Được xem là một trong những giải pháp quan trọng giúp giảm tỷ lệ clinker trong xi măng và thúc đẩy phát triển các dòng xi măng carbon thấp, đất sét nung hoạt tính đang ngày càng trở thành tâm điểm đầu tư của ngành xi măng toàn cầu. Song song với quá trình mở rộng sản xuất quy mô công nghiệp, công nghệ nung hoạt hóa đất sét cũng đang tạo ra một trong những cuộc tranh luận kỹ thuật đáng chú ý nhất của ngành khi các công nghệ hiện hữu đều bộc lộ những lợi thế và giới hạn riêng, trong khi những giải pháp mới tiếp tục xuất hiện nhằm tối ưu hiệu quả năng lượng và giảm phát thải carbon trong dài hạn.
Cuộc cạnh tranh công nghệ nung đất sét đang trở thành tâm điểm mới của ngành xi măng
Mức độ quan tâm của ngành xi măng toàn cầu đối với công nghệ sản xuất đất sét nung hoạt tính ngày càng gia tăng trong những năm gần đây khi loại vật liệu này được đánh giá là một trong những giải pháp quan trọng giúp giảm tỷ lệ clinker và cắt giảm phát thải carbon trong sản xuất xi măng. Điều này thể hiện rõ qua các diễn đàn nghiên cứu quốc tế, nơi giới khoa học và doanh nghiệp đang dành sự chú ý đặc biệt cho việc lựa chọn công nghệ phù hợp để sản xuất vật liệu này ở quy mô công nghiệp. Một trong những chủ đề được thảo luận nhiều nhất hiện nay là bài toán lựa chọn giữa công nghệ lò quay truyền thống và hệ thống flash calciner.
Hiện nay, 2 công nghệ chính đang được sử dụng gồm lò quay và công nghệ flash calciner. Đây cũng là 2 hướng công nghệ đang tạo ra sự cạnh tranh rõ nét trong ngành xi măng toàn cầu.
Nhà máy Argilor Xeuilley (Pháp) vận hành dây chuyền flash calciner quy mô công nghiệp đầu tiên tại châu Âu.
Các nhà cung cấp thiết bị lớn như FLSmidth, thyssenkrupp, KHD Humboldt Wedag, FCB và Sinoma International hiện đều đang thúc đẩy triển khai các dây chuyền sử dụng công nghệ flash calciner cho các dự án mới. Theo các đánh giá kỹ thuật hiện nay, flash calciner cho thấy lợi thế rõ rệt về hiệu quả nhiệt khi mức tiêu hao năng lượng chỉ khoảng 2.075 MJ/tấn đất sét nung, thấp hơn mức khoảng 2.300 MJ/tấn đất sét nung của công nghệ lò quay.
Khả năng kiểm soát nhiệt độ chính xác hơn cũng giúp flash calciner tạo ra vật liệu có mức độ hoạt hóa cao hơn, từ đó cho phép giảm sâu hơn tỷ lệ clinker trong thành phần xi măng thành phẩm.
Tuy nhiên, các chuyên gia ủng hộ công nghệ lò quay cho rằng flash calciner vẫn tồn tại những hạn chế đáng kể. Hệ thống này thường yêu cầu tháp cyclone trao đổi nhiệt và làm nguội cao hàng chục mét khiến chi phí đầu tư lớn hơn. Bên cạnh đó, nguyên liệu đất sét phải được nghiền mịn hơn do thời gian lưu ngắn hơn trong vùng nung, kéo theo mức tiêu thụ điện năng tăng lên đáng kể.
Một điểm đáng chú ý khác là xi măng sử dụng đất sét nung hoạt tính thường làm tăng nhu cầu nước trong quá trình trộn bê tông ban đầu, trong đó hiện tượng này được cho là thể hiện rõ hơn ở sản phẩm được tạo ra từ flash calciner do mức độ hoạt hóa nguyên liệu cao hơn.
Flash calciner và lò quay đang tạo ra 2 hướng tiếp cận công nghệ khác nhau
Trong giai đoạn đầu phát triển công nghệ sản xuất đất sét nung hoạt tính, phần lớn các dây chuyền thương mại trên thế giới chủ yếu sử dụng công nghệ lò quay, trong khi dữ liệu vận hành thực tế đối với flash calciner ở quy mô công nghiệp vẫn còn khá hạn chế. Tuy nhiên, vài năm gần đây, xu hướng đầu tư đã bắt đầu có sự dịch chuyển khi ngày càng nhiều dự án mới lựa chọn flash calciner nhằm kiểm chứng hiệu quả vận hành của công nghệ này trong điều kiện sản xuất thực tế.
Một số dự án tiêu biểu có thể kể đến như nhà máy Kribi tại Cameroon của Cimpor Global Holdings, dự án Argilor Xeuilley tại Pháp của Vicat hay tổ hợp sản xuất tại Tema thuộc Ghana. Đến nay, việc các dự án này lần lượt đi vào vận hành thương mại đã giúp ngành xi măng toàn cầu có thêm những dữ liệu thực tế quan trọng để đánh giá hiệu quả của flash calciner trong sản xuất đất sét nung hoạt tính quy mô lớn.
Điều đáng chú ý là ngay cả những doanh nghiệp đã trực tiếp vận hành cả 2 công nghệ cũng chưa đưa ra lựa chọn mang tính tuyệt đối. Đơn cử như Vicat hiện vẫn duy trì công nghệ lò quay tại Brazil từ nhiều năm trước, đồng thời tiếp tục đầu tư thêm dây chuyền flash calciner tại Pháp để theo dõi hiệu quả vận hành trong điều kiện thực tế. Thực tế này cho thấy sau nhiều năm nghiên cứu và thương mại hóa, ngành xi măng vẫn chưa tìm ra lời giải công nghệ tối ưu tuyệt đối cho sản xuất đất sét nung hoạt tính, khi mỗi giải pháp hiện vẫn đang thể hiện những lợi thế riêng tùy thuộc vào mục tiêu đầu tư và điều kiện vận hành cụ thể của từng doanh nghiệp.
Thực tế cho thấy lựa chọn công nghệ phụ thuộc vào điều kiện nguyên liệu và quy mô đầu tư
Những dữ liệu vận hành thực tế trong vài năm gần đây cho thấy cả công nghệ lò quay lẫn flash calciner đều phải đối mặt với không ít thách thức trong giai đoạn thương mại hóa. Tại nhà máy Abidjan ở Côte d’Ivoire, dây chuyền lò quay của Cimpor Global Holdings sau khi đưa vào vận hành năm 2020 từng gặp nhiều vấn đề liên quan đến độ ổn định thiết bị, công suất sử dụng thấp dưới 60%, chất lượng màu sắc sản phẩm thiếu đồng đều cũng như khó khăn trong khâu chuẩn bị nguyên liệu đầu vào. Sau khi nâng cấp hệ thống chuẩn bị đất sét, bổ sung thiết bị đo lường và tối ưu điều khiển quá trình, mức độ sử dụng thiết bị hiện đã tăng lên trên 95%.
Trong khi đó, dây chuyền flash calciner tại Kribi cũng được ghi nhận gặp nhiều vấn đề kỹ thuật tương tự trong giai đoạn vận hành ban đầu dù doanh nghiệp không công bố chi tiết cụ thể. Điều đáng chú ý là dù đã có kinh nghiệm vận hành cả hai công nghệ tại Abidjan và Kribi, Cimpor vẫn tiếp tục lựa chọn đầu tư thêm dây chuyền flash calciner công suất 1.200 tấn/ngày tại Tema, đồng thời mở rộng kế hoạch phát triển công nghệ này tại Tây Phi. Quyết định này cho thấy doanh nghiệp vẫn đánh giá cao tiềm năng của flash calciner, đặc biệt đối với các dự án quy mô lớn.
Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây cho thấy việc lựa chọn công nghệ ngày càng phụ thuộc lớn vào đặc tính nguyên liệu đầu vào. Theo đánh giá từ Dynamis, những loại đất sét chứa hàm lượng illite hoặc smectite cao có thể phát sinh hiện tượng nóng chảy cục bộ trong quá trình nung, gây nguy cơ tắc nghẽn cyclone khi sử dụng flash calciner và ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định vận hành. Ngược lại, với nguồn nguyên liệu giàu cao lanh, flash calciner lại cho hiệu quả hoạt hóa tốt hơn.
Điều này cho thấy không tồn tại một công nghệ phù hợp cho mọi trường hợp khi flash calciner thường phù hợp hơn với các dự án mới quy mô lớn, trong khi lò quay lại có lợi thế đối với các dự án cải tạo dây chuyền hiện hữu hoặc những nguồn nguyên liệu có thành phần khoáng phức tạp hơn. Xu hướng này cũng thể hiện rõ qua việc Cimpor hiện đang chuyển đổi một lò clinker ngừng hoạt động tại Bồ Đào Nha để sản xuất khoảng 1.500 tấn đất sét nung/ngày, cho thấy việc tận dụng tài sản hiện hữu đang trở thành hướng đi ngày càng được quan tâm.
