Các giải pháp khử giảm khí phát thải CO2 từ quá trình sản xuất xi măng và clinker

Theo Hiệp hội Xi măng và Bê tông Toàn cầu (GCCA), lĩnh vực xây dựng sản sinh ra khoảng 2,5 tỷ tấn CO₂/năm với khả năng sẽ tăng lên 3,8 tỷ tấn/năm vào năm 2050 nếu không có những cố gắng giảm nhẹ CO₂ do nhu cầu bê tông ngày càng tăng. Xấp xỉ 60% lượng khí phát thải này có nguồn gốc từ quá trình khử carbon trong đá vôi với 40% lượng còn lại là từ quá trình đốt các nhiên liệu được sử dụng trong các dây chuyền sản xuất clinker. Ngoài ra, tiêu thụ điện năng cũng gián tiếp góp phần vào lượng phát thải khí CO₂ khi không được tái tạo.

Chuỗi giá trị trong lĩnh vực xây dựng, bao gồm cả 5Cs (clinker, xi măng, bê tông, xây dựng và carbonat hóa) của Cembureau, có tiềm năng đáng kể trong việc khử giảm phát thải khí CO₂ phấn đấu hướng tới trung hòa carbon. Việc đạt được mục tiêu này đòi hỏi sự nỗ lực chung từ tất cả các cổ đông lấy sản xuất clinker và xi măng làm trọng tâm.

Lộ trình ròng bằng 0 Net-Zero của GCCA. (Nguồn: Báo cáo Tiến độ ròng bằng 0 ngành Xi măng của GCCA)

Ngành này đã sẵn sàng hướng tới việc khử carbon trong mấy năm qua, sử dụng các công nghệ khác nhau. Tuy nhiên, với nhiều lựa chọn có sẵn, các đội ngũ môi trường nhà máy thường cảm thấy quá tải, thiếu những thông tin rõ ràng về các phương pháp hiệu quả nhất về chi phí để khử giảm lượng khí phát thải CO₂ cho các trường hợp cụ thể của họ. Bài viết này tập trung vào việc khử carbon cho quá trình sản xuất clinker và xi măng, khai thác những tiềm năng khác nhau và đề xuất các kịch bản tùy chỉnh cho mỗi công đoạn của nhà máy trên hành trình khử carbon.

Phát thải khí CO₂ trong quá trình sản xuất clinker và xi măng có thể được chia ra thành 2 nguồn chính: phát thải từ quá trình khử carbon cho nguyên liệu và phát thải từ quá trình đốt cháy. Một số chương trình đã có cho giảm thiểu cả 2 nguồn này được bàn luận trong bài viết này. Để tạo điều kiện thuận lợi cho việc so sánh, một ‘lò tiêu chuẩn’ giả định có công suất 4.000 tấn/ngày, tiêu hao nhiệt năng 800 kcal/kg, và áp dụng phân chia năng lượng giữa lò và calciner tương ứng 40 – 60%, vận hành 8.000 giờ/năm.

Nâng cao hiệu suất nhà máy/cải thiện chất lượng clinker

Việc nâng cao hiệu suất nhà máy có ý nghĩa rất lớn và cũng ảnh hưởng tới tất cả các phương pháp khác được áp dụng. Phát thải khí CO₂ có liên quan trực tiếp tới lượng năng lượng (nhiệt năng hoặc điện năng), cần thiết cho sản xuất 1kg vật liệu. Việc giảm bớt năng lượng cần thiết cho sản xuất 1kg vật liệu làm giảm mức tiêu hao nhiên liệu và lượng khí sinh ra, nhờ đó giảm được cả nhu cầu nhiệt năng và điện năng.

