Chuyên đề 4 nghiên cứu đánh giá tính chất xỉ thép

Bộ Xây dựng cũng đã ban hành các quyết định và tài liệu Chỉ dẫn kỹthuật nhằm đẩy mạnh việc xử lý tái chế và sử dụng xỉ thép làm nguyên vật liệutrong sản xuất và trong xây dựng.. Đối với

Mục lục

I Giới thiệu 1

II Nội dung và kết quả nghiên cứu 2

1 Kết quả nghiên cứu, đánh giá tính chất của xỉ lò cao 2

2 Kết quả nghiên cứu, đánh giá tính chất của xỉ thép 3

2.1 Nội dung khảo sát tại các nhà máy 3

2.2 Thành phần hóa 6

2.3 Thành phần khoáng 9

2.4 Tính chất cơ lý của xỉ thép 14

2.5 Đánh giá tác động môi trường của xỉ thép 14

2.5.1 Khả năng chiết tách kim loại nặng, chất độc hại từ xỉ thép 14

2.5.2 Hoạt độ phóng xạ 20

III Kết luận 23

Tài liệu tham khảo 24

I Giới thiệu

Trong vấn đề xử lý chất thải rắn công nghiệp, chủ trương của Chính phủViệt Nam hiện nay là cần đẩy mạnh việc xử lý và sử dụng chất thải rắn côngnghiệp, trong đó có xỉ lò cao và xỉ thép để giảm thiểu tác động môi trường vàtận dụng được nguồn tài nguyên tái chế thay thế khai khác tài nguyên thiênnhiên Bộ Xây dựng cũng đã ban hành các quyết định và tài liệu Chỉ dẫn kỹthuật nhằm đẩy mạnh việc xử lý tái chế và sử dụng xỉ thép làm nguyên vật liệutrong sản xuất và trong xây dựng Đối với xỉ thép của FHS, Bộ Xây dựng đã cóvăn bản chỉ đạo số 42/BXD-VLXD ngày 13/10/2017 V/v sử dụng xỉ thép làmnguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng và cốt liệu làm nền móng công trình,trong đó có đề nghị xỉ thép FHS cần được đánh giá theo Chỉ dẫn kỹ thuật trongQuyết định 430/QĐ-BXD ban hành ngày 16/05/2017 của Bộ Xây dựng và đánhgiá hợp chuẩn theo tiêu chuẩn kỹ thuật chỉ ra trong văn bản này

Xỉ gang và xỉ thép được phân loại khá rõ ràng, sự ảnh hưởng của các loạivật liệu này đến môi trường được đánh giá thông qua nước lọc rửa qua vật liệuxây dựng xỉ Đặc điểm chung tác động đến môi trường xung quanh của xỉ gang,

xỉ thép là tạo ra môi trường kiềm với PH ban đầu có thể lên đến 8 - 12, sau đógiảm dần theo thời gian Xỉ thép tạo ra môi trường kiềm cao hơn so với xỉ lòcao Do có đặc tính khác nhau nên 2 loại xỉ gang và xỉ thép lại có khả năng sửdụng trong 1 phạm vi nhất định Xỉ gang được ứng dụng trong cốt liệu cho bêtông, vật liệu hạt cho đắp, san lấp công trình, vật liệu cho đường giao thông, cọccát đầm chặt, làm phụ gia khoáng cho sản xuất xi măng, chất kết dính gia cố nềnđất và vật liệu hạt cho thoát nước Xỉ thép cũng được ứng dụng làm cốt liệu cho

bê tông atphan và vật liệu hạt rải đường

Xỉ thép chứa nhiều khoáng chất, trong đó khoáng chất chính lại là thànhphần của xi măng Do đó, vật liệu làm từ xỉ thép tái chế thường được dùng cho

nhiều so với sử dụng đá, nhất là việc cấp phối của nó rất tốt Đặc biệt, theo phântích tính toán, sản phẩm xi măng làm từ xỉ thép còn góp phần bảo vệ môitrường, có thể giảm phát thải tới 44% CO2 so với các sản phẩm xi măng thôngthường.

