Nghiên cứu sử dụng tro xỉ nhà máy nhiệt điện mông dương trong sản xuất vật liệu xây dựng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Nguyễn Thị Nhiên

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG TRO XỈ NHÀ MÁY
NHIỆT ĐIỆN MÔNG DƯƠNG TRONG SẢN XUẤT
VẬT LIỆU XÂY DỰNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Nguyễn Thị Nhiên

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG TRO XỈ NHÀ MÁY
NHIỆT ĐIỆN MÔNG DƯƠNG TRONG SẢN XUẤT
VẬT LIỆU XÂY DỰNG
Chuyên ngành: Khoa học Môi trường
Mã số: 60440301

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Thị Loan

Hà Nội – Năm 2016

Lời cảm ơn

Với tấm lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn
PGS.TS. Nguyễn Thị Loan đã hướng dẫn em chu đáo và tận tình trong suốt
quá trình em nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Em cũng xin được cảm ơn các thầy cô và cán bộ Khoa Môi trường,
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, đã truyền đạt hướng dẫn cách tổng hợp
các kiến thức quý báu trong suốt hai năm học vừa qua và giúp đỡ em thực
hiện luận văn trong điều kiện tốt nhất.
Tôi xin cảm ơn các cử nhân Bùi Thị Như Quỳnh, Trần Thị Phương đã
cộng tác với tôi triển khai nghiên cứu trong lĩnh vực chuyên môn.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới bác Nguyễn Văn Chất và Nguyễn Thị
Nhung là chủ của 02 xưởng sản xuất gạch đã giúp đỡ tôi hoàn thành quá
trình thực nghiệm của mình.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình và bạn bè
đã luôn bên cạnh động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập,
nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 01 năm 2016
Học viên

Nguyễn Thị Nhiên

i


MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................ iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH .........................................................................................v
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .............................................................................. vi

MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.....................................................................................3
1.1. Tổng quan về tro xỉ ..............................................................................................3
1.1.1.Tro bay và đặc tính .............................................................................................3
1.1.3. Các nghiên cứu tái sử dụng tro xỉ trên Thế giới và Việt Nam ........................11
1.2. Tổng quan về Nhà máy Nhiệt điện Mông Dương (NMNĐ) ..............................21
1.3. Tổng quan về các công nghệ sản xuất gạch .......................................................25
CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................30
2.1. Đối tượng nghiên cứu.........................................................................................30
2.2. Phương pháp nghiên cứu....................................................................................30
2.2.1. Phương pháp thu thập dữ liệu .........................................................................30
2.2.2. Phương pháp thí nghiệm .................................................................................30
2.2.3 Phương pháp thực nghiệm ...............................................................................34
2.2.4. Phương pháp đánh giá: nhận xét, đánh giá kết quả thu được, từ đó đánh giá
tính khả thi của đề tài. ...............................................................................................37
2.2.5. Phương pháp nghiên cứu phân tích lợi ích môi trường mở rộng ....................38
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN..............................39
3.1. Kết quả thí nghiệm xác định thành phần, tính chất của tro đáy .........................39
3.1.1. Độ ẩm ..............................................................................................................39
ii


3.1.2. pH ....................................................................................................................40
3.1.3. Tỉ trọng thể rắn ................................................................................................40
3.1.4. Thành phần kim loại nặng ...............................................................................41
3.1.5. Thành phần khoáng .........................................................................................41
3.2. Kết quả thực nghiệm với ứng dụng sản xuất gạch từ tro đáy ............................43
3.1.1. Gạch nung truyền thống ..................................................................................43
3.1.2. Đối với gạch ép không nung (xi măng cốt liệu)..............................................45
3.3.3. Tính toán lợi ích kinh tế ..................................................................................49

KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ .......................................................................................54
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................56
PHỤ LỤC .................................................................................................................60

iii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Tiêu chuẩn tro bay theo ASTM C618.........................................................4
Bảng 1.2: Thành phần hóa học của tro bay tại các quốc gia [29] ...............................5
Bảng 1.3: Thành phần hóa học tro bay ở Ba Lan từ các nguồn nguyên liệu khác
nhau .............................................................................................................................6
Bảng 1.4: Kích thước hạt tro đáy từ các nhà máy nhiệt điện ở Mỹ ............................7
Bảng 1.5: Một số tính chất vật lý của tro đáy .............................................................8
Bảng 1.6: Các thành phần hóa học của tro đáy tiêu biểu ............................................8
Bảng 1.7: Nồng độ một số nguyên tố vi lượng trong tro đáy (mg/kg) .......................9
Bảng 1.8: Khác biệt về thành phần hóa học của tro đáy sau khi đốt than [8]...........10
Bảng 1.9: Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay ở một số nước ............................11
Bảng 1.10: Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2010-2030 [3] ........20
Bảng 1.11: Khả năng xử lý ô nhiễm của tro đáy.......................................................18
Bảng 3.1: Kết quả đo độ ẩm tro đáy NMNĐ Mông Dương 1 ..................................39
Bảng 3.2: Kết quả đo pH ...........................................................................................40
Bảng 3.3: Kết quả đo tỉ trọng của tro đáy .................................................................40
Bảng 3.4: Hàm lượng một số kim loại nặng trong tro đáy .......................................41
Bảng 3.5: Các thành phần khoáng trong tro đáy NMNĐ Mông Dương 1 ................42
Bảng 3.6: Kết quả phân tích mẫu gạch nung ............................................................44
Bảng 3.7: Kết quả phân tích độ nén gạch xi măng cốt liệu.......................................47
Bảng 3.8: Kết quả phân tích độ hút nước của mẫu gạch xi măng cốt liệu................48
Bảng 3.9: Thông số tính toán lợi nhuận thu được .....................................................51
Bảng 3.10: Giá thành sản xuất 01 viên gạch .............................................................52