Ví dụ, trong lò tiêu chuẩn đã nói đến ở trên, việc nâng hiệu suất lên 3% sẽ giảm được lượng khí phát thải CO₂ đi xấp xỉ 14.000 tấn/năm. Lượng giảm này có thể không nhiều nhưng lại có giá trị khi xem xét tới việc nâng hiệu suất nhà máy lên 3% có thể đạt được bằng các hành động đơn giản và chi phí đầu tư thấp, thông qua, ví dụ như, việc kiểm soát quá trình hiệu quả hơn, giảm bớt lượng gió giả trong hệ thống, tối ưu hóa thành phần bột liệu để cho phép nung luyện dễ dàng hơn, nâng cấp cải tạo hệ thống đốt để vận hành với hàm lượng oxy thấp hơn trong lò đồng thời vẫn duy trì được quá trình đốt trong tầm kiểm soát.

Tương tự, việc nâng cao chất lượng clinker có thể mang lại các mức khử giảm CO₂ đáng kể. Clinker có chất lượng tốt hơn có nghĩa là nhu cầu sử dụng ít hơn mà vẫn đạt được cường độ xi măng tương tự. Việc giảm 3% hệ số clinker trong kịch bản nhà máy tiêu chuẩn của FCT sẽ giảm lượng khí phát thải CO₂ đi khoảng 34.000 tấn/năm. Kết hợp điều này với việc tăng hiệu suất lên 3% mang lại tổng lượng khử giảm xấp xỉ 47.000 tấn/năm.

Vòi đốt Turbu Flex tiên tiến từ FCT cho tỷ lệ thay thế cao với AF. (Nguồn: FCT)

Các phương pháp để cải thiện chất lượng clinker bao gồm kiểm soát quá trình hiệu quả hơn, tối ưu hóa và đồng nhất thành phần bột liệu và đầu tư vào các hệ thống đốt tiên tiến chẳng hạn như Turbu-FlexTM của FCT.

Các giải pháp lựa chọn này thường được xem là các giải pháp thay thế hiệu quả, với chi phí tương đối thấp, cho phép các nhà máy góp phần vào việc giảm lượng khí phát thải CO₂ ban đầu của họ.

Sử dụng nhiên liệu thay thế

Điều này nghe có vẻ không đúng rằng việc sử dụng nhiên liệu thay thế (AF) sẽ giảm được lượng khí phát thải CO₂, vì quá trình đốt chúng cũng giải phóng ra CO­₂. Nhưng điều này là thật, việc sử dụng AF ngăn ngừa việc tiêu thụ thêm nhiên liệu hóa thạch và lượng khí phát thải có liên quan. AF, thường là phụ phẩm của các ngành công nghiệp khác, có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch, giảm thiểu tổng lượng khí phát thải carbon. Bằng cách này, carbon từ AF một lần nữa được tái sử dụng sau các mục đích chính của chúng, thay vì sử dụng một nguồn carbon hoàn toàn mới lấy từ nhiên liệu hóa thạch.

Việc sử dụng AF là một công nghệ đã phát triển với các nhà máy ở Châu Âu có thể đạt tới 90% mức thay thế bằng AF dạng rắn và lên tới 100% khi xem xét đến hỗn hợp AF rắn và lỏng. Chi phí chuyển đổi một nhà máy sang mức thay thế cao thay đổi dựa trên các yếu tố như thiết kế nhà máy, thời gian lưu của thiết bị hiện có, chất lượng của AF mà có thể có nguồn gốc/được chuẩn bị và công nghệ của thiết bị đốt, cùng các yếu tố khác.

Đối với lò tiêu chuẩn nói đến trong bài viết này, việc tăng 10% mức tỷ lệ thay thế nhiệt khi thay thế than bằng RDF có thể giảm được lượng khí phát thải CO₂ khoảng 6.000 tấn/năm. Việc đạt được mức tỷ lệ thay thế 90% sẽ giảm được lượng khí phát thải xấp xỉ 51.000 tấn/năm. Đầu tư vào các nghiên cứu CFD đối với calciner và các hệ thống đốt tiên tiến như vòi đốt lò Turbu-FlexTM của FCT là các khoản đầu tư tương đối thấp có thể tạo điều kiện thuận lợi cho sự chuyển đổi này.

Thay thế clinker bằng vật liệu kết dính phụ trợ

Nguyên liệu có các đặc tính kết dính khi được trộn lẫn với nước hoặc các nguyên liệu khác, được biết đến là vật liệu kết dính phụ trợ (SCMs), đã được sử dụng trong vài thập kỷ nay làm vật liệu thay thế clinker. Tro bay từ các nhà máy điện chạy bằng than, xỉ từ quá trình luyện kim và vật liệu puzolan tự nhiên là các ví dụ phổ biến của SCMs. Tuy nhiên, tính sẵn có của chúng đang giảm đi, thúc đẩy việc tìm kiếm các lựa chọn thay thế, với đất sét nung đang là sự lựa chọn đáng chú ý đã được sử dụng trong xi măng hơn 40 năm qua ở một số quốc gia, ví dụ như Brazil.

Đất sét thô được sấy khô và nghiền mịn bên trái phía trên đất sét nung không có các kỹ thuật kiểm tra mầu sắc bên phải phía trên và đất sét nung có quy trình kiểm tra màu sắc được cấp bằng sáng chế của FCT bên dưới. (Nguồn: FCT)

Đất sét được sử dụng cho quá trình nung là một khoáng chất aluminosilicate với các tỷ lệ nhôm oxit và silic oxit nhất định có chứa hydroxyl trong kết cấu của nó. Khi đất sét được xử lý nhiệt ở nhiệt độ thích hợp, hydroxyl sẽ được giải phóng ra khỏi kết cấu đất sét. Khi đất sét được trộn lẫn với xi măng, oxit canxi từ clinker phản ứng với đất sét, gia cường cho nó. Nhiệt độ phù hợp cho xử lý đất sét sẽ tùy thuộc vào mỗi loại đất sét, nhưng trong mọi trường hợp, sẽ thấp hơn nhiệt độ thiêu kết clinker. Do đó, hai lợi ích về khử giảm CO₂ có thể đạt được khi thay thế clinker bằng đất sét: lượng khí phát thải CO₂ từ quá trình đốt sẽ giảm đi (có những lợi ích thêm nếu sử dụng AF), và hầu như không có phát thải khí CO₂ từ nguyên liệu (ngoại trừ đối với một số vết tích hữu cơ và đá vôi).

Một lần nữa, chi phí đầu tư của phương án lựa chọn này nằm trong phạm vi rất rộng. Một mặt, các lò clinker hiện tại có thể được sử dụng để nung đất sét với những điều chỉnh nhỏ, mang lại một giải pháp hiệu quả về chi phí, cho dù không phải là hiệu quả nhất, thậm chí là có sự dao động vận hành giữa clinker và đất sét. Mặt khác về quy mô, các nhà máy mới sử dụng lò quay hoặc các công nghệ calciner nung nhanh có thể được xây dựng cho hiệu suất tối ưu, với một loạt các cấu hình khác nhau. FCT cung cấp kiến thức chuyên môn của các kỹ sư có hơn 40 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực nung đất sét và các công nghệ như RotaCalxTM (lò quay) và FlashCalxTM (calciner nung nhanh) cho sản xuất đất sét bao gồm cả các kỹ thuật kiểm soát bằng màu sắc.

Đối với lò tiêu chuẩn đề cập đến trong bài viết này, việc thay thế 40% clinker bằng đất sét nung có thể giảm được lượng khí phát thải khoảng 347.000 tấn/năm.

Sử dụng hydro

Xem khí hydro là một loại nhiên liệu không có carbon, thì nên cân nhắc ý tưởng khử giảm lượng khí phát thải CO₂. Cho đến nay, việc sử dụng hydro trong sản xuất xi măng đã bị hạn chế đến lượng rất nhỏ, trong phạm vi tỷ lệ phần trăm một con số, từ 0,2 – 3%. Hạn chế này nằm ở công đoạn sản xuất hơn là ở công đoạn đốt cháy, đặc biệt là khi xem xét đến việc sản xuất hydro thân thiện với môi trường.

Ngày nay, những lượng lớn (trên 99%) hydro sản xuất ra là từ quá trình tinh lọc khí tự nhiên mà giải phóng ra một lượng CO₂ đáng kể vào trong khí quyển. Nếu trường hợp này xảy ra, việc đốt khí tự nhiên trực tiếp trong lò có tác động môi trường thấp hơn. Hơn nữa, hydro vẫn đắt tiền hơn so với các nhiên liệu khác và không có sẵn rộng rãi cho ngành này, do vậy không phải là giải pháp lựa chọn khả thi lúc này cho sản xuất xi măng.

Nếu như hydro thân thiện với môi trường (ví dụ, khi được sản xuất thông qua quá trình điện phân nước sử dụng năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió) trở nên sẵn có với mức giá bán chấp nhận được trong tương lai, thì sẽ có một số thách thức khi sử dụng hydro trong sản xuất xi măng ở quy mô lớn. Điều  này sẽ bao gồm cả độ phát xạ nhiệt của ngọn lửa bị giảm đi, lượng khí phát thải NOx và hạ tầng cơ sở phân phối tăng lên. Tuy nhiên, những rào cản này có ý nghĩa chỉ khi đạt được mức thay thế với hydro trên 50%. Đã có những khoản đầu tư quan trọng để khiến cho quá trình sản xuất hydro trở nên hợp lý hơn, với những lượng lớn hơn và sạch hơn. FCT đã viết một bài báo đầy đủ trên Tạp chí World Cement tháng 11/2022 bàn luận về những khía cạnh xung quanh việc sử dụng hydro trong các lò clinker.

Vòi đốt của FCT hiện được bàn giao cho sử dụng hydro, sẵn sàng cho bất cứ khi nào hydro xanh và hợp lý hơn có sẵn. Đối với lò tiêu chuẩn nói đến trong bài viết này, việc thay thế 50% than bằng hydro sẽ giảm được lượng khí phát thải CO₂ khoảng 29.000 tấn/năm.

Đốt nhiên liệu oxy

Đốt nhiên liệu oxy là một công nghệ có thể đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu lượng khí phát thải CO₂ trong ngành xi măng. Trong lò xi măng truyền thống, nhiên liệu được đốt trong không khí, mà có chứa khoảng 21% lượng khí oxy và 78%  lượng khí nitơ. Khí nitơ trong không khí không đóng góp gì vào quá trình đốt và thay vào đó lại kết thúc trong khí thải, làm loãng hàm lượng CO₂. Mặt khác, việc đốt nhiên liệu oxy liên quan đến quá trình đốt nhiên liệu với khí oxy thuần khiết thay vì không khí, phần hồi lưu của CO₂ từ khí thải trở lại máy làm nguội. Phương pháp này tạo ra quá trình đốt hiệu quả hơn và mạnh hơn cũng như giảm được đáng kể lượng khí phát thải nitơ oxit (NOx). Trong khi quá trình đốt nhiên liệu oxy không giảm được lượng khí phát thải CO₂, nó không tạo ra khí thải giàu CO₂, làm cho nó trở nên dễ dàng hơn và hiệu quả hơn về chi phí để thu gom và tồn trữ hoặc sử dụng.

Quá trình đốt được thể hiện bằng bề mặt đẳng nhiệt được tô màu bởi phần mol CO trên cùng đốt nhiên liệu oxy dưới cùng đốt thông thường với khí. (Nguồn: FCT)

Công nghệ này còn mới và có những thách thức cần phải được xử lý, chẳng hạn như tính sẵn có của oxy thuần khiết và chi phí, trang cấp thêm cho các nhà máy hiện có cũng như khả năng thích ứng với các điều kiện vận hành.

Khi xem xét lò tiêu chuẩn, việc đốt nhiên liệu oxy có thể giảm đáng kể lượng khí phát thải CO₂. Với khả năng thu giữ CO₂ với tỷ lệ phần trăm cao từ khí thải nhờ sử dụng hệ thống thu gom, sử dụng và tồn trữ carbon (CCUS), việc đốt nhiên liệu oxy có khả năng giảm được lượng khí phát thải CO₂ dễ dàng hơn lên tới khoảng 900.000 tấn/năm, tùy thuộc vào các điều kiện cụ thể và hiệu quả thu gom.