Một số quốc gia phát triển trong khu vực châu Á như Nhật Bản và TrungQuốc có sản lượng sản xuất xỉ gang, xỉ thép lớn Những nước này cũng có quyđịnh pháp lý, tái sử dụng làm nguyên liệu trong các ngành công nghiệp khác ỞViệt Nam, xỉ gang/thép đang được coi là chất thải thông thường, hiện nay chỉ cótiêu chuẩn yêu cầu kỹ thuật cho xỉ hạt lò cao hoạt hóa làm phụ gia cho sản xuất

xi măng, chưa có tiêu chuẩn cho nhóm xỉ lò cao làm nguội chậm và xỉ thép

Các loại xỉ khác nhau có tính chất rất khác nhau, xỉ thép có khối lượng thểtích lớn, độ cứng, cường độ, tính chịu mài mòn tốt hơn xỉ lò cao và đá tự nhiên,nhưng có chứa các tác nhân gây nở (CaO, MgO tự do, FeO), tạo môi trườngkiềm cao nếu không được xử lý Trên thế giới và Việt Nam cũng đã có nhữngnghiên cứu khá kĩ xỉ lò cao hoạt hóa sử dụng như phụ gia khoáng cho xi măng,

bê tông, vữa, cốt liệu cho bê tông, vật liệu cho đường giao thông, xây dựng

II Nội dung và kết quả nghiên cứu

1 Kết quả nghiên cứu, đánh giá tính chất của xỉ lò cao

Xỉ lò cao từ các nhà máy luyện gang thép ở Việt Nam chủ yếu được làmnguội nhanh hay còn gọi là xỉ hạt lò cao, được hình thành từ xỉ nóng chảy từ lòcao được tháo chảy ra các mương dẫn và được phun nước với áp lực cao để làmlạnh nhanh tạo nên các hạt giống như hạt cát có cấu trúc xốp Các hạt xỉ này trộnvới nước tạo nên hỗn hợp lỏng được bơm ra bãi khử nước, tại đó các hạt xỉ đượcróc nước tự hiên Xỉ hạt lò cao có hình dạng bên ngoài giống với cát thô, hầu hết

có cỡ hạt nhỏ hơn 5mm, ít hạt mịn Xỉ hạt lò cao có thành phần chủ yếu ở dạngpha thủy tinh với các hạt rất góc cạnh Xỉ hạt lò cao do có hoạt tính cao nên

thích hợp để làm phụ gia khoáng cho sản xuất xi măng và bê tông Trong nghiêncứu này chủ yếu đánh giá xỉ thép để làm cốt liệu cho bê tông nên không nghiêncứu sâu về xỉ lò cao.

Xỉ hạt lò cao sử dụng cho nghiên cứu được lấy từ nhà máy gang thép HòaPhát Xỉ hạt lò cao được nghiền mịn bằng máy nghiền bi Tính chất của xỉ hạt lòcao nghiền mịn thể hiện trong Bảng 1

Bảng 1: Thành phần hóa của xỉ hạt lò cao Hòa Phát nghiền mịn

Mg O

SO 3

K2 O

Na2 O

TiO 2

S 2-

Cl 36,1

2

37,6 5

12,74 2,36 8,19 0,26 0,91 0,3 0,30 0,7

2

<0,00 1

Bảng 2: Tính chất cơ lý của GGBFS Hòa Phát

Loại mẫu

Khối lượng riêng, g/cm 3

Bề mặt riêng,

(a) Hình ảnh hạt xỉ chưa nghiền (b) hình ảnh xỉ đã nghiền mịn

Bảng 3: Xỉ lò cao Hòa Phát

2 Kết quả nghiên cứu, đánh giá tính chất của xỉ thép

2.1 Nội dung khảo sát tại các nhà máy

Đề tài đã tiến hành khảo sát tại các nhà máy sản xuất théop trên cả nước.Nội dung khảo sát:

- Khảo sát tại dây chuyền xử lý xỉ thép tại các máy thép như Nhà máy thépHòa Phát, Formosa, Dana – Úc, Thủ Đức,… (Bảng 3)

- Khảo sát công trình xây dựng, giao thông sử dụng xỉ thép tại trên cả nước

- Làm việc với đại diện kỹ thuật của Nhà máy để thu thập thông tin, dữ liệuvận hành, kết quả phân tích nguyên liệu, xỉ thép; các thông tin về xử lý vàsản lượng xỉ thép tại Nhà máy trước đây và trong thời gian sắp tới Việcthu thập các dữ liệu này nhằm mục đích đánh giá chất lượng, độ ổn địnhchất lượng của xỉ thép;

- Khảo sát tại thực địa toàn bộ các công đoạn sản xuất và xử lý xỉ thép Cáccông đoạn này thuộc Xưởng thu hồi tài nguyên của Nhà máy Các côngđoạn chủ yếu gồm từ kho tiếp nhận xỉ thép nguyên liệu, các các côngđoạn xử lý nhằm ổn định xỉ thép, các công phân loại, xử lý khác, vậnchuyển và các kho/bãi chứa sản phẩm xỉ thép;

- Hệ thống phòng thí nghiệm kiểm tra chất lượng nguyên liệu và sản phẩm

xỉ thép tại Nhà máy;

- Lấy mẫu xỉ đại diện: Mẫu xỉ thép được tại bãi chứa sản phẩm xỉ thép củaNhà máy Xỉ thép được lấy ở nhiều vị trí khác nhau trong cùng một lô, rồiđược gộp thành một mẫu gộp Mỗi mẫu gộp có khối lượng tối thiểukhoảng 150 kg Để đánh giá sự đồng đều và ổn định về chất lượng tro baycủa Nhà máy, các mẫu xỉ thép được lấy ở các lô khác nhau

Bảng 4: Một số loại xỉ thép dùng cho nghiên cứu

STT Tên xỉ thép Nhà máy sản xuất Khu vực Loại xỉ thép Kí hiệu mẫu

1 Xỉ thép Formasa Công ty Formosa Hà Tĩnh TrungMiền BOFS FM

2 Xỉ thép Hòa Phát (Hải Dương) Công ty Cổ phần thép Hòa Phát Hải Dương Miền Bắc BOFS HP

3 Xỉ thép Việt Ý Công ty Cổ phần thép Việt Ý Miền Bắc EAFS VY

4 Xỉ thép Việt Nhật Công ty Cổ phần thép Việt Nhật Miền Bắc IFS VN

5 Xỉ thép Dana - Úc Công ty Cổ phần thép Dana - Úc Đà Nẵng EAFS DU

6 Xỉ thép Miền Nam Công ty TNHH MTV thép Miền Nam Vũng TàuBà Rịa - EAFS MN

7 Xỉ thép Vina Kyoei Công ty Vina Kyoei Steel., Ltd Vũng TàuBà Rịa - EAFS VK

8 Xỉ thép Thủ Đức Công ty Cổ phần thép Thủ Đức MiềnNam EAFS TĐ Ghi chú:

- BOFS - Xỉ lò chuyển (Basic Oxygen Furnace Slag)

- EAFS – Xỉ lò hồ quang điện (Electric Arc Furnace Slag)

- IFS – Induction Furnace Slag

Chi tiết về các chỉ tiêu thí nghiệm tính chất, tính năng của các mẫu xỉ, sốlượng mẫu thí nghiệm và phương pháp thí nghiệm thể hiện trong Bảng 4 Cácthí nghiệm này được thực hiện tại Viện Vật liệu xây dựng hoặc gửi đi phân tích

ở các phòng thí nghiệm chuyên ngành khác

Bảng 5: Chỉ tiêu, phương pháp và số lượng mẫu xỉ thí nghiệm

ST

Số lượng mẫu

2 Khối lượng thể tích TCVN 7572-4:2006 8

4 Khối lượng thể tích xốp TCVN 7572-6:2006 8

- Hàm lượng Fe2O3 của mẫu xỉ thép DU thấp (6,24%) trong khi đó các mẫu

xỉ thép còn lại có hàm lượng Fe2O3 từ khoảng 25,75-43,13% Xỉ thépFormosa với công nghệ lò thổi (BOF) có hàm lượng Fe2O3 trong xỉ thépthấp hơn so với các mẫu xỉ lò hồ quang điện (EAF) Mẫu xỉ thép VinaKioye có hàm lượng Fe2O3 cao nhất, lên đến 43,12%

- Hàm lượng CaO liên kết trong mẫu xỉ thép Formosa từ 38,92-41,72%,cao hơn so với các mẫu xỉ thép còn lại (từ 10,64-31,22%) Đặc biệt, mẫu

xỉ Dana-Úc chỉ chứa 2,19% CaO Lượng MgO của các mẫu xỉ dao động

từ 5,84-10,28% ngoại trừ mẫu xỉ DU chỉ có 0,41%

- Lượng kiềm (K2O+Na2O) trong các mẫu xỉ Formosa thấp hơn so với cácmẫu xỉ thép còn lại Lượng Na2O trong mẫu xỉ FM hầu như không có

- Hàm lượng CaOtd trong các mẫu xỉ thép EAF hầu như không có, trong khi

đó mẫu xỉ thép BOF Formosa có hàm lượng CaOtd từ 1,9-3,14% Hàmlượng MgOtd của các mẫu xỉ đều rất thấp (<1,5%)

Bảng 6: Thành phần hóa các sản phẩm xỉ thép

STT

Chỉ tiêu phân tích Đơn vị

Kết quả phân tích của các mẫu xỉ thép

Chỉ tiêu phân tích Đơn vị

Kết quả phân tích của các mẫu xỉ thép

Ghi chú: FM1, FM2, FM3 là mẫu xỉ thép từ công ty Formosa Hà Tĩnh,

được lấy từ các công đoạn khác nhau:

- FM1: Mẫu xỉ thép lấy ở bãi chứa

- FM2: Mẫu xỉ thép chưa qua công đoạn xử lý ủ ẩm

- FM3: Mẫu xỉ thép đã qua công đoạn xử lý trong hầm ủ ẩm

Bảng 7: Thành phần hóa các sản phẩm xỉ thép (tiếp)

STT

Chỉ tiêu phân tích Đơn vị

Kết quả phân tích của các mẫu xỉ thép

Chỉ tiêu phân tích Đơn vị

Kết quả phân tích của các mẫu xỉ thép

Mẫu xỉ thép Formosa (FM1) có các thành phần khoáng: Melilite ~20%,Merwinite ~12%, Ca3SiO5 ~18%, còn lại là pha vô định hình 50% (Hình 2).Với thành phần khoáng như trên, khó có khả năng xảy ra phản ứng kiềm –silicnếu sử dụng xỉ làm cốt liệu cho bê tông

Thành phần khoáng của xỉ thép Dana-Úc (Hình 3) bao gồm: Quartz

~13%, Cristobalite ~9%, Mcrocline ~2%, Albite ~5%, pha vô định hình ~71%.Mẫu xỉ thép có hàm lượng pha vô định hình cao và các khoáng Cristobalite,Microcline, Albite phù hợp để sử dụng làm phụ gia khoáng hơn là làm làm cốtliệu cho bê tông

Bảng 8: Biểu đồ phân tích XRD của mẫu xỉ thép Formosa

Mẫu xỉ thép Thủ Đức có các thành phần khoáng: Melilite ~12%,Merwinite ~10%, Calcium silicate (Ca3SiO5) ~11%, Calcium Aluminum oxide(Ca3Al2O6) ~3%, Wustite (FeO) ~13%, Aluminum Iron (Al82Fe18) ~4%, cònlại là pha vô định hình Các khoáng Melilite, Merwinite có độ hoạt tính thấp,bền nhiệt nên không có ảnh hưởng khi sử dụng mẫu xỉ làm cốt liệu cho bê tông.Các khoáng Ca3SiO5, Ca3SiO6 có độ hoạt tính cao vì cấu trúc tương tự khoáng

xi măng (tham gia phản ứng tạo cường độ) Nhìn chung có thể sử dụng mẫu xỉ

thép Thủ Đức làm cốt liệu cho bê tông mà không ảnh hưởng đến phản ứng kiềm– silic của cốt liệu.

Bảng 9: Biểu đồ phân tích XRD của mẫu xỉ thép Thủ Đức

Bảng 10: Biểu đồ phân tích XRD của mẫu xỉ thép Dana-Úc

Mẫu xỉ thép Miền Nam chứa các thành phần: Cristobalite (SiO2) ~15%,Chlorite ~7%, Calcium silicon fluorite hydrate (CaSiF6.2H2O) ~4%, K3FeO4

~10%, Xonotlite ~6%, Wollastonite ~4%, và pha vô định hình ~54% Trongmẫu có hai khoáng vật Cristobalite và Chlorite khi sử dụng làm cốt liệu cho bêtông có thể xảy ra phản ứng kiềm – silic

Bảng 11: Biểu đồ phân tích XRD của mẫu xỉ thép Miền Nam

Mẫu xỉ thép Vina Kyoei bao gồm các thành phần: Melilite ~7%, Quartz(SiO2) ~3%, Wustite (FeO) ~20%, Iron silicate Fe7(SiO4)O6 ~30% và pha vôđịnh hình ~40% Có thể sử dụng mẫu xỉ thép Vina Kyoei làm cốt liệu cho bêtông mà không ảnh hưởng đến phản ứng kiềm – silic của cốt liệu

Thành phần khoáng của xỉ thép Hòa Phát bao gồm: Melilite ~15%,Merwinite ~34%, Ca3Al2O6 ~3% và pha vô định hình ~48% Có thể sử dụnglàm cốt liệu cho bê tông mà hầu như không xảy ra phản ứng kiềm – silic

Bảng 12: Biểu đồ phân tích XRD của mẫu xỉ thép Vina Kyoei

Bảng 13: Biểu đồ phân tích XRD của mẫu xỉ thép Hòa Phát

2.4 Tính chất cơ lý của xỉ thép

Các tính chất cơ lý của xỉ thép được xác định bao gồm khối lượng thểtích, độ hút nước Kết quả thí nghiệm tính chất cơ lý của các sản phẩm xỉ thépđược thể hiện trong Bảng 7

3) Độ hút nước: độ hút nước của xỉ thép nằm trong khoảng 2,9-3,45%

2.5 Đánh giá tác động môi trường của xỉ thép

2.5.1 Khả năng chiết tách kim loại nặng, chất độc hại từ xỉ thép

Theo JIS A 5011-4:2013, để xỉ thép được sử dụng làm cốt liệu cho bêtông thì ngoài các chỉ tiêu về cơ lý thì chúng phải đảm bảo chỉ tiêu “chất lượng

phải đáp ứng yêu cầu về an toàn môi trường cho các môi trường xung quanhtheo các tiêu chuẩn chất lượng đảm bảo môi trường trong vòng đời sử dụng củachúng

Chỉ tiêu “chất lượng đảm bảo cho môi trường” của sản phẩm xỉ thép làmcốt liệu cho bê tông theo JIS A 5011 phải được kiểm tra và phải đáp ứng đượctiêu chuẩn môi trường theo quy định trong Bảng 8 Căn cứ theo hai bảng này thìsản phẩm xỉ thép phải được kiểm tra hai chỉ tiêu là hàm lượng kim loại nặngtrong nước chiết (leaching amount) và hàm lượng kim loại nặng có khả năngchiết tách được (extractable content)