Bảng 3.11: Giá thành sản xuất 01 viên gạch xi măng cốt liệu ..................................53

iv


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Bản đồ thể hiện vị trí khu vực NMNĐ Mông Dương 1 ............................22
Hình 1.2: Hình ảnh về bãi thải 1 của NMNĐ Mông Dương 1..................................25
Hình 1.3: Sơ đồ quy trình nung gạch bằng lò nung tuynel .......................................25
Hình 1.4: Hình ảnh về mẫu gạch mộc sau khi qua công đoạn ép được đưa đi phơi .27
Hình 1.5: Sơ đồ quy trình ép gạch từ mạt đá + xi măng ...........................................28
Hình 1.6: Hình ảnh về mẫu gạch xi măng cốt liệu với nhiều hình dạng...................29
Hình 2.1: Hình ảnh tro đáy và xi măng là nguyên liệu chính của thực nghiệm .......36
Hình 2.2: Hình ảnh về quá trình trộn đều tro đáy, xi măng và nước ........................37
Hình 3.1: Sơ đồ quy trình sản xuất gạch nung ..........................................................43
Hình 3.2: Hình ảnh về sản phẩm gạch mộc từ 02 tỷ lệ .............................................44
Hình 3.3: Sơ đồ quy trình sản xuất gạch xi măng cốt liệu ........................................45
Hình 3.4: Hình ảnh sản phẩm gạch xi măng cốt liệu tỷ lệ 2 (xi măng:tro đáy : nước
= 1:7 : 1,5) .................................................................................................................46
Hình 3.5: Hình ảnh sản phẩm gạch xi măng cốt liệu từ theo tỷ lệ 1 và 3 .................46

v


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
STT Từ viết tắt
1

ASTM C618

Giải nghĩa
Tiêu chuẩn về tro bay, puzolan thiên nhiên nung và
không nung

2

CFB

Đốt than tầng sôi tuần hoàn
(Circulating Fluidized Bed)

3

EVN

Tập đoàn Điện lực Việt Nam
(Electricity of Vietnam)

4

KLN

Kim loại nặng

5

MKN

Mất khi nung

6

NMNĐ

Nhà máy nhiệt điện Mông Dương

7

PCC

Công nghệ đốt than phun

8

TCVN

Tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia Việt Nam

9

TKV

Tập đoàn Than - Khoáng sản Việt Nam

vi


MỞ ĐẦU
Sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp ở nước ta trong những
năm gần đây kéo theo sự gia tăng về chất thải, đặc biệt là các ngành công nghiệp

năng lượng. Tại nước ta có rất nhiều Nhà máy nhiệt điện sử dụng nguồn nhiên liệu
là than và hàng năm lượng tro xỉ phế thải thải ra rất lớn, gây ảnh hưởng đến môi
trường. Thống kê cho thấy, công suất phát điện của các Nhà máy điện đốt than
trong nước trên 5.000MW chạy bằng than antraxit trong nước, với lượng tiêu thụ
hàng năm vào khoảng 16 triệu tấn than. Lượng tro xỉ thải ra là 5,7 triệu tấn. Từ năm
2013, riêng lượng tro xỉ thải hàng năm tại 5 nhà máy nhiệt điện đốt than của Tập
đoàn Than - Khoáng sản Việt Nam (TKV) khi phát đủ công suất ước tính khoảng
2,8 triệu tấn/năm. Dự báo đến năm 2030, khi tổng công suất nhiệt điện đốt than của
cả nước tăng lên khoảng 77.000MW, kéo theo đó là lượng than tiêu thụ là 176 triệu
tấn thì lượng tro xỉ thải sẽ đạt 35 triệu tấn/năm [9]. Điều đó đặt ra những bài toán
lớn về môi trường, bãi thải, chi phí xử lý cần đáp ứng.
Những năm gần đây việc tái sử dụng tro xỉ đang được chú ý do chi phí xây
dựng bãi thải cũng như chi phí đổ thải tăng, nhiều Nhà máy đã áp dụng biện pháp
tái sử dụng nguồn tro xỉ thải nhằm giảm thiểu được nguồn thải và tiết kiệm được
các chi phí. Năm 2005, các nhà máy điện đốt than ở Mỹ đã tái sử dụng được 40%
tro xỉ trong các ứng dụng khác nhau [20]. Một lợi thế về môi trường khác là nếu tái
sử dụng được tro xỉ thì sẽ thay thế được các nguyên liệu nguyên sơ khác, tiết kiệm
được chi phí để khai thác và chế biến chúng. Việc tái sử dụng tro xỉ như là một vật
liệu công nghệ chủ yếu xuất phát từ bản chất của tro xỉ: có kết cấu tương tự như cát
và sỏi, có thể được ứng dụng trong việc sản xuất vật liệu xây dựng.
Vì vậy, việc nghiên cứu tìm ra các giải pháp công nghệ để xử lý nguồn phế
thải này nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tạo ra những sản phẩm có ích cho
xã hội là một việc làm rất có ý nghĩa.
Theo các nghiên cứu và ứng dụng đã được thực hiện, vật liệu xây dựng đặc
biệt là các loại gạch được làm từ tro xỉ có những đặc tính như cách âm tốt hơn đất
1


nung, chống thấm, chịu nhiệt độ cao. Với những công nghệ sản xuất như vậy, quy
trình này thích hợp với những cơ sở sản xuất vật liệu xây dựng thủ công nhỏ và vừa

