850°C; trong precalciner, giá trị nhiệt độ và thời gian lưu tương ứng còn cao hơn
Nhiệt độ pha rắn đạt 850oC trong hệ thống đốt phụ và/hoặc precalciner
Điều kiện cháy giống nhau cho sự thay đổi nạp liệu nhờ nhiệt độ cao và thời gian lưu đủ lớn
Phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ nhờ nhiệt độ cao và thời gian lưu đủ lớn
Hấp thụ các khí như HF, HCl và SO2 trên các tác chất kiềm
Thời gian lưu của dòng khí ra ngắn trong vùng nhiệt độ đã biết không dẫn đến
sự tổng hợp dioxin và furan
Sử dụng hoàn toàn tro của chất thải làm thành phần clanhke
Không có chất thải đặc biệt nào vì vật liệu được đồng nhất hoàn toàn vào clanhke (một vài nhà máy xi măng châu Âu bỏ đường bụi bypass)
Đồng nhất hóa – khoáng các kim loại không bay hơi vào khối clanhke
Độc hại
hại
Không độc hại
Gỗ, giấy, cac-tông Nhựa Cao su/Lốp xe Bùn thải đô thị Than/chất thải chứa cacbon Mùn cưa độc
Bùn thải đô thị
Dầu thải/chất thải có dầu
Vải RDF Bùn thải công nghiệp
Chất thải nông nghiệp Dung môi Khác Chất thải có nguồn gốc động vật/mỡ
Trang 26Bảng 1.3 cho thấy nhiệt độ và thời gian lưu trong quá trình sản xuất xi măng Hình 1.6
cho thấy nhiệt độ ở những vùng khác nhau trong lò quay với preheater và precalciner
Bảng 1 3 Nhiệt độ và thời gian lưu trong quá trình sản xuất xi măng [10]
Không phải tất cả chất thải đều phù hợp để đồng xử lí trong ngành công nghiệp xi măng Khi chọn lựa chất thải để đồng xử lí, nhiều yếu tố cần phải được xem xét, bao gồm thành phần hóa học của cả chất thải và sản phẩm cuối cùng (xi măng) và những tác động đến môi trường của việc đồng xử lí Những thí dụ về chất thải không phù hợp để đồng xử lí là chất thải từ công nghiệp hạt nhân, rác thải y tế nguy hại, pin và rác sinh hoạt không xử lí GTZ/Holcim (2006) đưa ra một danh sách các chất thải không phù hợp cho đồng xử lí
Hình 1.7 đưa ra một biểu đồ để xác định việc chấp nhận hay từ bỏ chất thải cho việc tiền
xử lí [11]
Trang 27Hình 1 6 Biên dạng nhiệt độ trong một lò quay có preheater và precalciner [10]
`
Hình 1 7 Biểu đồ xác định việc sử dụng chất thải để đồng xử lí [11]
Trang 28GTZ/Holcim (2006) tóm lược 5 nguyên tắc chung phải tuân thủ khi đồng xử lí rác thải
trong ngành công nghiệp xi măng Bảng 1.4 cho thấy những nguyên tắc này
Bảng 1 4 Những nguyên tắc chung đối với đồng xử lí rác thải trong ngành công nghiệp xi măng [10]
Nguyên tắc 1
Đồng xử lí phải tôn trọng hệ thống xử lí rác (xem Hình 1.8):
Đồng xử lí không được cản trở những nỗ lực giảm thiểu chất thải, và chất thải không được dùng trong lò xi măng nếu có các biện pháp tốt hơn vè sinh thái và kinh tế
Đồng xử lí nên được xem là một phần trong kế hoạch quản lí chất thải, vì nó đưa đến 1 giải pháp thu hồi tài nguyên về mặt môi trường cho việc quản lí chất thải
Đồng xử lí phải theo sát với những hiệp định quốc tế về môi trường có liên quan, ví dụ: Hiệp định Basel Stockholm
Nguyên tắc 2
Tránh tăng thêm phát thải và tác động tiêu cực đến sức khỏe con người:
Đê ngăn chặn và giữ tác động tiêu cực của ô nhiễm đến sức khỏe con người và môi trường, phát thải ra không khí không được lớn hơn, trên cơ sở thống kê, những nơi sản xuất xi măng từ nhiên liệu truyền thống
Nguyên tắc 3
Chất lượng xi măng không thay đổi:
Sản phẩm (clanhke, xi măng, bê-tông) không được lạm dụng thành nơi chứa kim loại nặng Sản phẩm không có tác động tiêu cực nào đối với môi trường, được chứng minh bởi kiểm tra nước lọc, lấy ví dụ
Chất lượng xi măng cho phép phục hồi khi đã hết hạn sử dụng