Bảng 15: Quy định về kiểm tra “chất lượng môi trường” theo JIS A 5011

Lượng trong nước chiết

Hàm lượng tách được

Lượng trong nước chiết

Hàm lượng tách được

Lượng trong nước chiết (mg/L)

Hàm lượng tách được (mg/kg)

và Bảng 10 cho thấy, hàm lượng các kim loại nặng chiết xuất được trong xỉ thép

(Bảng 9) đều ở mức thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn cho phép Kết quả phântích thành phần nguy hại của xỉ thép theo QCVN 07:2016 cũng cho thấy cácmẫu xỉ thép đều ở mức rất thấp so với quy định là chất vô cơ gây nguy hại môitrường

Bảng 16: Hàm lượng kim loại nặng trong nước chiết từ xỉ thép (leaching amount)

ST

T Kim loạinặng Đơnvị

Kết quả hàm lượng nước chiết (Leaching amount), mg/L Quy định kỹ thuật theo

Bảng 17: Hàm lượng kim loại nặng trong chiết tách được từ xỉ thép (extractable content)

STT Kim loại nặng Đơnvị Kết quả hàm lượng chiết tách được (Extractable content), mg/Kg Quy định kỹ thuậttheo JIS A 5011

Bảng 18: Các thành phần nguy hại vô cơ của xỉ thép theo QCVN 07

STT Kim loại nặng Đơn vị Kết quả hàm lượng nước chiết (Leaching amount), mg/L Quy định kỹ thuật theo QCVN 07

STT Kim loại nặng Đơn vị Kết quả hàm lượng nước chiết (Leaching amount), mg/L Quy định kỹ thuật theo QCVN 07

2.5.2 Hoạt độ phóng xạ

Để đánh giá ảnh hưởng của xỉ thép đến môi trường và sức khỏe conngười, ngoài việc xác định thành phần và ảnh hưởng của các nguyên tố kim loạinặng, cần thiết phải đánh giá khả năng phát tán tia phóng xạ của các nguyên tố

có trong xỉ thép

Các vật chất trong tự nhiên đều tồn tại các nguyên tố phóng xạ tự nhiên,các hoạt động của con người làm thay đổi sự phân bố phóng xạ trong tự nhiên,đồng thời cũng thay đổi sự hấp thụ của con người đối với phóng xạ tự nhiên Donguồn gốc địa chất, các loại vật liệu xây dựng do con người tạo ra đều có chứacác nguyên tố phóng xạ, tính phóng xạ tự nhiên còn phụ thuộc vào sự tích hợpcác vật liệu trong quá trình sản xuất, vì thế nồng độ các nguyên tố phóng xạ cóthể gia tăng bởi quá trình sản xuất

Các hạt nhân phóng xạ trong vật liệu xây dựng chủ yếu gồm các hạt nhânphóng xạ của Ra-226, Th-232, K-40 Để so sánh mức phóng xạ của các mẫukhác nhau, cần sử dụng một chỉ số chung phản ánh được các hoạt tính phóng xạtổng hợp của chúng Phương pháp chung được áp dụng là tính tổng của cả 3 loạihoạt tính phóng xạ, mỗi hoạt tính được biểu thị bằng một hệ số tương ứng vớihằng số biểu thị tỷ lệ khả năng bị phát tán

Năm 1999, Ủy ban Châu Âu đã đưa ra nguyên tắc bảo vệ đối với phóng

xạ tự nhiên từ vật liệu xây dựng Theo đó, tiêu chí đánh giá hoạt tính phóng xạđược tính theo công thức sau:

I = ARa/300 + ATh/200 + AK/3000

Trong đó: I là hoạt tính phóng xạ tương đương

A Ra , A Th , A K là hoạt độ phóng xạ của Ra, Th, K, tính bằng Bq/kg.