TÁI SỬ DỤNG TRO, XỈ TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN THAN VÀ LÒ ĐỐT RÁC PHÁT ĐIỆN

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BÀI TIỂU LUẬN MÔN HỌC TÁI SỬ DỤNG CHẤT THẢI ĐỀ TÀI TÁI SỬ DỤNG TRO, XỈ TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN THAN VÀ LÒ ĐỐT RÁC PHÁT ĐIỆN G Hà Nội 52022 Mục lục 1 Khái niệm tro, xỉ 3 2 Nguồn gốc của tro, xỉ 3 2 1 Tro, xỉ sinh ra trong lò hơi nhà máy nhiệt điện than 3 2 2 Tro, xỉ sinh ra trong quá trình đốt rác phát điện 5 3 Tái sử dụng tro, xỉ 7 3 1 Tái sử dụng tro, xỉ từ.

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

BÀI TIỂU LUẬN MÔN HỌC TÁI SỬ DỤNG CHẤT THẢI

ĐỀ TÀI: TÁI SỬ DỤNG TRO, XỈ TRONG NHÀ MÁY NHIỆT

ĐIỆN THAN VÀ LÒ ĐỐT RÁC PHÁT ĐIỆN

Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Hoài Nam Học viên thực hiện: Nguyễn Quang Hưng

Hà Nội 5/2022

Mục lục

1 Khái niệm tro, xỉ 3

2 Nguồn gốc của tro, xỉ 3

2.1 Tro, xỉ sinh ra trong lò hơi nhà máy nhiệt điện than 3

2.2 Tro, xỉ sinh ra trong quá trình đốt rác phát điện 5

3 Tái sử dụng tro, xỉ 7

3.1 Tái sử dụng tro, xỉ từ nhà máy nhiệt điện 8

3.1.1 Tái sử dụng tro bay để trực tiếp sản xuất xi măng 8

3.1.2 Sử dụng tro bay để làm phối liệu cho các nhà máy xi măng 9

3.1.3 Sử dụng tro bay để làm phối liệu trong sản xuất gạch nung 10

3.1.4 Sử dụng tro bay và xỉ đáy lò để làm gạch không nung 10

3.1.5 Sử dụng "xỉ đáy lò" làm nền cho đường bê tông - xi măng 11

3.1.6 Sử dụng tro bay làm vật liệu phủ chống phát tán ô nhiễm cho bãi chất thải rắn công nghiệp 11

3.2 Tái sử dụng tro, xỉ từ lò đốt rác thải sinh hoạt phát điện 13

3.2.1 Sử dụng trong công nghệ vật liệu 13

3.2.2 Sử dụng trong cải tạo đất nông nghiệp 13

3.2.3 Ví dụ về sử dụng tro bay làm vật liệu hấp phụ Cr (VI) 14

3.2.4 Sử dụng trong cải tạo phục hồi môi trường của một số mỏ khai thác đá vôi15 Tài liệu tham khảo 16

1 Khái niệm tro, xỉ

Trong kỹ thuật, cần phân biệt rõ hai khái niệm "tro" và "xỉ" Cả hai đều là những chất (cùng với nhiều chất khác) được thải ra trong quá trình đốt cháy và thuộc loại chất thải rắn Trong đó, "tro" thải ra theo đường khói, hay còn gọi là "tro bay"; còn "xỉ" được thải qua đáy của lò hơi, hay còn gọi là "xỉ đáy lò" Tỷ lệ chất rắn thải ra dưới dạng "tro bay" hay "xỉ đáy lò" phụ thuộc vào công nghệ đốt của lò hơi

2 Nguồn gốc của tro, xỉ

2.1 Tro, xỉ sinh ra trong lò hơi nhà máy nhiệt điện than

Quá trình đốt than trong nhà máy nhiệt điện thải ra nhiều nhất là tro xỉ, theo Bộ Công Thương, hiện lượng tro xỉ, thải ra từ các nhà máy hơn 16,4 triệu tấn/năm Dự kiến tới năm

2025 sẽ có thêm nhiều nhà máy nhiệt điện than được đưa vào hoạt động, phát sinh khoảng 20,5 triệu tấn tro xỉ Nếu không có biện pháp xử lý, tái sử dụng, hồ chứa tro xỉ thải cũng chỉ

có thể phục vụ cho khoảng 10-20 năm hoạt động của nhà máy, hồ chứa bị lấp đầy và nhà máy nhiệt điện sẽ không thể hoạt động được

Hình 1: Bãi tro, xỉ của nhà máy nhiệt điện đốt than Nguồn gốc hình thành của tro, xỉ trong các nhà máy nhiệt điện là lò hơi đốt than Bản chất của việc đốt than là quá trình oxy hóa của carbon (thành phần cháy được của than) Về

cơ bản, than có cấu tạo gồm 3 thành phần chính, và mỗi thành phần chính có 2 thành phần phụ Cụ thể như sau:

1/ Thành phần than nguyên chất (carbon cố định + chất bốc hữu cơ)

2/ Thành phần khoáng chất (chất bốc vô cơ + tro)

3/ Thành phần ẩm (nước bên trong + nước bên ngoài).

Hình 2: Thành phần của than đốt phát điện Khi than bị đốt cháy, thành phần 'than nguyên chất' sẽ bị oxy hóa hết, thành phần 'tổng ẩm' là nước sẽ bốc hơi hết, còn trong thành phần 'khoáng chất' thì 'chất bốc' hữu cơ cũng bị cháy hết, chỉ còn lại 'chất bốc' vô cơ và tro xỉ được thải ra

Xét theo thành phần vật lý: tro xỉ thuộc chất rắn, có các kích thước (cỡ hạt) khác nhau,

có các nhiệt độ biến dạng, nóng chảy, đông kết khác nhau, và màu sắc khác nhau

Xét theo thành phần hóa học: tro xỉ của các nhà máy nhiệt điện chạy than luôn chứa 8 loại ô xít kim loại chủ yếu, gồm: SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, NaO, K2O, MgO, TiO2 Ngoài 8 loại này, có thể còn có các ô xít khác Các loại than khác nhau sẽ có các hàm lượng của từng

ô xít này khác nhau và sẽ có tỷ số a xít (acid ratio) khác nhau Tỷ số axit R được xác định dựa trên 8 ô xít kim loại chủ yếu như sau:

R = (Fe2O3 + CaO + NaO + K2O + MgO)/(SiO2 + Al2O3 + TiO2)

Tỷ số axit này (có giá trị trong khoảng 0,0÷1,0) là đại lượng tỷ lệ nghịch với nhiệt độ nóng chảy của tro: tỷ số càng thấp, nhiệt độ nóng chảy của tro càng cao

Như vậy, về mặt khoa học, xét theo thành phần khoáng vật và nguồn gốc hình thành, tro

xỉ của các nhà máy nhiệt điện chạy than được xếp vào danh mục "Tài nguyên khoáng sản thứ sinh" - do con người tạo ra qua quá trình khai thác, chế biến, và sử dụng "tài nguyên khoáng sản thiên nhiên"

2.2 Tro, xỉ sinh ra trong quá trình đốt rác phát điện

Rác thải sinh hoạt tại Việt Nam được thu gom, xử lý khoảng 60% bằng các hình thức: chôn lấp, làm phân compost, đốt [ CITATION Omr13 \l 1033 ], [ CITATION BộT \l 1033 ]

Hình 3: Nhà máy đốt rác phát điện Cần Thơ Tuy nhiên, tác dụng của phân làm từ rác không rõ ràng và nhanh như phân hoá học nên không được thị trường ưa chuộng Việc chôn lấp rác cũng còn nhiều bất cập: Đối với bãi chôn lấp cũ: không có lớp lót đáy, không có hệ thống thu gom và xử lý khí thải và nước thải nên tác động bất lợi đến môi trường và sức khoẻ cộng đồng Đối với công nghệ chôn lấp hợp vệ sinh, có thu gom và xử lý nước rác và khí bãi rác thì chi phí đầu tư lớn, chi phí vận hành cao Đốt rác là phản ứng hóa học mà trong đó carbon, hydrogen, và các nguyên tố khác có trong rác kết hợp với oxy để tạo một số sản phẩm oxy hoá hoàn toàn và sinh nhiệt [ CITATION CùH10 \l 1033 ] Lợi ích của xử lý rác bằng công nghệ đốt: giảm thể tích rác chôn lấp; thu hồi năng lượng để sản xuất điện; giảm phát sinh nước rác và khí bãi rác Bất lợi của việc đốt rác: chi phí đầu tư và bảo trì lớn; đòi hỏi rác có nhiệt trị cao, gây tác động thứ cấp đến môi trường do khí thải và tro xỉ sau đốt Quá trình đốt rác phát điện phát sinh lượng chất thải rắn là tro xỉ với tỷ lệ dao động khoảng 15-25% [ CITATION BộT12 \l 1033 ]

Cơ chế vận hành lò đốt rác sinh hoạt phát điện:

Quy trình vận hành: Xe chuyên dụng vận chuyển rác sinh hoạt đến bể chứa rác Tại bể chứa rác dàn cần trục và gầu ngoạm bốc và nạp rác lên cửa nạp nguyên liệu; theo máng trượt, rác được chuyển đến buồng đốt và thực hiện quá trình đốt Lò đốt liên tục, theo 3 giai đoạn: sấy khô, đốt cháy, đốt bổ sung Bụi tro chưa cháy hết sau khi lắng được quay lại buồng đốt, cặn hữu cơ sau xử lý nước thải cũng được quay lại buồng đốt để đốt tiếp cho đến khi ra xỉ thải Do nhiệt độ trong lò đốt khoảng 9500oC nên tận dụng nguồn nhiệt này để phát điện, tại buồng đốt có thu hồi nhiệt để chuyển hóa năng lượng từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi Sau đó hơi được chuyển tới tuabin và nối với máy phát tương thích để phát điện [ CITATION Omr03 \l 1033 ]

Như vậy, xỉ thải ra từ lò đốt rác phát điện bao gồm 02 loại: (1) Tro thô là chất thải rắn còn lại sau khi thiêu đốt chất thải; (2) Tro mịn là loại tro bay được giữ lại trong quá trình xử

lý khí thải lò đốt (theo QCVN 30:2010/BTNMT) Tro thô chủ yếu là tro xỉ than đáy lò và tro mịn là phần tro bay tròn nhẵn có kích thước hạt <10μm

Thành phần của tro xỉ từ lò đốt rác sinh hoạt phát điện[ CITATION CùH10 \l 1033 ] :

Kết quả phân tích cho thấy thành phần hóa học của tro xỉ tại Nhà máy xử lý rác Đan Phượng – Hà Nội, đốt rác phát điện theo công nghệ Martin của Đức so sánh gần tương đồng với Nhà máy Chongquinh - Tongxing 2x25t/h tại Trung Quốc và Nhà máy Lee - County 2x300t/ngày tại Mỹ Tuy nhiên, hàm lượng của Fe2O3, CaO và MgO có trong tro xỉ tại Việt Nam cao hơn tại Trung Quốc và Mỹ Nguyên nhân do việc phân loại rác tại Việt Nam chưa tốt, lượng rác đưa vào còn lẫn nhiều thành phần vô cơ

Thành phần một số chất độc hại trong tro xỉ tại Nhà máy xử lý rác Đan Phượng, Hà Nội:

Ghi chú: KPHT – không phát hiện thấy

Hàm lượng các chất độc hại theo kết quả phân tích đều nằm dưới ngưỡng của QCVN 07:2009/BTNMT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về ngưỡng chất thải nguy hại) Như vậy tro

xỉ từ quá trình đốt rác sinh hoạt phát điện có thể nghiên cứu để sử dụng trong các ngành công nghiệp hoặc dân dụng

3 Tái sử dụng tro, xỉ

Việc khai thác sử dụng tro, xỉ để không tồn chứa một lượng lớn tại các bãi chứa sẽ giảm các tác động đến môi trường như:

Ngừa ô nhiễm nước: Phần lớn tro, xỉ nhiệt điện vẫn còn được tồn chứa , chưa được sử dụng Do được tồn chứa lộ thiên trên đất nên nước mư có thể hòa tan các thành phần củ tro,

xỉ và hòa lẫn với hệ thống nước tự nhiên xung quanh Tro, xỉ chủ yếu chứa các thành phần alumina, silica, can xi và sulphua (trong tro, xỉ CFB, FGD) và vết các kim loại nặng Ô nhiễm nước mặt và nước ngầm có thể do hiện tượng chiết (hòa tan) các nguyên tố độc hại

và kim loại nặng như chì, thủy ngân, cadimi, đồng và thiếc trong tro, xỉ là có nếu không được tồn chứa đúng cách Các nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằng chì hòa tan (rửa trôi) từ tro, xỉ tồn chứa có thể gây các nguy hiểm đến sức khỏe con người Việc tăng cường sử dụng các công nghệ đốt phát thải NOx thấp tại các nhà máy nhiệt điện than dẫn đến làm tăng nồng độ của amonium trong tro, xỉ Lượng amonium rửa trôi từ việc tồn chứa tro, xỉ sẽ chuyển hóa thành nitrat có thể di chuyển vào trong nước ngầm và do vậy gây ô nhiễm nguồn nước Ngừa ô nhiễm không khí: Tro bay là vật liệu dạng bột mịn, phân bố kích thước hạt thường từ 0,5 - 300 µm Các nguyên tố vết độc hại nói chung tập hợp trong các hạt mịn với kích thước hạt 2µm, có thể bị hít vào cơ thể và lưu lại trong phế quản của người, do đó làm tăng nguy cơ tổn hại sức khỏe Đối với các bãi thải chứa khô, lượng bụi tro bay thoát ra có thể làm ô nhiếm chất lượng không khí tại vùng xung quanh Người dân sống lân cận các nhà máy nhiệt điện, nơi có các bãi chứa tro, xỉ sẽ chịu các nguy cơ cao phơi nhiễm bụi độc hại trong không khí

Giảm phát thải khí nhà kính: Các tính chất của tro, xỉ thích hợp cho sản xuất vật liệu xây dựng.Việc sử dụng tro, xỉ làm phụ gia trong sản xuất xi măng và bê tông làm giảm tới 80% lượng khí nhà kính phát thải Nếu phát thải CO2 trung bình 0,8 kg/kg xi măng (Jos và cộng

sự, 2004) thì sử dụng 1 tấn tro, xỉ trong sản xuất xi măng tương đương việc giảm 0,8 tấn CO2 phát thải Sử dụng tro, xỉ làm nguyên liệu thay thế cho phép giảm các công đoạn khai thác mỏ tốn kém năng lượng cũng dẫn tới giảm phát thải khí nhà kính

3.1 Tái sử dụng tro, xỉ từ nhà máy nhiệt điện

3.1.1 Tái sử dụng tro bay để trực tiếp sản xuất xi măng

Trong tro, xỉ thải ra từ các nhà máy nhiệt điện đều có đủ các thành phần khoáng vật tương tự như thành phần trong các phối liệu của lò quay trong sản xuất xi măng (chỉ khác nhau về hàm lượng - %)

Đặc biệt, đối với các công nghệ (loại lò hơi) đốt than tiên tiến cho phép đốt than rất kiệt (đốt hết carbon), thì tỷ lệ của thành phần "carbon không cháy hết" (unburnt carbon) trong tro bay có thể đạt <1-2% Trong trường hợp này, tro bay của các nhà máy nhiệt điện có thể

sử dụng trực tiếp như xi măng thành phẩm có mác cao (>400-800) Đặc biệt, xi măng được sản xuất từ tro bay có tính chống mặn cao, có thể dùng cho các công trình làm kè ven biển