Nguyên tắc 4
Các công ty tham gia vào đồng xử lí phải có đủ khả năng/điều kiện:
Công ty phải có những ghi chép theo dõi việc tuân thủ an toàn và môi trường và cung cấp những thông tin liên quan tới cộng đồng và những nhà chức trách
Công ty phải có con người, qui trình và hệ thống chứng tỏ sự cam kết với bảo vệ môi trường, sức khỏe và an toàn
Công ty phải tuân thủ tất cả các luật pháp áp dụng, điều lệ và qui định
Công ty phải có khả năng kiểm soát các đầu vào và các thông số công nghệ để đồng xử lí hiệu quả chất thải
Công ty phải đảm bảo quan hệ tốt với cộng động và những nhân vật khác trong kế hoạch quản lí chất thải địa phương, quốc gia và quốc tế
Nguyên tắc 5
Tiến hành đồng xử lí phải xem xét đến tình hình quốc gia:
Các qui định và thủ tục phải phản ánh yêu cầu và nhu cầu cụ thể của đất nước
Thực hiện từng bước cho phép xây dựng được năng suất yêu cầu và tạo dựng được các cơ quan Thực hiện đồng xử lí nên đi kèm với cải tiến trong việc quản lí rác thải của đất nước
Trang 29Hình 1 8 Hệ thống thứ tự xử lí rác [10]
1.2.3 Nguyên nhân và động lực để đồng xử lí MSW và bùn thải
Các nhà sản xuất xi măng trên thế giới đang sử dụng MSW, bùn thải và những nhiên liệu thay thế để thay thế nhiên liệu hóa thạch Những nước công nghiệp hóa đã có hơn 20 năm kinh nghiệm thực hiện đồng xử lí rác thải trong sản xuất xi măng thành công [10] Hà Lan
và Thụy Sĩ, lần lượt sử dụng 83 phần trăm và 48 phần trăm, trong nguồn nhiên liệu sản xuất xi măng, đang là những nước dẫn đầu thế giới về kĩ thuật này [17] Theo một nghiên cứu của cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ, nhiều nhà máy xi măng Mỹ cho rằng việc sử dụng nhiên liệu thay thế là quan trọng đối với khả năng cạnh tranh tiếp tục của họ Đồng
xử lí MSW và bùn thải trong lò xi măng có nhiều lợi ích ngoài việc quản lí chất thải, như được giải thích dưới đây:
Tiết kiệm chi phí nhiên liệu, đặc biệt trong thời điểm giá nhiên liệu tăng
Những người điều hành nhà máy xi măng rõ ràng là quan tâm đến giá nhiên liệu trong tương lai trong xu hướng chi phí gia tăng như hiện nay Năng lượng thông thường chiếm
30 đến 40 phần trăm chi phí vận hành trong sản xuất xi măng; bất cứ cơ hội tiết kiệm những chi phí này sẽ giúp nhà máy cạnh tranh hơn và có thể duy trì hay gia tăng lợi nhuận Chi phí thay đổi theo loại rác thải và điều kiện địa phương, thông thường nhà máy
xi măng được trả tiền để xử lí chất thải; trường hợp khác, chất thải có thể được lấy không mất phí hay với giá rẻ hơn nhiều so với than hay nhiên liệu hóa thạch khác với lượng năng lượng tương đương [9]
Trang 30MSW và bùn thải phải được tiền xử lí trước khi được sử dụng trong lò xi măng, và có thể cần thêm thiết bị môi trường để kiểm soát khí thải Những biện pháp kiểm soát đặc biệt và
đo lường qui trình cũng cần để duy trì an toàn, chất lượng và những tiêu chuẩn môi trường [18] Chi phí thấp cho nhiên liệu phế thải có thể bù trừ cho toàn bộ hay một phần chi phí cho thiết bị tiền xử lí và các thiết bị khác, tùy thuộc vào điều kiện cụ thể của nhà máy Tính kinh tế của đồng xử lí chất thải và những khía cạnh kĩ thuật của quá trình tiền
và đồng xử lí được bàn luận ở mục 1.2.6 và phần 1.3, theo thứ tự
Bảo tồn nguồn nhiên liệu hóa thạch không tái sinh và bảo vệ môi trường
