Giải pháp nào để tro xỉ nhiệt điện trở thành nguồn tài nguyên thứ sinh quý giá?

Đặt vấn đề

Ở Việt Nam, theo Quy hoạch điện, tỷ trọng của các nhà máy nhiệt điện (NMNĐ) chạy than còn lớn (về công suất đặt, cũng như về sản lượng điện phát ra). Vì vậy, việc xử lý chất thải của các NMNĐ than (tro bay qua ống khói và xỉ thải qua đáy lò hơi) đang ngày càng trở nên bức thiết.

Tro và xỉ được hình thành khi nhiên liệu than được đốt (trong các lò hơi của NMNĐ, trong lò quay của nhà máy xi măng, trong lò cao của nhà máy luyện kim, trong lò tunel của các xí nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng, v.v...).

Về khối lượng và chất lượng của tro xỉ: Phụ thuộc vào chủng loại than (anhthracite, than đá, than nâu, than bùn, than mỡ, v.v...) và phụ thuộc vào công nghệ đốt của các lò (nhiệt độ cháy, cỡ hạt của than đưa vào lò, thời gian hạt than được cháy trong lò, lượng khí ô xy dư thừa, v.v...), tro, xỉ được thải ra sau khi đốt có khối lượng (nhiều/ít), có chất lượng (cao/thấp) sẽ rất khác nhau.

Những loại than có hàm lượng/thành phần tro (Ash) tính bằng % cao, lượng xỉ thải qua đáy lò sẽ lớn (tỷ lệ thuận), còn lượng tro bay qua ống khói phụ thuộc vào công nghệ lọc bụi của nhà máy (lọc sạch hay không sạch). Nhìn chung, các loại anthracite và than đá (hard coal) thường có độ tro cao (>20%), các loại than bitummous hay than nâu có độ tro thấp (<15%). Hay, với cùng một loại than, nếu công nghệ đốt khác nhau cũng có khối lượng và chất lượng tro, xỉ thải ra khác nhau.

Vì vậy, việc xử lý tro, xỉ cũng có nhiều phương pháp và bằng nhiều giải pháp khác nhau.

Bản chất hóa - lý của tro, xỉ

Trước khi đề cập đến các phương pháp/giải pháp xử lý, cần làm rõ bản chất của 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 phát điện 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, nhưng "tro bay" thường lớn hơn "xỉ đáy lò".

Nguồn gốc hình thành của tro, xỉ trong các NMNĐ là lò hơi đốt than. Bản chất của việc đốt than là quá trình ô xy 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).

Khi than bị đốt cháy, thành phần 'than nguyên chất' sẽ bị ô xy 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 NMNĐ 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 a xít 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 a xít 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 NMNĐ 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".

Giải pháp xử lý tro, xỉ

Vì coi tro xỉ của các NMNĐ đốt than là một nguồn "tài nguyên khoáng sản thứ sinh" như nêu trên, trên thế giới, người ta xử lý theo hướng "tận dụng tối đa". Trong điều kiện cụ thể của Việt Nam, có thể đưa ra các giải pháp xử lý như sau:

1/ Tận thu các ô xít kim loại từ tro xỉ:

Đây là giải pháp mang tính tích cực. Đặc biệt, đối với Việt Nam, các nguồn tài nguyên khoáng sản có hạn, việc tận dụng tro xỉ theo hướng thu hồi các ô xít kim loại từ tro xỉ cần được ưu tiên. Căn cứ vào thiết kế lò hơi (loại than được đốt) của từng NMNĐ ta có thể định hướng thu hồi những ô xít kim loại có hàm lượng cao.