Công nghệ mới tiếp tục xuất hiện trong cuộc đua phát triển xi măng carbon thấp
Song song với cuộc cạnh tranh giữa lò quay và flash calciner, ngành xi măng toàn cầu cũng đang chứng kiến sự xuất hiện của nhiều hướng công nghệ mới nhằm tiếp tục tối ưu quá trình sản xuất đất sét nung hoạt tính. Một trong những hướng đi đáng chú ý hiện nay đến từ Holcim với giải pháp phát triển một hệ thống nung đất sét quy mô nhỏ đang được thử nghiệm tại nhà máy Saint Pierre La Cour (Pháp). Giải pháp này tận dụng luồng khí nóng thu hồi từ dây chuyền clinker hiện hữu để cung cấp nhiệt cho hệ thống nung đất sét riêng biệt, qua đó giúp giảm đáng kể nhu cầu sử dụng nhiên liệu bổ sung trong quá trình vận hành.
Theo hướng tiếp cận tương tự, VDZ cũng đã giới thiệu giải pháp bố trí thiết bị nung đất sét gần khu vực làm nguội clinker nhằm tận dụng trực tiếp nguồn nhiệt sẵn có từ dây chuyền sản xuất. Dù hiện chưa được thương mại hóa rộng rãi, giải pháp này cho thấy xu hướng tận dụng nhiệt thải đang ngày càng trở thành một hướng nghiên cứu quan trọng trong nỗ lực giảm tiêu hao năng lượng của ngành xi măng.
Hệ thống tích hợp liên hoàn 3 giai đoạn của CemTower: Tiền nung (preheater), lò nung (kiln) và làm nguội (cooler).
Một hướng phát triển khác đang thu hút sự quan tâm của ngành đến từ CemGreen với công nghệ CemTower, hệ thống tích hợp theo phương thẳng đứng giữa bộ trao đổi nhiệt, vùng nung và làm nguội nhằm tối ưu khả năng thu hồi nhiệt trong toàn bộ quá trình sản xuất. Theo các kết quả thử nghiệm ban đầu, mức tiêu hao nhiệt của công nghệ này chỉ dao động khoảng 600 - 1.200 MJ/tấn đất sét, thấp hơn đáng kể so với nhiều công nghệ hiện hành. Ngoài lợi thế hiệu quả năng lượng, hệ thống còn vận hành dưới ngưỡng nhiệt độ khử carbonat nên gần như không phát sinh khí CO₂ từ phản ứng hóa học của nguyên liệu, đồng thời có khả năng sử dụng Hydrogen, RDF hoặc nguồn điện tái tạo làm nguồn cung nhiệt trong tương lai.
Những dự án thương mại đầu tiên đã bắt đầu xuất hiện tại Denmark, Saudi Arabia cùng nhiều quốc gia khu vực GCC, cho thấy cuộc đua công nghệ trong lĩnh vực này vẫn đang tiếp tục tăng tốc. Trong hành trình phát triển xi măng carbon thấp, bài toán của ngành hiện không còn dừng lại ở việc tìm kiếm vật liệu thay thế clinker mà đang chuyển dần sang khả năng lựa chọn công nghệ sản xuất phù hợp với điều kiện nguyên liệu, quy mô đầu tư và mục tiêu tối ưu hiệu quả năng lượng của từng doanh nghiệp.
Cuộc đua công nghệ quanh đất sét nung hoạt tính đang phản ánh rõ một thực tế mới của ngành xi măng toàn cầu. Trong hành trình giảm phát thải carbon, thách thức của doanh nghiệp hiện không còn dừng lại ở việc tìm kiếm vật liệu thay thế clinker mà đang chuyển dần sang bài toán lựa chọn công nghệ sản xuất phù hợp với điều kiện nguyên liệu, năng lực đầu tư và mục tiêu vận hành dài hạn. Điều này cho thấy tương lai của xi măng carbon thấp sẽ không được quyết định bởi một công nghệ duy nhất, mà bởi khả năng thích ứng công nghệ của từng nhà sản xuất trước những yêu cầu chuyển đổi ngày càng khắt khe.
Buildata (TH/ ICR)