Vòi đốt FCT được thiết kế dành riêng cho vận hành dưới các điều kiện đốt nhiên liệu oxy với các điều chỉnh nhỏ.

Điện hóa xanh, CCUS và các giải pháp khác

Đã có một số sáng kiến trong lĩnh vực điện hóa trực tiếp và sử dụng các chất mang nhiệt để thay thế việc đốt cháy trong các quá trình thiêu kết clinker. Tuy nhiên, chúng vẫn còn đang trong giai đoạn phôi thai khi so sánh với các giải pháp thay thế đã bàn luận đến ở đây. Những thách thức chính là phải thiết lập các thiết bị tin cậy và các  nguyên liệu có thể truyền 1450°C vào clinker, một nguồn năng lượng xanh tin cậy cho cả năm và một lượng lớn MW cần thiết cho quá trình thiêu kết clinker. Đối với quá trình đốt, ví dụ 100 MW có thể đạt được dễ dàng và không tốn kém, trong khi điện hóa xanh, ví dụ từ năng lượng mặt trời, sẽ yêu cầu vài km² các tấm pin mặt trời, một trạm điện và toàn bộ các hoạt động bảo trì liên quan tới thiết bị này.

So sánh giữa các công nghệ khác nhau về khử giảm lượng khí phát thải CO₂. (Nguồn: FCT)

CCUS được nhận thấy là một công nghệ quan trọng giúp giảm bớt sự biến đổi khí hậu nhờ giảm thiểu lượng phát thải khí hiệu ứng nhà kính từ các nguồn phát điện và công nghiệp vào năm 2050. Các công trình công nghiệp với các công nghệ khác nhau đã sẵn sàng, tuy nhiên, chi phí cao, nhu cầu năng lượng và sự cần thiết có kinh nghiệm thực tế vẫn là những thách thức đáng kể đối với việc triển khai công nghệ này trên diện rộng lúc này. Việc tăng cường đầu tư vào công nghệ này có thể làm thay đổi tình thế trong những năm tới.

Một số công nghệ khác, vẫn còn đang giai đoạn trứng nước, cần nghiên cứu, đầu tư và mở rộng quy mô thêm để có thể sử dụng trên quy mô công nghiệp. Tuy nhiên, chủ đề này quá rộng để đề cập đến trong bài viết này.

Kết luận

Ngành Xi măng đang phải đối mặt với những vấn đề quan trọng trong việc khử giảm lượng khí phát thải CO₂, nhưng một số phương án đã có có thể đạt được các mức khử giảm đáng kể, mỗi phương án đều có những thách thức riêng, về chi phí và khả năng khử giảm CO₂.

Điều quan trọng cần lưu ý rằng giải pháp để có thể trung hòa CO₂ chính là sự kết hợp giữa các phương pháp khác nhau.

Mỗi nhà máy hiện đang ở giai đoạn khác của quá trình khử carbon, mỗi nhà máy có những tình huống đặc biệt yêu cầu phải có các giải pháp tùy chỉnh. Ví dụ, sẽ không có ý nghĩa gì khi một nhà máy chỉ đầu tư vào việc đốt đất sét nung hoặc hydro, trong khi hiệu suất nhà máy và việc sử dụng AF chưa đạt được mức cao nhất.

Bằng cách nâng cao hiệu suất nhà máy sử dụng AF thay thế clinker bằng SCMs và khai thác khả năng sử dụng hydro, cùng với các tiến bộ và công nghệ mới ra đời, ngành này có thể hướng tới một tương lai bền vững.

Joel Maia, Công ty FCT Combustion

Nguyễn Thị Kim Lan dịch từ World Cement Magazine​​ số tháng 7/2024

Nguồn tham khảo: Công ty Xi măng VICEM Tam Điệp

Build.Data