Đồng xử lí MSW và bùn thải có thể thay thế một lượng đáng kể nhiên liệu hóa thạch trong sản xuất xi măng, bảo tồn tài nguyên nhiên liệu hóa thạch không tái sinh Khai thác nhiên liệu hóa thạch, như là than, thường gây tác động tiêu cực lớn cho môi trường đất Với việc đồng xử lí chất thải trong lò quay làm giảm nhu cầu than, thiệt hại cho môi trường đất từ những mỏ than có thể được giảm đáng kể
Giảm phát thải khí nhà kính
Như đã nói, ngành công nghiệp xi măng chiếm khoảng 5 phần trăm tổng lượng phát thải
CO2 nhân tạo trên thế giới Phát thải từ năng lượng chiếm gần một nửa lượng này, với khoảng 40 phần trăm từ đốt cháy nhiên liệu và 10 phần trăm từ việc sử dụng điện và vận
chuyển [17] Hình 1.9 cho thấy phát thải CO2 trong quá khứ và ước lượng đến năm 2050
Dựa vào hình này và hình 1.1, rõ ràng là lượng CO2 phát thải của ngành công nghiệp xi măng toàn cầu sẽ gia tăng đáng kể
Hình 1 9 Phát thải CO2 trong quá khứ và ước lượng của công nghiệp xi măng [19]
Như có thể thấy từ bảng 1.2, cả MSW và bùn thải đều có mức phát thải CO2 thấp hơn than Do đó, thay thế than đá, nhiên liệu phổ biến nhất trong công nghiệp xi măng bằng
Triệu tấn
Phát thải quá trình Phát thải nhiên liệu
và điện Phát thải vận chuyển
Trang 31MSW và bùn thải sẽ làm giảm đáng kể phát thải CO2 Đồng xử lí RDF được báo cáo là giúp giảm 1,6 kg CO2 trên 1 kg RDF sử dụng, so với đốt cháy than đá [20] Năm 2006, đồng xử lí rác trong công nghiệp xi măng châu Âu giúp giảm khoảng 18 phần trăm việc
sử dụng nhiên liệu truyền thống (hầu hết là than), giảm phát thải CO2 khoảng 8 tấn mỗi năm, và tiết kiệm khoảng 5 tấn than [11]
Tránh được những tác động tiêu cực của việc chôn lấp và đốt chất thải
Ở những nước phát triển, MSW thường được đốt, có thu hồi nhiệt hoặc không, để giảm nhu cầu chôn lấp Mỹ có khoảng 86 cơ sở đốt rác xử lí mỗi năm 28 triệu tấn rác với khả năng thu hồi năng lượng là 2720 MW Khoảng 10 phần trăm thể tích ban đầu còn lại là tro sau khi đốt [19] Nói chung, tro chứa kim loại nặng và thường được phân loại là chất thải nguy hại
Nhiều nghiên cứu cho thấy những thuận lợi của việc đồng xử lí chất thải trong công nghiệp xi măng so với đốt chất thải Một nghiên cứu của Tổ chức khoa học ứng dụng Hà Lan sử dụng phương pháp đánh giá vòng đời để so sánh những tác động môi trường của việc sử dụng chất thải làm nguồn nhiên liệu/nguyên liệu thay thế trong công nghiệp xi măng với việc đốt chất thải trong lò đốt để thu hồi năng lượng điện và hơi nước Nghiên cứu kết luận rằng, đối với hầu hết các tác động về môi trường của sử dụng chất thải làm nhiên liệu thay thế trong công nghiệp xi măng là tốt cho môi trường hơn xử lí chất thải trong lò đốt [11]
Một phân tích đánh giá về vòng đời khác cho thấy, với một số MSW (ví dụ, dung môi đã dùng, giấy lọc, sơn dư, và bùn thải), lựa chọn dùng trong lò xi măng vượt trội hơn những lựa chọn khác như là thiêu đốt và tái chế Nghiên cứu này cho thấy việc đồng xử lí dung môi đã dùng, giấy lọc, sơn dư, và bùn thải đem lại nhiều lợi ích môi trường hơn thiêu đốt những chất thải này trong lò đốt Thêm nữa, nghiên cứu cho thấy đồng xử lí nhựa và dầu thải đạt tối đa lợi ích từ những chất thải này so với thiêu đốt hoặc tái chế
Hình 1.10 minh họa việc đồng xử lí chất thải vượt trội hơn so với thiêu đốt hay chôn lấp
Ngoài lợi ích làm giảm phát thải CO2, đồng xử lí chất thải làm giảm phát thải khí me-tan
từ chôn lấp Khí thải từ chôn lấp chứa khoảng 60 phần trăm me-tan, một loại khí với khả năng gây nóng lên toàn cầu gấp 21 lần CO2 [11]
Bùn thải khô/tách nước được chôn lấp chứa một lượng lớn cacbon có thể tạo ra me-tan Đồng xử lí bùn khô/loại nước trong lò xi măng có thể loại bỏ khí thải me-tan từ bùn chôn
lấp Hình 1.11 cho thấy cân bằng CO2 của đồng xử lí và chôn lấp bùn thải
Trang 32Hơn nữa, Taruya và cộng sự (2002) cho thấy CO2 tạo thành giảm 30 phần trăm khi bùn loại nước được đưa trực tiếp vào lò xi măng thay vì được đốt trong nhà máy xử lí bùn, với phần tro làm nguyên liệu sản xuất xi măng [21]
Hình 1 10 Khí thải nhà kính từ chôn lấp chất thải, thiêu đốt và đồng xử lí [10]
Hình 1 11 So sánh cân bằng CO 2 giữa đồng xử lí và chôn lấp 100 kg bùn thải [22]
Thu hồi năng lượng
Tránh phát thải CO 2 hóa thạch (sử dụng
biomass và tránh đốt than) Tiêu thụ tài nguyên và nguyên liệu
Hoạt động gây gánh nặng Hoạt động mang lợi ích
Trang 33Đồng nhất tro chất thải vào clanhke, tiết kiệm nguyên liệu
Tro từ MSW và bùn thải sử dụng trong đồng xử lí thường có thành phần hóa học cho
phép thay thế các nguyên liệu thông thường để sản xuất xi măng Hình 1.12 cho thấy sự
tương tự giữa thành phần hóa học của tro từ bùn thải với clanhke
Hình 1 12 Thành phần hóa học của tro từ bùn thải và clanhke trong giản đồ 3 cấu tử: đá vôi (CaO) – silic đioxit (SiO2) – các oxit khó nóng chảy (R2O3) [23]
Thêm vào đó, vật liệu thải không yêu cầu lượng nhiệt lớn để xử lí có thể tham gia tạo thành phần CaO trong clanhke từ một nguồn khác ngoài CaCO3, nhờ đó làm giảm thêm
CO2 thải ra từ qui trình và bảo tồn tài nguyên thiên nhiên
Tránh đầu tư vào các lò đốt hay bãi chôn lấp mới
Một lợi ích khác của đồng xử lí là chính quyền có thể gửi rác không thể tái chế đến nhà máy xi măng để xử lí, thay vì đầu tư những cơ sở đốt rác hay chôn lấp mới [9] Đồng xử lí
có thể đồng nhất phần tro dư vào clanhke nhờ đó không có sản phẩm cuối nào cần phải quản lí thêm, như là tiêu hủy ở bãi chôn lấp [24]
1.2.4 Tác động của đồng xử lí đến chất lượng xi măng và bê-tông
Khi chất thải được xử lí làm nhiên liệu trong công nghiệp xi măng, phần còn lại của chất thải nằm trong clanhke và sau đó là xi măng, điều này có thể ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm xi măng Trong đồng xử lí, chất lượng sản phẩm bao gồm hai khía cạnh : liệu phần còn lại của nhiên liệu thải có khả năng gây nguy hiểm tới môi trường hay không
ví dụ như sự ngâm rỉ của sản phẩm xi măng, và liệu phần còn lại này có ảnh hưởng đến đặc tính kĩ thuật của clanhke cũng như của xi măng khi được sử dụng làm vật liệu xây dựng Các bộ tiêu chuẩn của các quốc gia cũng như quốc tế đã quy định giới hạn phần dư của nhiên liệu thải trong clanhke thương phẩm
Tro từ bùn thải Clanhke
Trang 34Nhiệt độ cao trong lò nung xi măng có thể phá hủy hoàn toàn các thành phần hữu cơ trong chất thải rắn và bùn thải, nhưng với các thành phần vô cơ, bao gồm cả kim loại, được chuyển vào trong clanhke Do đó nếu có kim loại trong chất thải rắn và bùn thải, đồng xử
lí các chất thải có thể thay đổi nồng độ các chất kim loại trong clanhke so với clanhke được sản xuất bằng phương pháp không sử dụng nhiên liệu thải [16]
Vì xi măng và bê tông sản xuất từ đồng xử lí phải tuân thủ theo các tiêu chuẩn chất lượng quốc gia và quốc tế nên nó không được sử dụng như là nơi chứa kim loại nặng hoặc có bất kì đặc tính nào có thể tác động không tốt đến môi trường Thêm vào đó xi măng nên đạt chất lượng cho phép phục hồi các sản phẩm hết hạn sử dụng [24] Các nghiên cứu trên
