Các giải pháp sẵn có để giảm phát thải 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.
Nâng cao hiệu suất nhà máy/cải thiện chất lượng clinker
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 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
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.
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.
Nguyễn Thị Kim Lan dịch từ World Cement Magazine số tháng 7/2024