Hình 4: Xi măng sản xuất từ tro bay Tuy nhiên, các công nghệ đốt than ở Việt Nam có tỷ lệ carbon không cháy hết còn cao Mặc dù, thiết kế lò hơi thường tính tỷ lệ này <5% trong tro bay, nhưng trong thực tế, vì nhiều lý do (về kỹ thuật cũng như về kinh tế) các công nghệ đốt than ở Việt Nam có tỷ lệ này thường >10%

Vì vậy, để "tro bay" từ là một chất thải thành như một "sản phẩm phụ" có giá trị kinh tế cao của nhà máy nhiệt điện, ở Việt Nam cần hoàn thiện công nghệ đốt than theo hướng giảm

tỷ lệ "carbon không cháy hết" Trên thế giới có nhiều giải pháp cho vấn đề này, trong đó, hiệu quả nhất là: (i) Giảm kích cỡ của hạt than trước khi đưa vào lò (đầu tư các máy nghiền than hiện đại); và, (ii) Sử dụng các Nano-Enzyme (chất trợ cháy) để trộn lẫn với than trước khi đưa vào lò Cả hai giải pháp này đều khả thi đối với bất kỳ nhà máy nhiệt điện chạy than nào của Việt Nam

3.1.2 Sử dụng tro bay để làm phối liệu cho các nhà máy xi măng

Tro bay có hàm lượng carbon không cháy hết cao không làm xi măng trực tiếp được, nhưng vẫn có thể sử dụng làm phối liệu cho các nhà máy xi măng bằng cách trộn lẫn tro bay với phối liệu của nhà máy để đưa vào lò quay Trong trường hợp này, thành phần "carbon chưa cháy hết" trong tro bay sẽ được cháy hết trong lò quay của nhà máy xi măng (góp phần

làm giảm mức tiêu hao than trong sản xuất xi măng) Hiện nay, tro bay của nhiều nhà máy nhiệt điện đang được đẩy mạnh sử dụng theo hướng này Một số nhà máy nhiệt điện (như Cao Ngạn, Cẩm Phả của TKV) lượng tro bay thải ra luôn được tiêu thụ 100% (bán cho các nhà máy xi măng)

3.1.3 Sử dụng tro bay để làm phối liệu trong sản xuất gạch nung

Thực tế đã chứng minh: "tro bay" của các nhà máy nhiệt điện chạy than đang được sử dụng rất có hiệu quả để làm phối liệu trong sản xuất gạch nung Trong trường hợp này, thành phần "carbon chưa cháy hết" và các oxit kim loại khác trong "tro bay" được trộn lẫn với thành phần đất sét trước khi đóng bánh và đưa vào lò tunel

3.1.4 Sử dụng tro bay và xỉ đáy lò để làm gạch không nung

Tỷ lệ "tro bay" của nhà máy nhiệt điện Cao Ngạn là 65%, còn "xỉ đáy lò" là 35% Kết quả nghiên cứu của Viện Vật liệu xây dựng cho thấy, việc sử dụng tro, xỉ của nhà máy nhiệt điện Cao Ngạn (nằm trong lòng thành phố Thái Nguyên) để sản xuất gạch không nung (gạch xỉ) là hoàn toàn khả thi: tro bay có thể thay thế tới 40% xi măng, còn xỉ đáy lò của nhà máy này có thể thay thế 100% cát tự nhiên Giá thành sản xuất gạch không nung giảm 16-21% so với dùng phối liệu là đá mạt và cát tự nhiên

Hình 5: Gạch không nung sản xuất từ tro bay và xỉ đáy lò

Tuy nhiên, hiện nay gạch không nung trên thị trường còn đang bị gạch nung cạnh tranh

vì ở nhiều địa phương, chủ trương của Chính phủ về việc đóng cửa hoàn toàn các lò gạch nung sử dụng đất nông nghiệp vẫn chưa được thực hiện nghiêm túc

3.1.5 Sử dụng "xỉ đáy lò" làm nền cho đường bê tông - xi măng

Giải pháp sử dụng "xỉ đáy lò" và/hoặc cả "tro bay" thay thế cát, đá dăm tự nhiên để làm lớp lót nền trong xây dựng các đường bộ bằng bê tông - xi măng đã được áp dụng từ lâu trên thế giới và mang lại hiệu quả về mặt cấu trúc nền và tiết kiệm chi phí

Hình 6: Lớp lót đường từ xỉ đáy lò

3.1.6 Sử dụng tro bay làm vật liệu phủ chống phát tán ô nhiễm cho bãi chất thải rắn

công nghiệp

Quy trình công nghệ sản xuất hỗn hợp vữa phủ dạng bột khô dùng để thi công phun che phủ lên bề mặt các bãi tro xỉ nhiệt điện được nêu trong sơ đồ bên dưới:

Với thực tiễn ở Việt Nam thì việc sử dụng tro xỉ nhiệt điện là thành phần chính để chế tạo vật liệu phủ giá thành rẻ trên cơ sở hỗn hợp củ xi măng, tro , phụ gia , sợi gia cố… có thể sử dụng tro bay nhiệt điện lên tới 90÷95% trong thành phần của hỗn hợp gốc xi măng góp phần xử lý chính nguồn phế thải tro xỉ góp phần bảo vệ môi trường Vật liệu được đóng bao trộn sẵn khi thi công được trộn với nước thành dạng hồ chảy lỏng được phun phủ lên bề mặt của các bãi tồn trữ phế thải

Chế tạo vật liệu phủ gốc xi măng, với thành phần chủ yếu là tro bay nhiệt điện chiếm tới 95% trong hỗn hợp để tận dụng tối đa nguồn chất thải tro xỉ, các thành phần còn lại là xi măng pooc lăng, phụ gia siêu dẻo, phụ gia đóng rắn nhanh, chống rửa trôi và sợi PVA Vật liệu phủ này có các tính chất như độ linh động chảy lỏng cao, cường độ thấp, nguyên liệu sử dụng tại chỗ, có sẵn tại địa phương, dễ dàng thi công phun một lớp mỏng có chiều dày từ 3mm đến lớn hơn 10 mm lên trên bề mặt các bãi chứa chất thải rắn Tùy theo mục đích sử dụng có thể để làm lớp phủ tạm thời (độ dày lớp phủ từ 3÷10mm) hay lớp phủ lâu dài (độ dày lớp phủ >10mm) Với các tính chất đạt được của lớp phủ như: thời gian ninh kết nhỏ hơn 5 giờ, cường độ nén tuổi 28 ngày đạt từ 0,3÷1,4 MPa, dễ dàng phá bỏ lớp phủ khi muốn khai thác bãi chứa chất thải rắn Độ co ngót nhỏ hơn 0,05 %, bề mặt sau khi thông công không nứt và bong tróc với lớp nền của bãi chất thải rắn Vật liệu phủ có khả năng chống rửa trôi, có thể thi công ngay cả trong điều kiện trời mưa Thành phần nguyên liệu chính để chế tạo hỗn hợp vữa phủ đi từ tro bay, sử dụng chất kết dính vô cơ xi măng portland có sẵn tại địa phương Hàm lượng chất kết dính rất ít nên giá thành nguyên liệu rẻ hơn nhiều so với các giải pháp khác như sử dụng bạt li lông (PE), sử dụng lưới làm, hay đặc biệt sử dụng sản phẩm tương tự có sẵn nhập từ Mỹ là Posi-Shell® của hãng USA Landfill cover systems Trong thành phần của vật liệu phủ chiếm chủ yếu là tro bay nên việc sử dụng vữa phủ để che phủ sẽ giải quyết vấn đề chất thải rắn gây ô nhiễm môi trường, góp phần cải thiện được vấn đề ô nhiễm môi trường Hơn nữa khi khai thác các bãi tro xỉ, hay thậm chí các bãi chứa clinker xi măng… hoàn toàn không cần tách lọc loại bỏ lớp vật liệu phủ này, mà coi chúng như là một thành phần vật liệ trơ về mặt hóa học tham gia vào cấu tử của nguyên liệu đó,

mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng sử dụng của tro xỉ hay clinker xi măng…