cơ sở thống kê đã chỉ ra rằng đồng xử lí chất thải gây ảnh hưởng nhỏ đến thành phần kim loại nặng chứa trong clanhke, một ngoại lệ là khi sử dụng lốp xe làm nhiên liệu trong lò nung sẽ làm tăng nồng độ kẽm trong clanhke cuối cùng Quá nhiều thành phần kẽm sẽ gây ra vấn đề đến sự tạo hình xi măng portland, làm cho nó cứng quá nhanh, vì vậy cần phải được quản lí một cách phù hợp [10]
Trạng thái của các nguyên tố vi lượng trong clanhke cuối cùng là yếu tố quyết định trong việc đánh giá tác động môi trường có liên quan của đồng xử lí chất thải trong lò nung An toàn môi trường có thể được chứng minh thông qua các thí nghiệm lọc6 Các kết quả nghiên cứu lọc để đánh giá tác động đến môi trường của các kim loại nặng chứa trong bê tông đã cho thấy rằng : lượng bị rửa trôi của tất cả các nguyên tố vi lượng từ bê tông là nhỏ hơn hoặc gần giới hạn phát hiện của các phương pháp phân tích nhạy nhất Tuy nhiên một số kim loại như thạch tín, crôm, vanadi, antimon và molypden có thể dễ dàng di chuyển ra môi trường hơn, đặc biệt là khi vữa hoặc cấu trúc bê tông được nghiền thô hoặc nghiền vụn (ví dụ, khi tái sử dụng như cốt liệu trong nền đường bộ, hoặc chôn lấp) [24]
1.2.5 Sự cân bằng giữa năng lượng sử dụng và đồng xử lí rác
Đồng xử lí chất thải trong ngành công nghiệp xi măng làm giảm lượng nhiên liệu hóa thạch (như than đá) được sử dụng trong nhà máy và làm giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính bằng cách giảm lượng khí CO2 và CH4 phát sinh từ chôn lấp hoặc đốt Tuy nhiên
đồng xử lí đôi khi làm tăng việc sử dụng năng lượng tổng thể cho mỗi tấn clanhke sản xuất được Sự gia tăng năng lượng này có thể do một số yếu tố, chủ yếu là do độ ẩm trong chất thải nên phải bổ sung thêm năng lượng điện cho quạt để vận chuyển lượng hơi gia
tằng và xử lí dòng bypass Bảng 1.5 và hình 1.13 minh họa một ví dụ về sựu cân bằng bù
trừ năng lượng và thông tin chi tiết về lượng nhiệt tiêu thụ tăng thêm khi thực hiện đồng
6
Thí nghiệm lọc (leaching test): xi măng được ngâm trong dung dịch axit trong thời gian xác định, sau đó phân tích nước lọc để xác định lượng kim loại bị rửa trôi
Trang 35Lượng khí thải riêng
a Loại hoặc các phần của nhiên liệu thay thế không được cung cấp trong tài liệu tham khảo
b Xem hình 2.10: thông tin chi tiết của việc tăng năng lượng
c Nhu cầu nhiệt lượng riêng 2.96 GJ/t clanhke cho nhà máy A là giới hạn dưới của phạm vi sử dụng năng lượng
và sẽ đạt được khi sử dụng một lò khô hoạt động rất hiệu quả trong một thời gian nhất định, điều kiện hoạt động rất ổn định với các nguyên liệu thô lý tưởng Tuy nhiên điều này khó có thể đạt được trong lò nung, sau khoảng thời gian một năm Điều này cũng được áp dụng cho nhà máy B với đồng xử lí
d mbar : milibar
e sự giảm áp có thể được kết hợp bởi nhiều yếu tố khác chứ không chỉ có đồng xử lí Ví dụ trong nhà máy B sử dụng buồng đốt thứ cấp làm giảm thêm áp Tuy việc sử dụng buồng đốt thứ cấp rất hữu ích nhưng đây không phải là yêu cầu bắt buộc đối với đồng xử lí
Hình 1 13 Thông tin chi tiết về sự gia tăng 10 phần trăm năng lượng sử dụng khi tiền xử
lí, trong bảng 1.5 [25]
1.2.6 Tính kinh tế của thực hiện đồng xử lí
Tổng chi phí của đồng xử lí bao gồm vốn và chi phí duy trì hoạt động như sau [8]
Nâng cấp lò nung và các thiết bị liên quan
Kiểm tra sự hoạt động
Thu gom và vận chuyển chất thải tiền xử lí, chi phí này có thể âm nếu như nhà
Khí thoát Phóng xạ:
Lò Phóng xạ:
Preheater, Calciner
Bụi
Trang 36máy tính phí cho quá trình đồng xử lí
Hệ thống giám sát liên tục khí thải (CEMS7)
Lấy mẫu và phân tích vật liệu