vì vốn đầu tư không nhiều, và tái sử dụng được nguồn tro xỉ thải. Từ những đặc tính
đó, việc áp dụng nguyên liệu mới vào sản xuất cần thời gian để người dân có thể
thấy được tính năng của loại gạch với nhiều ưu điểm, giá thành cũng giảm so với
loại gạch được sản xuất từ các loại nguyên liệu truyền thống như gạch nung sử dụng
đất sét, gạch xi măng cốt liệu sử dụng mạt đá.
Xuất phát từ thực tiễn trên, tôi tiến hành thực hiện đề tài: ‘‘Nghiên cứu sử
dụng tro xỉ Nhà máy Nhiệt điện Mông Dương trong sản xuất vật liệu xây
dựng”
Mục tiêu nghiên cứu:
Nghiên cứu, tận dụng tro đáy tại Nhà máy Nhiệt điện Mông Dương làm vật
liệu xây dựng.
Nội dung nghiên cứu:
- Tổng quan về tro xỉ, lượng xả thải và phương pháp tận dụng tro xỉ hiện nay
ở Việt Nam và Thế giới;
- Nghiên cứu tính chất vật lý, thành phần hóa học của tro xỉ (tro đáy) của nhà
máy nhiệt điện Mông Dương 1;
- Đề xuất biện pháp tái sử dụng tro đáy bằng phương pháp sản xuất gạch
nung và gạch xi măng cốt liệu;
- Tính toán lợi ích kinh tế khi tận dụng nguồn tro đáy, lợi ích khi thay thế
nguồn nguyên liệu như đất sét trong sản xuất gạch nung và mạt đá trong sản xuất
gạch xi măng cốt liệu.

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về tro xỉ
Trong các nhà máy nhiệt điện, sau quá trình đốt cháy nhiên liệu than đá phần
phế thải rắn tồn tại dưới hai dạng: Tro thu được trong hệ thống lọc bụi tĩnh điện là tro
bay (fly ash), tro thu được ở đáy của quá trình đốt tầng sôi gọi là tro đáy (bottom ash).

1.1.1.Tro bay và đặc tính
Trước đây ở châu Âu cũng như ở Vương quốc Anh phần tro này thường được
cho là tro của nhiên liệu đốt đã được nghiền mịn [32]. Nhưng ở Mỹ, loại tro này được
gọi là tro bay bởi vì nó thoát ra cùng với khí ống khói và “bay” vào trong không khí.
Và thuật ngữ tro bay (fly ash) được dùng phổ biến trên thế giới hiện nay để chỉ phần
thải rắn thoát ra cùng các khí ống khói ở các nhà máy nhiệt điện.
Theo cách phân loại của Canada, tro bay được chia làm ba loại:

 Loại F: Hàm lượng CaO ít hơn 8%
 Loại CI: Hàm lượng CaO lớn hơn 8% nhưng ít hơn 20%
 Loại C: Hàm lượng CaO lớn hơn 20%
Trên thế giới hiện nay, thường phân loại tro bay theo tiêu chuẩn ASTM
C618. Theo cách phân loại này thì phụ thuộc vào thành phần các hợp chất mà tro
bay được phân làm hai loại là loại C và loại F [11] được trình bày trong bảng 1.1
dưới đây.
 Phân loại theo tiêu chuẩn ASTM C618:

 Tro bay là loại F nếu tổng hàm lượng (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) lớn hơn 70%.
 Tro bay là loại C nếu tổng hàm lượng (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) nhỏ hơn 70%.
Cụ thể, quá trình phân loại tro bay theo tiêu chuẩn ASTM C618 được trình bày
trong bảng 1.1:

3


Bảng 1.1: Tiêu chuẩn tro bay theo ASTM C618 [11]
Các yêu cầu theo tiêu chuẩn ASTM
C618

Đơn vị

Lớn nhất
/nhỏ nhất

Nhóm
F

Nhóm
C

Yêu cầu hóa học
Tổng hàm lượng
(SiO2 + Al2O3 + Fe2O3)

%

nhỏ nhất

70

50

SO3

%

lớn nhất

5

5

Hàm lượng ẩm

%

lớn nhất

3

3

Hàm lượng mất khi nung (MKN)

%

lớn nhất

5

5

1,5

1,5

Yêu cầu hóa học không bắt buộc
Chất kiềm

%

Yêu cầu vật lý

Độ mịn (+325)

%

lớn nhất

34

34

Hoạt tính pozzolanic so với xi măng (7
ngày)

%

nhỏ nhất

75

75

Hoạt tính pozzolanic so với xi măng (28
ngày)

%

nhỏ nhất

75

75

Lượng nước yêu cầu

%

lớn nhất

105

105

Độ nở trong nồi hấp

%

lớn nhất

0,8

0,8

Yêu cầu độ đồng đều về tỷ trọng

%

lớn nhất

5

5

Yêu cầu độ đồng đều về độ mịn

%

lớn nhất

5

5

 Các đặc trưng của tro bay
Thành phần hóa học trong tro bay:
Tro bay của các nhà máy nhiệt điện gồm chủ yếu các sản phẩm tạo thành từ
4


quá trình phân hủy và biến đổi của các chất khoáng có trong than đá [16]. Thông
thường, tro ở đáy lò chiếm khoảng 25% và tro bay chiếm khoảng 75% tổng lượng
tro thải ra. Hầu hết các loại tro bay đều là các hợp chất silicat bao gồm các oxit kim
loại như SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO, CaO,… với hàm lượng than chưa cháy chỉ
chiếm một phần nhỏ so với tổng hàm lượng tro, ngoài ra còn có một số kim loại
nặng như Cd, Ba, Pb, Cu, Zn,... Thành phần hóa học của tro bay phụ thuộc vào
nguồn nguyên liệu than đá sử dụng để đốt và điều kiện đốt cháy trong các nhà máy
nhiệt điện. Thành phần hóa học của tro bay tại một số quốc gia được trình bày trong
bảng 1.2:
Bảng 1.2: Thành phần hóa học của tro bay tại các quốc gia [29]

Tỷ lệ (% khối lượng)

Thành phần
Châu Âu

Mỹ

Trung Quốc

Ấn Độ

Australia

SiO2

28,5-59,7

37,8-58,5

35,6-57,2

50,2-59,7

48,8-66,0

Al2O3

12,5-35,6

19,1-28,6

18,8-55,0

14,0-32,4

17,0-27,8

Fe2O3

2,6-21,2

6,8-25,5

2,3-19,3

2,7-14,4

1,1-13,9

CaO

0,5-28,9

1,4-22,4

1,1-7,0

0,6-2,6

2,9-5,3

MgO

0,6-3,8

0,7-4,8

0,7-4,8

0,1-2,1

0,3-2,0

Na2O

0,1-1,9

0,3-1,8

0,6-1,3

0,5-1,2

0,2-1,3

K2 O

0,4-4,0

0,9-2,6

0,8-0,9

0,8-4,7

1,1-2,9

P2O5

0,1-1,7

0,1-0,3

1,1-1,5

0,1-0,6

0,2-3,9

TiO2

0,5-2,6

1,1-1,6

0,2-0,7

1,0-2,7

1,3-3,7

MnO

0,03-0,2

-

0,5-1,4

SO3

0,1–12,7

0,1–2,1

1,0–2,9

-

MKN

0,8–32,8

0,2–11,0

-

0,5-5,0

-

5

0,1–0,6
-


Tùy thuộc vào loại nhiên liệu mà thành phần hóa học trong tro bay thu được
khác nhau. Các nhà khoa học Ba Lan tiến hành nghiên cứu thành phần hóa học của tro
bay với hai nguồn nguyên liệu sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện của nước này là
than nâu và than đen [34] và được trình bày tại bảng 1.3:
Bảng 1.3: Thành phần hóa học tro bay ở Ba Lan từ các nguồn nguyên liệu [34]
Loại tro

Thành phần

bay
SiO2

Al2O3

Fe2O3

TiO2

MgO

CaO

ZS-14

54,1

28,5

5,5

1,1

1,9

1,8

ZS-17

41,3

24,1

7,1

1,0

2,0

2,7

ZS-13

27,4

6,6

3,8

1,0

8,2

34,5

ZS-16

47,3

31,4

7,7

1,6

1,9

1,7

Than đen

Than nâu

Kết quả trên cho thấy, thành phần của các loại tro bay có được sau quá trình đốt

cháy than đen (ZS-14 và ZS-17) và mẫu tro bay có được sau quá trình đốt cháy than
nâu (ZS-16) là các nhôm silicat. Còn mẫu tro bay có được sau quá trình đốt cháy than
nâu (ZS-13) là loại canxi silicat.
Các thí nghiệm khảo sát thành phần hóa học trong các mẫu tro bay ở các nước
khác cũng đã được tiến hành và thu được các kết quả tương tự. Đa số các mẫu tro bay
ở Trung Quốc có thành phần chủ yếu là SiO2 và Al2O3, hàm lượng của chúng vào
khoảng 650 g/kg đến 850 g/kg. Các thành phần khác bao gồm lượng than chưa cháy,
Fe2O3, MgO và CaO. Tro bay Trung Quốc chứa hàm lượng than chưa cháy cao là do
hệ thống lò đốt ở các nhà máy nhiệt điện ở Trung Quốc. Theo tiêu chuẩn phân loại
ASTM C618 thì tro bay Trung Quốc thuộc loại C hay tro bay có chất lượng thấp. Điều
6


này ảnh hưởng lớn đến các ứng dụng của tro bay ở Trung Quốc [12].
1.1.2. Tro đáy và đặc tính tro đáy
Tro đáy là loại to và thô hơn tro bay, có màu xám đen, dạng hạt, xốp. Tro
đáy không thể bay theo khí thải và nằm ở dạng vật liệu thô ở đáy lò đốt. Khi than
được đốt cháy thì có khoảng 20% tro đáy nằm ở dưới đáy lò.
Tính chất vật lý của tro đáy:
Các kết quả nghiên cứu cho thấy tro đáy có kích thước các hạt không đồng
đều từ 0,1mm đến 50 mm và kết cấu bề mặt xốp. Tro đáy có kích thước từ hạt sỏi
cho đến cát mịn. Tro đáy có kích thước như hạt cát, thường có tỷ lệ lọt sàng 45mm
là 50-90%, tỷ lệ lọt sàng 0.42mm là 10-60%, lọt sàng 0.075mm là 0-10% và kích
thước lớn nhất là hơn 19mm. Kích thước hạt tro đáy từ các Nhà máy nhiệt điện tại
Mỹ được trình bày trong bảng 1.4:
Bảng 1.4: Kích thước hạt tro đáy từ các nhà máy nhiệt điện ở Mỹ [30]
Kích thước

NM Glasgow

NM New Haven

NM Moundsville

38

100

99

100

19

100

95

100

9,5

100

87

73

4,75

90

77

52

2,36

80

57

32

1,18

72

42

17

0,6

65

29

10

0,3

56

19

5

0,15

35

15

2

0,075

9

4

1

(mm)