Ví dụ, NMNĐ Vĩnh Tân 4 công suất 600MW, sản lượng điện 3,6 tỷ kWk/năm, tiêu thụ khoảng 1,8 triệu tấn than/năm (gồm 70% than Sub-bituminous + 30% than Bituminous). Theo thiết kế lò hơi của nhà máy này, tro xỉ thải ra có thành phần (% tính theo khối lượng) như sau:

Bảng trên cho thấy, trong tro xỉ có chứa nhiều loại quặng kim loại có ích với tỷ lệ khá cao, gồm: cát - 32,87%; bauxite - 18,85%; quặng sắt - 13,21%; vôi nung - 22,54%; quặng magie (mag frit) - 5,06%; quặng titan (ilmenite) - 0,96%, v.v...

Đặc biệt, hàm lượng quặng titan (TiO2=0,96%) trong tro xỉ của NMNĐ Vĩnh Tân 4 còn cao hơn nhiều so với hàm lượng quặng titan trong các mỏ titan ở Bình Thuận (khoảng 0,56%). Trong trường hợp này, việc tận thu quặng titan từ tro xỉ của Vĩnh Tân 4 còn hiệu quả hơn khai thác các mỏ titan ven biển Bình Thuận.

Về nguyên tắc, sau khi thu hồi quặng kim loại (ví dụ ở Vĩnh Tân 4 là titan), những thành phần còn lại trong tro xỉ của các NMNĐ vẫn có thể sử dụng làm phối liệu trong sản xuất vật liệu xây dựng. Đây là nhóm giải pháp được áp dụng rộng rãi nhất trên thế giới, cụ thể gồm các giải pháp như sau.

2/ Sử dụng "tro bay" để trực tiếp sản xuất xi măng:

Trong tro, xỉ thải ra từ các NMNĐ 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 NMNĐ 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.

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 NMNĐ, 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 NMNĐ chạy than nào của Việt Nam.

3/ 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). "Một mũi tên trúng hai đích".

Hiện nay, tro bay của nhiều NMNĐ đang được đẩy mạnh sử dụng theo hướng này. Một số NMNĐ (như Cao Ngạn, Cẩm Phả của TKV) lượng tro bay thải ra luôn được tiêu thụ 100% (bán cho các nhà máy xi măng).

4/ Sử dụng "tro bay" để làm phối liệu trong sản xuất gạch nung:

Thực tế đã chứng minh: "tro bay" của các NMNĐ 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 ô xít kim loại khác trong "tro bay" được trộn lẫn với thành phần đất sét trước khi đóng bánh và đưa vào lò tunel.

5/ Sử dụng "tro bay" và "xỉ đáy lò" để làm gạch không nung:

Tỷ lệ "tro bay" của NMNĐ 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 NMNĐ 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.

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.

Vì vậy, đề nghị các địa phương nghiêm chỉnh chấp hành chủ trương này của Chính phủ, góp phần tạo điều kiện để phát triển thị trường gạch không nung ở Việt Nam.

6/ 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.

Kết luận và kiến nghị

1. Tro, xỉ của các NMNĐ chạy than cần được xem xét, đánh giá như một nguồn "tài nguyên khoáng sản thứ sinh" có chứa các thành phần khoáng vật là ô xít (quặng) của các kim loại có ích. Vì vậy,

2. Việc xử lý tro, xỉ của các NMNĐ chạy than cần được tiến hành theo hướng tận dụng tối đa các thành phần khoáng vật để làm nguyên liệu đầu vào cho các ngành như luyện kim, sản xuất vật liệu xây dựng và làm đường bộ.

3. Bộ Công Thương xem xét triển khai các đề tài R-D nâng cao hiệu quả của các NMNĐ chạy than theo hướng: (i) giảm chỉ tiêu tiêu hao than; và (ii) giảm tỷ lệ "carbon chưa cháy hết" trong tro xỉ.

4. Bộ Xây dựng sớm xây dựng và hoàn chỉnh các TCVN có liên quan đến việc sử dụng tro bay và xỉ đáy lò của các NMNĐ chạy than.

5. Các địa phương cần thực hiện nghiêm túc chủ trương đóng cửa các lò gạch nung sử dụng đất sét (đất nông nghiệp và/hoặc đất rừng).

TS. NGUYỄN THÀNH SƠN - HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM