BÁO CÁO NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG BỔ SUNG CÁC LOẠI CHẤT ĐỐT TỪ RÁC THẢI SINH HOẠT CÔNG NGHIỆP VÀ NÔNG NGHIÊP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA: KỸ THUẬT HOÁ HỌC
BỘ MÔN: QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN QUÝ
SINH VIÊN THỰC HIỆN: NGUYỄN THÁI HOÀNG
MSSV: 60900926
CHUYÊN NGÀNH: QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ

TP.HCM. 2013


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ XI MĂNG ĐỐT CHẤT THẢI RẮN TRÊN
THẾ GIỚI ................................................................................................................................ 1
1.1.

Giới thiệu.................................................................................................................... 1

1.1.1.

Chất thải rắn đô thị .............................................................................................. 2

1.1.2.

Bùn thải ............................................................................................................... 3

1.1.3.

Đồng xử lí: Một phần giải pháp........................................................................... 4

1.2. Những nguyên tắc cơ bản khi đồng xử lí MSW và bùn thải trong ngành công
nghiệp Xi măng .................................................................................................................... 5
1.2.1.

Sản xuất Xi măng ................................................................................................ 5

1.2.2.

Đồng xử lí MSW và bùn thải trong ngành công nghiệp xi măng ....................... 8

1.2.3.

Nguyên nhân và động lực để đồng xử lí MSW và bùn thải .............................. 13

1.2.4.

Tác động của đồng xử lí đến chất lượng xi măng và bê-tông ........................... 17

1.2.5.

Sự cân bằng giữa năng lượng sử dụng và đồng xử lí rác .................................. 18

1.2.6.

Tính kinh tế của thực hiện đồng xử lí ............................................................... 19

1.2.7.

Các nguy cơ về sức khỏe và môi trường khi thực hiện đồng xử lí ................... 21

1.2.8.

Những rào cản chính đối với thực hiện đồng xử lí............................................ 22

1.3.

Những đặc điểm kĩ thuật của quá trình đồng xử lí................................................... 23

1.3.1.

Công nghệ tiền xử lí .......................................................................................... 23

1.3.2.

Hệ thống tồn trữ, vận chuyển và nạp ................................................................ 42

1.3.3.

Đồng xử lí chất thải rắn đô thị và bùn thải trong nhà máy xi măng .................. 46

1.3.4.

Hệ thống kiểm soát chất lượng sản phẩm ......................................................... 54

1.3.5.

Phát thải và ô nhiễm không khí ......................................................................... 54

1.3.6.

Các biện pháp về an toàn và sức khỏe............................................................... 61

CHƯƠNG 2. THỰC TRẠNG VÀ TIỀM NĂNG ĐỐT RDF TRONG LÒ XI MĂNG VIỆT
NAM ...................................................................................................................................... 64
2.1.

Thực trạng công tác quản lí chất thải rắn ở Việt Nam ............................................. 64

2.1.1.

Tổng quan chất thải rắn ở Việt Nam ................................................................. 64

2.1.2.

Quản lí chất thải rắn ở Việt Nam ...................................................................... 66

2.2.

Tổng quan về công nghiệp xi măng Việt Nam ....................................................... 68

2.2.1.

Vai trò của ngành xi –măng Việt Nam .............................................................. 69

2.2.2.

Thách thức của ngành xi măng Việt Nam ......................................................... 71

2.3.

Đồng xử lí rác thải trong công nghiệp xi măng Việt Nam....................................... 72
i


2.3.1.

Định hướng đồng xử lí rác thải trong công nghiệp xi măng Việt Nam ............ 72

2.3.2.

Thách thức khi thực hiện đồng xử lí rác thải tại Việt Nam ............................... 73

CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÍ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH ĐỐT CHẤT THẢI TRONG LÒ
NUNG XI MĂNG ................................................................................................................. 75
3.1.

Cơ sở lí thuyết quá trình tạo thành xi măng ............................................................. 75

3.1.1.

Thành phần khoáng hóa của clanhke ................................................................ 75

3.1.2.

Các quá trình trong sản xuất xi măng ................................................................ 76

3.1.3.

Đánh giá chất lượng cho clanhke và xi măng ................................................... 77

3.2.

Cở sở lí thuyết quá trình đốt chất thải trong nhà máy xi măng ................................ 80

3.2.1.

Những đặc tính của chất thải xử lí trong nhà máy xi măng .............................. 80

3.2.2.

Những đặc tính của lò nung xi măng trong xử lí chất thải ................................ 84

3.2.3.

Những ảnh hưởng của việc đồng xử lí đến chất lượng và phát thải của lò ....... 85

3.3.

Nguyên lí hoạt động và cấu hình của bộ preheater/precalciner ............................... 87

3.3.1.

Nguyên lí hoạt động bộ preheater ..................................................................... 87

3.3.2. Nguyên lí hoạt động bộ precalciner ...................................................................... 88
3.3.3 Một số cấu hình preheater/precalciner ................................................................... 88
CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI
MĂNG SỬ DỤNG RDF TỪ MSW ...................................................................................... 92

4.1.

Quy trình công nghệ ................................................................................................. 92

4.1.1.

Phân xưởng sản xuất xi măng ........................................................................... 92

4.1.2.

Phân xưởng sản xuất RDF ................................................................................. 93

4.2.

Tính toán phối liệu ................................................................................................... 93

4.2.1.

Tính chất, thành phần của nguyên liệu và nhiên liệu ........................................ 93

4.2.2.

Tính thành phần phối liệu.................................................................................. 97

4.3.

Tính toán cân bằng vật chất – năng lượng ............................................................. 102

4.3.1.

Tính năng suất dây chuyền sản xuất xi măng.................................................. 102

4.3.2.

Tính tiêu hao nguyên liệu và nhiên liệu .......................................................... 103

4.3.3.

Tính toán quá trình cháy nhiên liệu ................................................................. 105

4.3.4.

Tính toán cân bằng vật chất lò nung ............................................................... 108

4.3.5.

Tính toán cân bằng năng lượng lò nung – máy sấy......................................... 109

4.3.6.

Tính toán cân bằng vật chất năng lượng hệ thống preheater – precalciner ..... 120

4.3.7.

Tính toán dây chuyền sản xuất RDF từ MSW ................................................ 137

4.3.8.

Tổng kết các kết quả tính toán cân bằng vật chất – năng lượng ..................... 144
ii

CHƯƠNG 5. TÍNH TOÁN LÒ NUNG VÀ THIẾT BỊ NẠP LIỆU RDF .......................... 146
5.1.

Tính toán thiết bị nạp liệu RDF ............................................................................. 146

5.1.1.

Tổng quan về thiết bị nạp liệu RDF sử dụng .................................................. 146

5.1.2.

Thiết kế vít nạp liệu RDF ................................................................................ 146

5.1.3.

Chọn các chi tiết máy cho trục vít ................................................................... 151

5.1.4.

Tính toán hệ thống vận chuyển khí động ........................................................ 157

5.2.

Tính toán hệ thống lò nung .................................................................................... 161

5.2.1.

Tính thông số công nghệ lò nung .................................................................... 161

5.2.2.

Tính toán các bộ phận khác trong hệ thống lò nung ....................................... 172

NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN ............................................................................................. 182
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 184

iii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1. 1 Sản lượng xi măng hàng năm của thế giới [2] ......................................................... 1
Hình 1. 2 Thành phần MSW ở Rawalpindi, Pakistan [5] ........................................................ 2
Hình 1. 3 Các phương pháp phân hủy chất thải rắn đô thị ở Trung Quốc năm 2006 [6] ....... 3
Hình 1. 4 Các bước sản xuất xi măng sử dụng công nghệ lò quay khô có
preheater/precalciner [1] .......................................................................................................... 7
Hình 1. 5 Đồng xử lí chất thải nguy hại và không nguy hai trong lò xi măng ở Liên Minh
Châu Âu năm 2003 và 2004 [16] ............................................................................................. 9
Hình 1. 6 Biên dạng nhiệt độ trong một lò quay có preheater và precalciner [10] ............... 11
Hình 1. 7 Biểu đồ xác định việc sử dụng chất thải để đồng xử lí [11] ................................... 11
Hình 1. 8 Hệ thống thứ tự xử lí rác [10] ................................................................................ 13
Hình 1. 9 Phát thải CO2 trong quá khứ và ước lượng của công nghiệp xi măng [19]............ 14
Hình 1. 10 Khí thải nhà kính từ chôn lấp chất thải, thiêu đốt và đồng xử lí [10] .................. 16
Hình 1. 11 So sánh cân bằng CO2 giữa đồng xử lí và chôn lấp 100 kg bùn thải [22] ........... 16
Hình 1. 12 Thành phần hóa học của tro từ bùn thải và clanhke trong giản đồ 3 cấu tử: đá vôi
(CaO) – silic đioxit (SiO2) – các oxit khó nóng chảy (R2O3) [23] ....................................... 17
Hình 1. 13 Thông tin chi tiết về sự gia tăng 10 phần trăm năng lượng sử dụng khi tiền xử lí,
trong bảng 1.5 [25] ................................................................................................................ 19
Hình 1. 14 Một ví dụ chi phí nhiên liệu trong nhà máy xi măng cới mục tiêu sử dụng nhiên

liệu thay thế [25] .................................................................................................................... 21
Hình 1. 15 Một ví dụ về quản lí MSW tích hợp [29] ............................................................ 25
Hình 1. 16 Một ví dụ MBT để sản xuất RDF [28] ................................................................ 26
Hình 1. 17 Sơ đồ khối cho những phương pháp MBT chính [30] ....................................... 26
Hình 1. 18 Phần rác có nhiệt trị cao sau xử lí cơ – sinh học [31] ......................................... 27
Hình 1. 19 Sàng trống quay [32] ............................................................................................ 29
Hình 1. 20 Sơ đồ máy nghiền búa nằm ngang [34] ............................................................... 31
Hình 1. 21 Sơ đồ một máy xé MSW [33] .............................................................................. 31
Hình 1. 22 Sơ đồ qui trình cho một quá trình sấy hầm nhiệt độ thấp [35] .............................. 33
Hình 1. 23 Sơ đồ tiền xử lí bùn thải [21] ............................................................................... 34
Hình 1. 24 Qui trình tiền xử lí và đồng xử lí bùn thải từ một dự án ở Úc ............................... 34
Hình 1. 25 Sử dụng khí lò xi măng để sấy bùn [42] .............................................................. 37
Hình 1. 26 Xử lí bùn bao gồm phân hủy kị khí [43] .............................................................. 38
Hình 1. 27 Sản xuất bột bùn tại Nhật Bản [21] ...................................................................... 40
Hình 1. 28 Sơ đồ sấy bùn bằng năng lượng mặt trời, thông gió tự nhiên [44] ...................... 40
Hình 1. 29 Hệ thống nghiền bùn khô [45] ............................................................................. 41
Hình 1. 30 Xử lí rác thải làm nhiên liệu tại nhà máy xi măng [47] ........................................ 43
Hình 1. 31 Những hệ thống vận chuyển bằng cơ học [48] ..................................................... 44
Hình 1. 32 Ví dụ về hệ thống cân chỉnh và nạp RDF vào precalciner [50] .......................... 44
Hình 1. 33 Ví dụ hệ thống vận chuyển và cân chỉnh để nạp RDF vào béc đốt chính của lò
[42] ......................................................................................................................................... 45
Hình 1. 34 Thiết bị nạp roto (trái) và thiết bị nạp vít (phải) để cân chỉnh nhiên liệu rác [51]
............................................................................................................................................... 45
iv


Hình 1. 35 Công nghệ phun nhiên liệu vào giữa lò của Cadence [49] .................................. 46
Hình 1. 36 Các vùng phản ứng với nhiệt độ tương ứng trong các công nghệ lò khác nhau
[52] ......................................................................................................................................... 48
Hình 1. 37 Những điểm nạp chất thải thông thường [24]...................................................... 49

Hình 1. 38 Mặt cắt ngang một béc đốt đa liệu [25] ............................................................... 49
Hình 1. 39 Béc đốt đa liệu Pillard ROTAFLM và đầu béc để đồng xử lí nhiên liệu thay thế
[54] ......................................................................................................................................... 50
Hình 1. 40 Mối quan hệ giữa kích thước hạt và thời gian cháy hết của các loại nhiên liệu
khác nhau trong lò xi măng [55] ............................................................................................ 51
Hình 1. 41 Những cấu hình precalciner khác nhau để đồng xử lí nhiên liệu thay thế [25] ... 51
Hình 1. 42 Precalciner với buồng đốt KHD Humboldt Wedag [25] ...................................... 52
Hình 1. 43 Buồng đốt HOTDISC của FLSmidth [56] ........................................................... 53
Hình 1. 44 Công nghệ trộn không khí [28]............................................................................ 53
Hình 1. 45 Cường độ xoáy thấp (trái) và cường độ xoáy cao (phải) nhờ thiết bị tạo dòng
xoáy [57] ................................................................................................................................ 54
Hình 1. 46 Phát thải NOx từ một lò xi măng khi có thực hiện đồng xử lí bùn thải và khi
không thực hiện [21] .............................................................................................................. 56
Hình 1. 47 Khái quát các điểm đo lường ở nhà máy xi măng [62] ....................................... 60
Hình 1. 48 Công nghệ CEMS lấy chiết (trái) và tại chỗ (phải) [63] ...................................... 61
Hình 2. 1 Lượng chất thải rắn phát sinh trên các vùng trong cả nước [65] ........................... 64
Hình 2. 2 Tỉ lệ các loại chất thải rắn năm 2008 và dự đoán cho năm 2015 [65]................... 65
Hình 2. 3 Các phương pháp xử lí chất thải rắn ở Việt Nam [65] .......................................... 67
Hình 2. 4 Qui trình công nghệ sản xuất nhiên liệu rắn [71] .................................................. 67
Hình 2. 5 Quản lí tổng hợp chất thải rắn [65] ........................................................................ 68
Hình 2. 6 Vận chuyển lò nung clanhke nhà máy xi măng Công Thanh 2 [73] ..................... 69
Hình 2. 7 Sản xuất và tiêu thụ xi măng qua các năm [74] ..................................................... 70
Hình 2. 8 Nhà máy xi măng Holcim Hòn Chông (Kiên Giang) [76] .................................... 71
Hình 2. 9 Ô nhiễm môi trường xung quanh nhà máy Xi măng Sài Sơn [80] ........................ 72
Hình 3. 1 Các quá trình trong sản xuất xi măng [89] ............................................................ 76
Hình 3. 2 Sự hình thành các pha trong lò nung clanhke [90] ................................................ 78
Hình 3. 3 Những rào chắn phát thải của lò xi măng [93] ...................................................... 85
Hình 3. 4 Nguyên lí hoạt động bộ preheater [97] .................................................................. 87
Hình 3. 5 Nguyên lí hoạt động bộ precalciner [94] ............................................................... 88
Hình 3. 6 Hộp tán liệu của xyclon trao đổi nhiệt [98] ........................................................... 88

Hình 3. 7 Van chặn liệu [98] ................................................................................................. 89
Hình 3.8 Thiết kế cho các xyclon ở các tầng khác nhau [98] ................................................ 89
Hình 3. 9 Các mẫu thiết kế xyclon có tổn áp thấp (LP) ........................................................ 89
Hình 3. 10 Một số cách bố trí precalciner trong hệ thống lò [98] ......................................... 91
Hình 4. 1 Qui trình công nghệ sản xuất xi măng sử dụng RDF từ MSW ............................. 92
Hình 4. 2 Sự giảm cường độ xi măng theo thời gian bảo quản [101] ................................. 102
Hình 4. 3 Biên dạng nhiệt độ dòng khí và dòng liệu trong hệ thống lò nung ..................... 137
v


Hình 4. 4 Phân bố kích thước MSW sau nghiền sơ cấp ...................................................... 143
Hình 5. 1 Phân bố kích thước RDF sau nghiền thứ cấp ...................................................... 147
Hình 5. 2 Các kích thước cơ bản của trục vít [109] ............................................................. 151
Hình 5. 3 Bu-lông nối vít với trục truyền động [109] ......................................................... 151
Hình 5. 4 Trục truyền động lắp tiêu chuẩn [109] ................................................................ 152
Hình 5. 5 Máng vít loại ống kín [109] ................................................................................. 153
Hình 5. 6 Chân đỡ nối qua mặt bích [109] .......................................................................... 153
Hình 5. 7 Nắp cuối máng có mặt chân đế [109] .................................................................. 154
Hình 5. 8 Gioăng làm kín trục Guardian Seal [109] ............................................................ 155
Hình 5. 9 Ổ bi chặn lắp bằng mặt bích [109] ...................................................................... 155
Hình 5. 10 Cửa nạp liệu cơ bản [109].................................................................................. 156
Hình 5. 11 Bích nối máng vít loại ống kín [109] ................................................................. 157
Hình 5. 12 Lớp lót nối trục [109]......................................................................................... 157
Hình 5. 13 Hệ thống vận chuyển khí động RDF vào precalciner [110] .............................. 158
Hình 5. 14 Độ nhớt không khí phụ thuộc vào nhiệt độ [110].............................................. 159
Hình 5. 15 Giản đồ Moody tra hệ số ma sát trượt [110] ..................................................... 160
Hình 5. 16 Giản đồ tra hệ số ma sát cục bộ của đoạn uốn 90o [110]................................... 160
Hình 5. 17 Chọn đường kính lò quay [93]........................................................................... 162
Hình 5. 18 Ứng suất tiếp xúc giữa vành đai và con lăn [114] ............................................. 164
Hình 5. 19 Phân tích lực và mô men tác dụng lên vành đai [114] ...................................... 165

Hình 5. 20 Các kích thước của gạch chịu lửa dùng trong lò xi măng [90].......................... 167
Hình 5. 21 Các kích thước cơ bản của xyclon trao đổi nhiệt [93] ....................................... 172
Hình 5. 22 Phân bố không khí dọc theo ghi làm nguội [112]. ............................................ 179
Hình 5. 23 Hàm lượng cho phép của Clo trên căn bản clanhke [93] .................................. 181

vi


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. 1 Lượng chất thải rắn đô thị ở một số nước trên thế giới năm [6] ............................... 3
Bảng 1. 2 Những đặc tính tiêu biểu của MSW và bùn thải được dùng làm nguồn nhiên liệu
thay thế [9] ............................................................................................................................... 5
Bảng 1. 3 Nhiệt độ và thời gian lưu trong quá trình sản xuất xi măng [10] ........................... 10
Bảng 1. 4 Những nguyên tắc chung đối với đồng xử lí rác thải trong ngành công nghiệp xi
măng [10] ............................................................................................................................... 12
Bảng 1. 5 Một ví dụ về sự cân bằng giữa năng lượng sử dụng và đồng xử lí [25] ................ 19
Bảng 1. 6 Các kĩ thuật phân loại MSW [30] ......................................................................... 28
Bảng 1. 7 Những kĩ thuật giảm kích thước MSW [30] .......................................................... 30
Bảng 1. 8 Chi phí thiết bị sản xuất RDF [36]......................................................................... 33
Bảng 1. 9 Phát thải CO2 trên mỗi tấn bùn khô bởi các phương pháp khác nhau dùng trong
nhà máy xi măng hoặc đem thiêu đốt [22].............................................................................. 38
Bảng 1. 10 Chi phí đầu tư và vận hành hàng năm, và thời gian hoàn vốn cho các phương án
tiền xử lí bùn khác nhau [46] .................................................................................................. 42
Bảng 1. 11 Ảnh hưởng của loại rác nạp vào preheater/precalciner đến phát thải PCDD/PCDF
[60] ......................................................................................................................................... 58
Bảng 1. 12 Ví dụ phát thải từ một lò xi măng sử dụng RDF [61] ......................................... 59
Bảng 2. 1 Thành phần MSW tại TP HCM [66] ..................................................................... 65
Bảng 2. 2 Thành phần MSW tại TP Bắc Ninh [67] ............................................................... 66
Bảng 2. 3 Thành phần MSW tại huyện Thanh Oai, Hà Nội [68] .......................................... 66
Bảng 2. 4 Các công ty Xi măng lớn ở Việt Nam [74] ........................................................... 70

Bảng 3. 1 Các thành phần chính của clanhke [88] ................................................................ 75
Bảng 3. 2 Thành phần hóa các nguyên liệu thô và nguyên liệu đem nung clanhke [89] ...... 76
Bảng 3. 3 Biến đổi hóa học trong quá trình nung nguyên liệu XMP [90]............................. 77
Bảng 3. 4 Tiêu chuẩn quốc gia về chất lượng Xi măng Pooc lăng [92] ................................ 79
Bảng 3. 5 Phân loại các loại nhiên liệu thay thế [93] ............................................................ 80
Bảng 3. 6 Các tính chất cần kiểm tra của nhiên liệu thay thế [93] ........................................ 81
Bảng 3. 7 Nhiệt trị các loại nhiên liệu thay thế và nhiên liệu truyền thống [93] (*= nhiên liệu
truyền thống) .......................................................................................................................... 82
Bảng 3. 8 Điều kiện đồng xử lí chất thải trong lò xi măng [94] ............................................ 83
Bảng 3. 9 Đặc điểm các vị trí nạp nhiên liệu thay thế vào lò NSP [93] ................................ 85
Bảng 3. 10 Mức phát thải cho phép khi đồng xử lí chất thải ở các nước Châu Âu [94] ....... 86
Bảng 4. 1 Yêu cầu kĩ thuật đối với đá vôi sản xuất xi măng Pooc lăng (TCVN 6072:1996) 93
Bảng 4. 2 Yêu cầu kĩ thuật đối với đất sét sản xuất xi măng Pooc lăng (TCVN 6071:1995)
............................................................................................................................................... 93
Bảng 4. 3 Thành phần hóa của đá vôi và đất sét [72] ............................................................ 94
Bảng 4. 4 Thành phần hóa cấu tử điều chỉnh quặng sắt và cát đen [72] ............................... 94
Bảng 4. 5 Thành phần than cám 3 [72] .................................................................................. 95
vii


Bảng 4. 6 Thành phần làm việc của than ............................................................................... 95
Bảng 4. 7 Thành phần hóa của tro than [72] ......................................................................... 95
Bảng 4. 8 Thành phần của RDF căn bản khô (ECN) ............................................................ 96
Bảng 4. 9 Thành phần làm việc của RDF (độ ẩm 5%) .......................................................... 96
Bảng 4. 10 Thành phần tro RDF (ECN) ................................................................................ 97
Bảng 4. 11 Thành phần nguyên liệu chưa nung quy về 100% .............................................. 97
Bảng 4. 12 Thành phần nguyên liệu khô đã nung quy về 100% ........................................... 97
Bảng 4. 13 Thành phần hóa học của từng cấu tử trong clanhke ............................................ 99
Bảng 4. 14 Thành phần nguyên vật liệu chưa nung ............................................................ 101
Bảng 4. 15 Thành phần hóa của phối liệu khô chưa nung................................................... 101

Bảng 4. 16 Độ ẩm của các loại nguyên liệu sản xuất xi măng ............................................ 103
Bảng 4. 17 Tiêu hao các loại nguyên liệu sản xuất xi măng ............................................... 104
Bảng 4. 18 Lượng O2 cần để đốt cháy than ......................................................................... 105
Bảng 4. 19 Lượng O2 cần để đốt cháy RDF ........................................................................ 107
Bảng 4. 20 Kết quả tính toán quá trình đốt nhiên liệu ......................................................... 108
Bảng 4. 21 Cân bằng vật chất trong hệ thống lò.................................................................. 117
Bảng 4. 22 Cân bằng năng lượng trong hệ thống lò ............................................................ 118
Bảng 4. 23 Cân bằng vật chất trong thiết bị làm lạnh clanhke ............................................ 119
Bảng 4. 24 Cân bằng năng lượng trong thiết bị làm lạnh clanhke ...................................... 120
Bảng 4. 25 Bảng số liệu để tính toán preheater- precalciner ............................................... 121
Bảng 4. 26 Cân bằng vật chất các dòng bụi qua các xyclon................................................ 123
Bảng 4. 27 Cân bằng vật chất các dòng khí trong hệ thống xyclon .................................... 126
Bảng 4. 28 Biên dạng nhiệt độ trong preheater - precalciner .............................................. 136
Bảng 4. 29 Thành phần tiêu biểu của MSW [106] .............................................................. 137
Bảng 4. 30 Hàm ẩm của các thành phần MSW [14] ........................................................... 138
Bảng 4. 31 Thành phần MSW đi vào máy sấy .................................................................... 138
Bảng 4. 32 Tính thành phần của MSW sau khi sấy............................................................. 139
Bảng 4. 33 Tỷ trọng của một số thành phần MSW [100] .................................................... 140
Bảng 4. 34 Thành phần dòng nhẹ và dòng nặng ra khỏi máy phân tách khí động .............. 140
Bảng 4. 35 Tính toán nhiệt trị của viên RDF....................................................................... 142
Bảng 4. 36 Các dòng vật chất và năng lượng chính ............................................................ 144
Bảng 5. 1 Tính toán khối lượng riêng của viên RDF .......................................................... 146
Bảng 5. 2 Kích thước các chi tiết trục vít [109] .................................................................. 149
Bảng 5. 3 Các đặc tính của trục vít [109] ............................................................................ 151
Bảng 5. 4 Các đặc tính của bu-lông nối vít với trục truyền động [109] ............................ 1522
Bảng 5. 5 Các đặc tính của trục truyền động [109] ............................................................. 152
Bảng 5. 6 Các đặc tính của các phần máng vít .................................................................... 153
Bảng 5. 7 Các đặc tính của chân đỡ nối qua mặt bích [109] ............................................... 154
Bảng 5. 8 Các đặc tính của nắp cuối máng có chân đế [109] .............................................. 154
Bảng 5. 9 Các đặc tính của gioăng Guardian Seal [109] ..................................................... 155

Bảng 5. 10 Các đặc tính của ổ đỡ trục [109] ....................................................................... 156
Bảng 5. 11 Các đặc tính cửa nạp liệu cơ bản [109] ............................................................. 156
Bảng 5. 12 Các đặc tính của bích nối máng vít [109] ......................................................... 157
viii


Bảng 5. 13 Các đặc tính của lớp lót nối trục [109] .............................................................. 157
Bảng 5. 14 Kết quả tính toán mô men uốn ở từng tiết diện ................................................. 165
Bảng 5. 15 Các điều kiện cho các thông số công nghệ lò nung [93]................................... 167
Bảng 5. 16 Chọn loại gạch theo chiều dài lò ....................................................................... 168
Bảng 5. 17 Tính toán khối lượng vật liệu trong lò .............................................................. 168
Bảng 5. 18 Số liệu tính toán công suất lò quay [115] .......................................................... 170
Bảng 5. 19 Khối lượng riêng của các khí ở điều kiện chuẩn [93] ....................................... 173
Bảng 5. 20 Tính toán V và γt của dòng khí trong các xyclon .............................................. 173
Bảng 5. 21 Tính toán các kích thước của xyclon................................................................. 175
Bảng 5. 22 Số tấm ghi trong thiết bị làm nguội clanhke ..................................................... 178
Bảng 5. 23 Thông số tính toán công suất quạt thiết bị làm nguội clanhke .......................... 179

ix


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Thái Hoàng
Ngành: Quá trình và Thiết bị Hóa

MSSV: 60900926
Lớp: HC09KTMB

Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế dây chuyền công nghệ sản xuất xi-măng bổ sung các loại
chất đốt (RDF) từ rác thải sinh hoạt, công nghiệp và nông nghiệp thay thế nhiên liệu than và
thiết kế thiết bị nạp liệu RDF vào lò nung clinker bằng hệ thống vis tải định lượng
Số liệu ban đầu: Năng suất clanhke 5000 tấn/ngày; thay thế 60% than bằng RDF.
Nội dung thực hiện:
- Tìm hiểu công nghệ xử lí chất thải thành chất đốt và đồng xử lí chất thải trong
sản xuất xi măng trên thế giới.
- Tìm hiểu thực trạng quản lí và xử lí chất thải rắn tại Việt Nam, những tiềm năng
và định hướng công nghệ đồng xử lí chất thải trong nhà máy xi măng ở Việt
Nam.
- Tính toán thiết kế dây chuyền sản xuất xi măng năng suất 5000 tấn clanhke/ ngày
đêm có đốt bổ sung chất đốt (RDF) từ chất thải.
- Tính toán thiết kế hệ thống vis tải định lượng để nạp RDF vào lò xi măng ở trên.
Bản vẽ: Số bản vẽ:……………… bản A0 …………bản A1……………bản A2.
Sản phẩm (phần mềm):
Ngày giao nhiệm vụ: …./…./….
Ngày hoàn thành nhiệm vụ: …./…./….
Họ và tên người hướng dẫn:
Nội dung hướng dẫn %
TS. Nguyễn Quý
100%
…………., ngày…. Tháng…. năm….
Người hướng dẫn chính
(ký ghi rõ họ tên)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