Nguồn: Moulton và lyle, 1973

7

Tro đáy có tỷ trọng thấp, dao động từ 2,3 – 3. Với tỷ trọng thấp, tro đáy có
kết cấu hạt xốp, vì vậy mà có thể dễ dàng nghiền nhỏ. Tỷ trọng của tro đáy phụ
thuộc vào từng loại than, công nghệ đốt than của từng nhà máy nhiệt điện và các
phương pháp xử lý và lưu trữ tro đáy. Tính chất vật lý đặc trưng của tro đáy được
trình bày trong bảng 1.5:
Bảng 1.5: Một số tính chất vật lý của tro đáy [10]
Kích thước

Tỷ trọng

Tỷ trọng khối

Diện tích bề mặt riêng

(mm)

(g/cm3)

(g/cm3)

(m2/g)

0,1 – 50

2,3 – 3,0

1,15 – 1,76

0,17 – 1

Thành phần hóa học của tro đáy:
Thành phần hóa học chính của tro đáy bao gồm SiO2, Al2O3, Fe2O3 và một số
hợp chất khác. Các thành phần hóa học tiêu biểu trong tro đáy được trình bày tại
bảng 1.6:
Bảng 1.6: Các thành phần hóa học của tro đáy tiêu biểu [10]
STT

Thành phần

Hàm lượng

1

MKN

1,72

2

SiO2

53,03

3

Fe2O3

3,9

4

Al2O3

14,15

5

CaO

14

6

MgO

1,91

7

SO3

7,44

8

K2O

2,36

9

Na2O

0,0

10

TiO2

0,66

11

CaSO4

5,69
Nguồn: Viện vật liệu xây dựng, 2010
8


Nồng độ một số kim loại nặng trong thành phần của tro đáy được thể hiện
trong bảng 1.7:
Bảng 1.7: Nồng độ một số nguyên tố vi lượng trong tro đáy (mg/kg) [11]
STT

Thành phần

Than bùn

Than á bitum

Than bitum

Than
antraxit

1

As

-

25-30

1,8

<5

2

B

-

321-467

15,3

-

3

Ba

62-109

428-523

-

-

4

Cd

<5

0,5-0,6

0,3

<2

5

Co

3-7

10-13

17,5

6

Cr

47-194

65-99

47

21-30

7

Cu

18-121

33-49

32

42-80

8

Hg

0,4-1,6e

-

-

<0,5

9

Li

4-30e

93402-147295

28

-

10

Mn

97-328e

34-53

991

-

11

Ni

30-293

16-29

30

-

12

Pb

5-33

59-99

2,6

62-80

13

Zn

33-226

-

47

1250-2000

Thành phần hóa học của tro đáy phụ thuộc vào chủng loại than đã sử dụng và
công nghệ đốt than ở các nhà máy nhiệt điện. Hiện tại, các Nhà máy nhiệt điện hầu
hết sử dụng loại than đá hoặc than nâu. Sự khác nhau bày được trình bảy trong bảng
1.8:

9


Bảng 1.8: Khác biệt về thành phần hóa học của tro đáy sau khi đốt than [8]
Thành phần hóa học

Than đá

Than nâu

Tổng hàm lượng (SiO2, Al2O3, Fe2O3), %

75 – 78

50 – 60

Hàm lượng SO3, %

0,15

8 – 10

Hàm lượng CaO, %

0,8

15

Đối với các nhà máy điện sử dụng than trong nước, tỷ lệ than không cháy hết
còn lại trong tro rất cao, vào khoảng 20-30%. Để đảm bảo đạt chỉ tiêu làm phụ gia
xi măng, tro phải đưa qua dây chuyền xử lý tro xỉ để tuyển tro nhằm giảm lượng
carbon không cháy hết trong tro còn khoảng dưới 6%.
Theo các báo cáo nghiên cứu khoa học, quá trình thu hồi tro xỉ không đơn
giản bởi phần lớn các nhà máy nhiệt điện đang hoạt động tại Việt Nam đều chưa có
hệ thống thu hồi chất thải, hoặc có nhưng hiệu quả thấp và không đồng đều. Đối với
các nhà máy như Nhà máy Nhiệt điện Ninh Bình, Phả Lại I, Uông Bí sử dụng công
nghệ đốt than phun PCC, chất thải, khí SOx phần lớn thoát ra môi trường.
Ngoài ra, nguồn cung cấp than nhiên liệu cho các nhà máy nhiệt điện thường
sử dụng là loại than chất lượng thấp, có độ tro lớn hơn 32%, thậm chí đến 45% nên
các nhà máy nhiệt điện thải ra một lượng tro xỉ khá lớn, có thể từ 20-30% lượng
than sử dụng.
Đặc thù than antraxit của Việt Nam được sử dụng tại các nhà máy nhiệt điện
là có hàm lượng chất bốc thấp, chỉ từ 10-15%. Trong khi đó, độ tro trong than đầu
vào, hiệu suất của lò hơi đốt loại than này thường thấp, tro xỉ sau quá trình đốt than

antraxit còn tồn tại khá lớn hàm lượng than chưa cháy hết có thể lên đến 30%. Việc
áp dụng các biện pháp để tăng cường mức độ cháy kiệt có thể dẫn đến thông số hơi
không cao hoặc phát thải khí NOx lớn.

10


1.1.3. Các nghiên cứu tái sử dụng tro xỉ trên Thế giới và Việt Nam
1.1.3.1. Các nghiên cứu tái sử dụng tro xỉ trên Thế giới
Sản lượng tro bay:
Theo ước tính, lượng tro bay thải ra trên toàn cầu vào khoảng trên 700 triệu
tấn. Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay của một số nước được trình bày trong
bảng 1.9.
Bảng 1.9: Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay ở một số nước [22]
STT

Nước sản

Sản lượng tro bay hàng

Tro bay sử dụng

xuất

năm (triệu tấn)

(%)

480

67

Trung Quốc
1
(2010)
2

Ấn Độ (2012)

131

54

3

Mỹ (2010)

70

45

4

Đức

40

85

5

Anh

15

50

6

Australia

10

85

7

Canada

6

75

8

Pháp

3

85

9

Đan Mạch

2

100

10

Ý

2

100

Các nghiên cứu tái sử dụng tro bay
Tro bay đã được sử dụng rất thành công trong ngành công nghiệp bê tông
trên thế giới hơn 50 năm qua. Ở Mỹ có hơn 6 triệu tấn và ở châu Âu là hơn 9 triệu
tấn đã được sử dụng trong xi măng và bê tông [16]. Đã có nhiều nghiên cứu trong
thời gian gần đây sử dụng bê tông tro bay, bao gồm các đập ngăn nước, các nhà
11


máy điện, các công trình ngoài biển, các đường hầm dưới biển, đường cao tốc, sân
bay, các tòa nhà thương mại hay dân cư, các đường ống dẫn,...
Đến năm 2008, tổng lượng các sản phẩm từ đốt than đá của các nhà máy
nhiệt điện ở Châu Âu là 58 triệu tấn, trong đó tro bay chiếm gần 68% tương đương
khoảng 39 triệu tấn. Khoảng 18 triệu tấn tro bay được sử dụng trong công nghiệp

xây dựng và san lấp hầm mỏ. Phần lớn tro bay làm phụ gia bê tông, kết cấu đường
và làm vật liệu để sản xuất clinke xi măng. Tro bay cũng được sử dụng trong xi
măng trộn, bê tông khối [20].
Tại Ấn Độ, Chính phủ nước này đã có nhiều quy định để nâng cao nhận thức
về lợi ích của việc sử dụng tro bay cho các sản phẩm khác nhau [27]. Tro bay là một
nguyên liệu tiềm năng tuyệt vời cho sản xuất vật liệu xây dựng như xi măng pha
trộn, gạch tro bay, gạch ốp lát và các khối rỗng trong xây dựng. Chúng được ứng
dụng một lượng lớn để rải đường, xây dựng và lấp hầm mỏ. Sản phẩm tro bay có
nhiều lợi thế hơn so với các loại sản phẩm thông thường.
Lượng xi măng sử dụng trong sản xuất sản phẩm xây dựng có thể giảm bằng
cách thay thế bằng tro bay và lượng tro bay thay thế có thể lên đến 50%. Những sản
phẩm chứa tro bay có độ bền cao, hiệu quả hơn và tiết kiệm đáng kể nguyên liệu.
 Tro bay sử dụng trong lĩnh vực xây dựng
Tro bay dùng làm vật liệu lấp: Tro bay có thể dùng để phục hồi và cải tạo các
vùng đất yếu bởi các hoạt động khác. Tro bay được sử dụng cho phát triển các công
trình công cộng như công viên, bãi đậu xe, sân chơi,... Tro bay có độ bền tương
đương hoặc lớn hơn đất nên thường được sử dụng trong các lĩnh vực bồi đắp đất
Tro bay trong bê tông: Tro bay cải thiện độ bền và kết cấu của bê tông dẫn
đến tăng tuổi thọ của đường. Thông thường, tro bay có thể thay thế từ 15 đến 30%
xi măng portland [16]. Hiện nay, tro bay được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng với
các mục đích khác nhau như làm phụ gia cho bê tông xi măng [28] làm chất độn
cho bê tông asphalt [39]. Một số công trình xây dựng nổi tiếng trên thế giới đã sử

12


dụng tro bay trong bê tông như đập Puylaurent ở Pháp, cây cầu Great Belt East nối
Copenhagen (Đan Mạch) với những vùng đất của trung tâm châu Âu,... [19].
Gạch không nung từ tro bay: Gạch không nung từ tro bay được tạo thành từ
tro bay, cát và xi măng, trong đó tro bay là chất độn chính và cát là chất độn thứ hai.

Còn xi măng làm chất kết dính tất cả các nguyên liệu với nhau. Ở Đức, tro bay được
ứng dụng để sản xuất gạch xây nhà. Các khối gạch này được tạo ra từ hỗn hợp của
tro xỉ, tro bay, đá vôi và nước được ép thành khuôn [19].
Gạch ốp lát từ tro bay: Gạch ốp lát gồm hai lớp: lớp mặt và lớp nền. Lớp mặt
là hỗn hợp gồm nhựa men, xi măng, bột tro bay và đôlômit. Lớp nền là hỗn hợp
gồm tro bay bán khô, xi măng và bụi mỏ đá [13].
Tro bay sử dụng làm vật liệu cốt nhẹ: Cốt liệu từ sản phẩm tro bay có thể
được sử dụng cho một loạt các ứng dụng trong ngành công nghiệp xây dựng, bao
gồm thành phần xây dựng, thành phần bê tông đúc sẵn, bê tông trộn sẵn cho các tòa
nhà cao tầng,… [13].
 Tro bay dùng trong nông nghiêp ̣
Một ứng dụng trực tiếp của tro bay là một tác nhân cải tạo đất nông nghiệp
[21,38]. Phần lớn các loại cây trồng thích hợp với môi trường pH là 6,5-7 cho sự
phát triển. Việc bổ sung tro bay kiềm cho đất chua có thể làm tăng độ pH. Phần lớn
các nghiên cứu đã chứng tỏ khả năng của tro bay làm tăng độ pH của đất có môi
trường axit bằng sử dụng tro bay loại C, tức là tro bay với hàm lượng CaO cao
(>15%) [31].
 Tro bay dùng công nghiệp gia công chất dẻo
Tro bay là vật liệu phế thải của quá trình sản xuất điện năng từ các nhà máy
nhiệt điện sử dụng nhiên liệu than đá. Với thành phần chủ yếu là các oxit kim loại
như oxit silic, oxit nhôm,… kích thước hạt mịn và giá thành rẻ, ngoài những ứng
dụng hết sức hiệu quả trong các ngành xây dựng, tro bay bay còn có một tiềm năng