An toàn và sức khỏe khi vận hành (OH&S8): thiết bị bảo hộ an toàn lao động và công tác đào tạo
Đôi khi các chi phí trên liên quan đến quá trình tiền xử lí và đồng xử lí lớn hơn so với giá trị về mặt năng lượng và nguyên liệu của chất thải, do đó cần có một loại phí xử lí chất thải được thu bởi các nhà máy xi măng kết hợp đồng xử lí Trong một số trường hợp như
ở Nhật bản thì đồng xử lí thu được lợi nhuận cao vì việc xử lí chất thải được tính giá cao [10]
Các tiêu chuẩn kĩ thuật và chính sách khuyến khích bảo vệ môi trường của từng quốc gia ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế của đồng xử lí [10] Thêm vào đó giá nhiên liệu thì khác nhau ở từng quốc gia, thậm chí là khác nhau trong các khu vực của cùng một quốc gia Vì vậy hiệu quả kinh tế của đồng xử lí phải được đánh giá theo các địa điểm và hoàn cảnh cụ thể của từng nhà máy Các loại lò trong nhà máy xi măng (lò ướt, lò khô cổ điển, lò nung
có preheater, lò nung có preheater kiểu mới [NSP9]) ảnh hưởng rất lớn đến tính khả thi về tài chính của đồng xử lí Lò ướt và lo nung khô cổ điển không hiệu quả về mặt năng lượng so với các lò nung NSP hiện đại, vì vậy các nhà máy sử dụng công nghệ lò cũ cần phải nâng cấp để giảm chi phí nhiên liệu, từ đó mới cạnh tranh được với các nhà máy sản xuất xi măng hiện đại [8]
Các yếu tố khác ảnh hưởng đến khả năng tài chính của đồng xử lí là : chi phí ngày càng tăng của nhiên liệu hóa thạch, các chính sách ưu đãi về kinh tế của từng vùng, quốc gia và quốc tế liên quan đền giảm ô nhiễm môi trường, tránh được chi phí xây dựng các lò đốt chất thải và bãi chôn lấp, và các ưu đãi liên quan đến các nguồn năng lượng thay thế [20]
GTZ/Holcim (2006) đưa ra nguyên tắc được áp dụng trong phân tích hiệu quả kinh tế của đồng xử lí là “người gây ô nhiễm phải trả tiền”10 Theo đó những người tạo ra chất thải (ví
dụ ngành công nghiệp) hoặc chịu trách nhiệm xử lí chất thải (vi dụ thành phố) phải đảm bảo và trả tiền cho các hoạt động xử lí và quản lí chất thải một cách tốt nhất
NSP: New suspension preheater: preheater kiểu treo (xyclon) mới, là công nghệ hiện đại đang được áp dụng
10 Nguyên văn: “Polluter Pays”
Trang 37Một số quy định có thể làm cho đồng xử lí chất thải rắn và bùn thải trở nên hấp dẫn về mặt kinh tế Như các quy định hỗ trợ gồm : sự thu hẹp hoặc giới hạn các bãi chứa chất thải, giá nhiên liệu hóa thạch tăng cao, thuế cacbon, và các quy định giảm lượng phát thải cacbon vào không khí Ví dụ như chính sách cấm chôn lấp bùn thải chưa xử lí ở California, bùn phải được làm khô ở ít nhất 60 oC để thành “chất rắn sinh học loại A”, điều này phù hợp với đồng xử lí trong lò nung xi măng [8] Ngoài ra ở Thụy sĩ việc sử dụng bùn thải vào nông nghiệp là bị cấm vì nguy cơ gây ảnh hưởng đến sức khỏe
Hình 1.14 cho thấy ví dụ về chi phí sử dụng nhiên liệu trong nhà máy xi măng và mục
tiêu sử dụng nhiên liệu thứ cấp Qua đây ta thấy việc giảm chi phí năng lượng trên mỗi tấn clanhke là kết quả của việc sử dụng nhiên liệu thay thế có chi phí thấp để thay thế cho việc sử dụng các nhiên liệu hóa thạch có chi phí cao
Hình 1 14 Một ví dụ chi phí nhiên liệu trong nhà máy xi măng cới mục tiêu sử dụng nhiên liệu thay thế [25]
1.2.7 Các nguy cơ về sức khỏe và môi trường khi thực hiện đồng xử lí