13


lớn trong lĩnh vực làm chất độn cho polyme. Trong số các nhựa nhiệt dẻo thì
Polyetylen (PE) và Polypropylen (PP) được sử dụng phổ biến nhất.
Nath và cộng sự đã chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở PP gia cường bởi
một hàm lượng lớn tro bay (60%) có kích thước hạt 5-60μm bằng phương pháp đúc

phun ở 2100C. Theo các tác giả, trong điều kiện khí quyển, nhóm OH hoặc ion trên
bề mặt kim loại hoặc oxit kim loại như tro bay có vai trò quan trọng trong hình
thành các liên kết vật lý giữa bề mặt tro bay với nền polyme [29].
Vật liệu compozit 10% tro bay có độ bền kéo đứt, modul đàn hồi cao hơn hạt
nhựa tái sinh (LDPE) và vật liệu compozit 10% CaCO3. Tro bay cải thiện tính chất
cơ học của LDPE cao hơn so với CaCO3 vì tro bay có khả năng liên kết với polyme
nền tốt hơn CaCO3. Vật liệu compozit/tro bay đã được các hãng chế tạo ô tô
General Motor dùng để chế tạo một số chi tiết như kẹp định vị, mắc dây điện bên
trong thân ô tô [29].
Vật liệu polyme compozit sử dụng tro bay làm chất độn và vải đay làm chất
gia cường. Sau khi xử lý, vải đay được chuyển vào chất nền để cán thành tấm. Các
tấm được sấy khô ở nhiệt độ và áp suất cụ thể. Số lượng tấm được sử dụng theo độ
dày yêu cầu. Vật liệu polyme/tro bay compozit sử dụng vải đay gia cường để thay
thế vật liệu gỗ trong nhiều sản phẩm như cửa chớp, vách ngăn, gạch lát nền, tấm
tường, trần,… [33].
Tro bay cùng với các phụ gia khác như bột kim loại và với chất dẻo đưa vào
cao su tái sinh để chế tạo tấm lát đường ngang xe lửa [33]. M. Hossain và các cộng
sự nghiên cứu của trường Đại học Kansas đã công bố kết quả sử dụng cao su tái chế
từ lốp ô tô để làm lớp asphalt trải đường có sử dụng phụ gia tro bay [38]. Đây là
công trình rất có giá trị về khoa học môi trường, khi công trình này được áp dụng
thì một lượng lớn lốp ô tô phế thải được sử dụng để thay thế nhựa đường và như
vậy sẽ làm giảm giá thành xây dựng.

14


1.1.3.2. Các nghiên cứu tái sử dụng tro đáy trên Thế giới
Trên thế giới việc nghiên cứu sử dụng tro xỉ nhiệt điện đốt than phun chưa
khử khí sulfur SO2, công nghệ tương tự như tại các Nhà máy nhiệt điện Phả Lại,
Uông Bí đã tiến hành từ lâu. Theo tiêu chuẩn của nước Mỹ (ASTM C618), tro xỉ

được phân loại thành các loại F và C, được sử dụng làm phụ gia hoặc nguyên liệu
cho sản xuất vật liệu xây dựng như xi măng, vữa, bê tông...
Tuy nhiên với công nghệ mới đốt than tầng sôi tuần hoàn (Circulating
Fluidizing Boiler - CFB) có khử khí sulfur bằng cách dùng chất hấp thụ đá vôi tại
Nhà máy nhiệt điện Mông Dương thì tro xỉ tạo thành có các tính năng và thành
phần khoáng hoá khác hẳn so với tro xỉ than đốt theo công nghệ đốt than phun.
Theo công nghệ đốt than tầng sôi tuần hoàn có khử sulfur CFB thì khí dioxit sulfur
(SO2) thoát ra khi đốt cháy than sẽ tác dụng với chất hấp phụ (đá vôi) mà hình thành
thạch cao, bên cạnh đó cũng tồn tại vôi tự do (CaO) trong tro xỉ nhiệt điện.
Các nghiên cứu ứng dụng của tro đáy
 Tro đáy sử dụng làm Cốt liệu cho bê tông nhựa:
Tro đáy được sử dụng như cốt liệu trong bê tông nhựa từ đầu những năm của
thập niên 1970. Theo báo cáo của Hiệp hội tro than Mỹ (American Coal Ash
Association), vào năm 2006 đã có hơn 19000 tấn tro đáy đã được sử dụng làm cốt
liệu cho bê tông nhựa [19].
Tro đáy được sử dụng như cốt liệu mịn trong hỗn hợp bê tông nhựa nóng và
bê tông nhựa nguội và trong xây dựng đường. Tro đáy có độ bền nhỏ hơn các cốt
liệu thông thường nên hỗn hợp bê tông nhựa sử dụng cốt liệu là tro đáy thường
được sử dụng để làm nền đường mặc dù các nghiên cứu cho thấy, bê tông nhựa sử
dụng 15% tro đáy làm cốt liệu có hiệu năng tương đương với bê tông nhựa nóng sử
dụng những cốt liệu thông thường khác [23].
Tại West Virginia và miền đông Ohio, trong suốt những năm của thập niên
1970 và 1980, tro đáy được sử dụng rộng rãi làm cốt liệu bê tông nhựa nguội
15


(chiếm 7 - 8% về khối lượng trong bê tông). Loại bê tông nhựa này được sử dụng
rải nhựa lớp 2 (do yêu cầu độ bền thấp hơn). Để cải thiện tính chất loại bê tông nhựa
này, người ta thường bổ sung thêm xỉ.
 Tro đáy sử dụng làm vật liệu đắp nền dạng hạt:

Tro đáy được sử dụng làm cốt liệu mịn để làm nền, móng cho các công trình
đường bộ và các bãi đậu xe. Tro đáy được sử dụng rộng rãi làm vật liệu đắp nền từ
đầu những năm thập niên 1970. Báo cáo của Hiệp hội tro than Mỹ (American Coal
Ash Association) cho thấy trong năm 2006, 815.000 tấn tro đáy đã được sử dụng
làm nền cho các công trình xây dựng [19].
 Tro đáy làm phụ gia cho sản xuất xi măng Portland và geopolimer:
Xi măng Portland (OPC), là loại vật liệu được sử dụng phổ biến nhất trên
toàn thế giới, nó là thành phần cơ bản của bê tông, vữa, hồ. Có thành phần chủ yếu
là clinke Portland chiếm tỉ lệ 95 - 96% và thạch cao chiếm tỉ lệ 4-5%. Ngoài ra, khi
thêm các chất phụ khác vào thành phần của xi măng Portland (xỉ lò cao, tro than,
pozzolan tự nhiên, v.v., nhưng hàm lượng phụ gia kể cả thạch cao không quá 40%
và trong đó phụ gia đầy không quá 20%), thì những loại xi măng Portland này được
gọi là xi măng Portland hỗn hợp.
Tro đáy có thể được sử dụng như pozzolan hoặc như nguyên liệu thay thế
của xi măng Portland .Các nghiên cứu cho thấy tro đáy có khả năng làm tăng hoạt
tính của pozzolan, tăng cường độ 28 ngày lên tới 27%. Hỗn hợp xỉ quặng cùng với
tro đáy được sử dụng làm nguyên liệu thay thế xi măng portland. Hỗn hợp vữa sử
dụng 10% tro đáy có cường độ nén lên tới 45,1 N mm-2, cường độ này phù hợp với
các công trình xây dựng [34].
Geopolymer hay còn gọi là polymer vô cơ được nhà khoa học người Pháp
Joseph Davidovits đặt tên năm 1970, là một loại vật liệu rắn tổng hợp từ nguyên
liệu aluminosilicate với một dung dịch kiềm để tạo ra sản phẩm bền và có cường độ.
Như vậy, nguyên liệu để chế tạo vật liệu geopolymer gồm hai thành phần chính là
16


nguyên liệu ban đầu và chất hoạt hóa kiềm. Nguyên liệu ban đầu thường ở dạng
aluminosilicate nhằm cung cấp nguồn Si và Al cho quá trình geopolymer hóa. Chất
hoạt hóa kiềm phổ biến nhất là các dung dịch NaOH, KOH và thủy tinh lỏng natri
silicat nhằm tạo môi trường kiềm và thực hiện phản ứng geopolymer hóa.

Cường độ của geo-polymer được tăng lên đáng kể nếu sử dụng tro đáy và
Sodium Silicate (Na2SiO3) và NaOH. Các loại vữa geopolymer chứa 3% tro đáy có
cường độ lên tới 24-58 MPa [15].
 Ứng dụng tro đáy trong xử lý nước thải
Các nghiên cứu đã chứng tỏ tro đáy có thể sử dụng để xử lý nước thải. Tro
đáy là một chất hấp phụ tiềm năng để loại bỏ thuốc nhuộm độc hại đã được nghiên
cứu rộng rãi. Hỗn hợp tro đáy và bã đậu nành có thể loại bỏ được thuốc nhuộm azo
tan trong nước trong nước thải dệt nhuộm. Hỗn hợp này cũng có thể phát hiện và
loại bỏ thuốc nhuộm Tryphenylmethane và Brilliant Blue FCP- một chất tạo màu sử
dụng trong công nghiệp thuộc da và dệt may. Các loại thuốc nhuộm khác như
Vertigo Blue 49 (CI Blue 49), Orange DNA13 (CI Orange 13) và Xanh Malachite
từ nước thải dệt nhuộm cũng được xử lý hiệu quả bởi tro đáy.
Loại bỏ COD trong than cốc và nước thải sản xuất giấy bằng tro đáy cũng đã
được nghiên cứu. Các nghiên cứu chỉ ra rằng nếu sử dụng nồng độ 10 g tro đáy với
cỡ hạt <0,74 mm trong 100ml nước có thể làm giảm 40% thông số COD.
Tro đáy cũng có thể được sử dụng hiệu quả trong xử lý nước thải bằng hệ
thống đất ngập nước. Các thành phần như silicon và nhôm trong tro đáy có khả
năng hấp phụ tốt. Silic và nhôm có trong tất cả các loại than, vì vậy mà tro đáy có
thể được sử dụng như chất hấp phụ hiệu quả. Bảng 1.10 tóm tắt khả năng xử lý ô
nhiễm của tro đáy.

17