Việc thiếu kiểm soát khí thải trong lò nung xi măng, đặc biệt là cho các lò có đồng xử lí chất thải có thể dẫn đến hậu quả là nồng độ các chất trong không khí xung quanh là rất cao Tiếp xúc với các chất này dẫn đến các vấn đề về hô hấp, da, tiêu hóa và kích ứng mắt Tiếp xúc với không khí bị ô nhiễm trong thời gian dài có thể làm tăng nguy cơ ung thư hoặc các tác hại xấu tới sức khỏe bao gồm tổn thương hệ thống miễn dịch và các vấn
đề về sinh sản, sinh trưởng, thần kinh hay hô hấp Khí thải lò nung cũng gây tác động bất lợi đến môi trường, ví dụ như NOx phát thải từ lò nung xi măng có thể gây tác động xấu tới tầng ozon, gây mưa axit và sự suy giảm chất lượng nước Từ những năm 1970 các quy định nghiêm ngặt về khí thải từ các nhà máy xi măng đã làm giảm đáng kể khả năng cộng
Trang 38đồng tiếp xúc với các phát thải độc hại và tác động đến môi trường của chúng
Gần đây với sự gia tăng đồng xử lí chất thải trong lò nung xi măng thì xuất hiện những mối quan ngại về việc liệu các hóa chất phát ra theo khí thải khi các nhà máy xi măng hoạt động có thể đe dọa đến sức khỏe của cộng đồng Mối quan ngại này chủ yếu xuất phát từ giả thiết rằng những nhà máy này thải ra một lượng hóa chất độc hại lớn hơn nhiều so với các nhà máy chỉ sử dụng nhiên liệu thông thường [26] Nếu MSW và bùn thải được đồng xử lí một cách chính xác và theo tiêu chuẩn về môi trường và khí thải quy định nghiêm ngặt, thì sẽ không phát sinh thêm những rủi ro về sức khỏe cũng như là môi trường so với việc chỉ sử dụng than là nhiên liệu [27]
1.2.8 Những rào cản chính đối với thực hiện đồng xử lí
Một số rào cản chính đối với đồng xử lí chất thải rắn và bùn thải trong công nghiệp xi măng như:
Sự cho phép
Mặc dù ngành công nghiệp xi măng muốn đưa ra bộ tiêu chuẩn thống nhất chung về khí thải đối với đồng xử lí chứ không phải là riêng lẻ đối với từng nhà máy xi măng đồng xử
lí, tuy nhiên khi đồng xử lí chất thải nguy hại thì tùy từng trường hợp phải có sự cho phép
cụ thể để đảm bảo an toàn sức khỏe và tuân thủ các quy định về môi trường
Những quy định và tiêu chuẩn
Một số quốc gia thiếu các quy định và tiêu chuẩn cụ thể đối với đồng xử lí chất thải trong ngành công nghiệp xi măng Việc thực thi không đầy đủ các quy định về quản lí chất thải
ở các nước đang phát triển cũng là một trong những rào cản quan trọng
Các chính sách hỗ trợ
Trong nhiều trường hợp, đồng xử lí có thể không khả thi về mặt kinh tế nếu như ý nghĩa
xã hội của nó không được tính đến Vì vậy các thành phố hoặc chính phủ muốn theo đuổi đồng xử lí thì phải đưa ra các chương trình khuyến khích và ưu đãi về mặt kinh tế, đảm bảo cân bằng giữa kinh tế và bảo vệ môi trường
Sự chấp nhận từ cộng đồng
Người dân và các tổ chức đoàn thể địa phương thường nhận thức đồng xử lí giống như việc đốt chất thải nên sẽ không đồng tình với việc đồng xử lí chất thải rắn và bùn thải trong lò nung xi măng Mối quan tâm lớn nhất là khí thải tử quá trình đốt cháy có chứa các chất độc, đặc biệt dioxin; đây là mối quan tâm chính đáng Vì vậy các kiến thức cơ bản về đồng xử lí và các lợi ích từ đồng xử lí nên được phổ biến đến toàn thể người dân Chính quyền nên công khai các dữ liệu giám sát về khí thải và thông tin về các nhà máy
xi măng đồng xử lí để đảm bảo với người dân rằng lượng khí thải thoát ra phù hợp với tiêu chuẩn cho phép
Trang 39Chi phí
Chi phí để sản xuất RDF, tiền xử lí bùn thải và đồng xử lí thường cao hơn so với lệ phí bãi rác hiện nay Tuy nhiên cần lưu ý rằng chi phí chôn lấp hiện nay hầu hết chưa tính đến các chi phí khi xảy ra ô nhiễm nước ngầm trong tương lai và lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính Vì vậy cần có phương án, hoặc là tính cả các chi phí phát sinh vào trong chi phí chôn lấp, hoặc là thực hiện các chinh sách ưu đãi tài chính và hỗ trợ để làm cho đồng xử lí
có tính cạnh tranh với các phương pháp xử lí thông thường
Cơ sở hạ tầng
Cơ sở hạ tầng hiện tại để xử lí bùn thải chủ yếu dựa vào làm phân sinh học hay chôn lấp
Vì vậy cần đầu tư xây dựng cơ sở hạ tầng thay thế để vận chuyển và tiền xử lí cho các nhà máy xi măng
Chính quyền cần đầu tư, nâng cấp các thiết bị và thiết lập các qui trình hợp lí để phân loại các thành phần trong MSW và sản xuất RDF
Việc thiếu hụt lực lượng lao động có trình độ
Quá trình đồng xử lí chất thải trong nhà máy xi măng đòi hỏi các chuyên gia có trình độ cao để thiết lập và vận hành các thiết bị và các nhân viên phải được đào tạo bài bản Đây chính là hạn chế lớn nhất hiện nay ở các quốc gia đang phát triển
1.3 Những đặc điểm kĩ thuật của quá trình đồng xử lí
Đồng xử lí cần có nhiều nhân tố kĩ thuật, bao gồm tiền xử lí chất thải để chúng ở dạng thích hợp cho việc đốt trong lò xi măng Một số trang thiết bị bổ sung cần có để thực hiện đồng xử lí tại nhà máy, và cần lắp đặt công nghệ và thiết bị để tồn trữ, vận chuyển, cân, nạp và xử lí công đoạn cuối cho MSW và bùn thải cũng như những biện pháp đo lường và kiểm soát khí thải [28]
Những phần dưới đây mô tả công nghệ sử dụng trong những giai đoạn khác nhau từ tiền
xử lí đến đồng xử lí MSW và bùn thải
1.3.1 Công nghệ tiền xử lí
Những vật liệu thải dùng cho đồng xử lí trong công nghiệp xi măng được lấy từ những nguồn chất thải được lựa chọn Như đã nói, chất thải thường cần được tiền xử lí (ví dụ, tách nước, sấy khô, đập, pha trộn, nghiền, đồng nhất, vv…) và đảm bảo chất lượng [11] Chất thải đô thị lẫn lộn phải được tiền xử lí trong các cơ sở quản lí chất thải Mức độ tiền
xử lí chất thải tùy thuộc vào loại chất thải và yêu cầu của ngành công nghiệp xi măng [16]
Trang 401.3.1.1 Công nghệ tiền xử lí cho MSW
MSW là một hỗn hợp không đồng nhất nhiều vật liệu Tiền xử lí giúp tạo nhiên liệu đồng
nhất hơn (RDF) và nên được tích hợp thành một phần của hệ thống quản lí MSW Hình 1.15 đưa ra một ví dụ của việc quản lí MSW tích hợp [29] Những đặc tính quan trọng của
RDF khi dùng làm nhiên liệu là nhiệt trị riêng, hàm lượng nước, hàm lượng tro, hàm lượng lưu huỳnh và clo Những giá trị này phụ thuộc vào thành phần của rác thải, điều này lại phụ thuộc vào nguồn phát sinh và thay đổi theo địa điểm (ví dụ, hộ gia đình, văn phòng, địa điểm xây dựng), mùa, hệ thống thu gom (trộn lẫn, phân loại riêng) và kĩ thuật tiền xử lí áp dụng (sàng, phân loại, nghiền, sấy) [28]
Có nhiều phương pháp tiền xử lí cho MSW Một biện pháp thông dụng ở các nước phát triển là xử lí cơ – sinh học11 (MBT) MSW để sử dụng trong công nghiệp xi măng [28] MBT được mô tả dưới đây
Xử lí cơ – sinh học (MBT)
MBT là một khác niệm chung cho nhiều qui trình trong công nghệ xử lí rác thải Mục đích chính của MBT là tạo chất đốt (RDF) từ MSW Trong qui trình này, MSW thô được sàng và tách riêng ra các vật liệu có thể tái chế như là kim loại, nhựa, mảnh các-tông cỡ lớn, lon nhôm và những vật liệu khác có thể sử dụng lại Phần vật liệu còn lại chứa nhiều thành phần hữu cơ như chất thải từ nhựa và chất thải có thể phân hủy vi sinh, được nghiền đến kích thước mong muốn, tạo thành RDF sử dụng làm nhiên liệu trong nhà máy xi
măng (Hình 1.16) [28]
11 Xử lí cơ – sinh học : Mechanical Biological Treatment, viết tắt là MBT; từ đây trở đi sẽ dùng từ MBT