(ký ghi rõ họ tên)

x


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................

.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
…………………., ngày…..tháng…..năm….
Giáo viên hướng dẫn

xi


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................

.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
…………………., ngày…..tháng…..năm….
Giáo viên phản biện

xii


LỜI NÓI ĐẦU
Luận văn tốt nghiệp này là kết quả của quá trình nghiên cứu, tìm tòi, tính toán và thiết kế
hết sức nghiêm túc và chăm chỉ của tôi trong suốt ba tháng, cũng là đúc kết của những kiến
thức đã được tích lũy trong hơn bốn năm học tập và rèn luyện tại trường Đại học Bách
Khoa TP Hồ Chí Minh. Trong quá trình tính toán thiết kế, tôi đã áp dụng không những
những kiến thức lý thuyết trên trường mà còn xem xét những thiết kế từ thực tế sản xuất
đang sử dụng. Luận văn đã trình bày những tiến bộ và hướng phát triển mới trong ngành
công nghiệp xi măng. Đó là việc sử dụng loại lò nung hiện đại có precalciner hay việc đưa
đồng xử lí rác thải trở thành một giải pháp tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.
Trong quá trình thực hiện luận văn, nhờ sự giúp đỡ của các thầy và các bạn học, cùng với
nỗ lực hết mình tìm hiểu kiến thức mới, tôi đã học được rất nhiều điều về quá trình sản xuất

xi măng. Đó là một quá trình phức tạp cần phải vận dụng kiến thức từ nhiều ngành; bao
gồm: kĩ thuật hóa, cơ lưu chất, nhiệt động học, kĩ thuật phản ứng, công nghệ đốt cháy, hóa
học vô cơ, cơ học vật liệu rời và cả kĩ thuật điều khiển và cơ khí. Tôi tin rằng bản thân đã cố
gắng hết mình để thực hiện đề tài một cách tốt nhất, đó cũng là món quà chân thành nhất tôi
gửi tặng đến bố mẹ tôi.
Tôi muốn gửi lời cảm ơn tới:
 Tiến sĩ Nguyễn Quý, giáo viên hướng dẫn của tối, vì sự chỉ dạy tận tình, động viên
và khuyến khích tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
 Thạc sĩ Hoàng Trung Ngôn, giáo viên phản biện, vì những nhận xét, đóng góp và đề
nghị cho những phần tôi còn thiếu sót.
 Bạn Lê Đức Long, vì những chia sẻ, bàn luận cùng tôi trong quá trình thực hiện luận
văn.
 Gia đinh và bạn bè tôi, đã luôn quan tâm và giúp đỡ tôi những lúc khó khăn.

TP Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 12 năm 2013
Nguyễn Thái Hoàng

xiii


TÓM TẮT
Đồng xử lí chất thải trong lò nung xi măng có thể làm giảm nhu cầu sử dụng nhiên liệu hóa
thạch của ngành công nghiệp xi măng và phát thải CO2 , giúp giảm bớt phần nào nhu cầu
ngày một gia tăng các biện pháp xử lí và tiêu hủy rác thải một cách an toàn và không gây
ảnh hưởng đến môi trường.
Ngành công nghiệp xi măng chiếm khoảng 5 phần trăm toàn bộ lượng CO2 do con người
thải ra trên toàn thế giới. Với nhu cầu sử dụng và sản xuất xi măng ngày càng tăng, nhu cầu
sử dụng năng lượng của ngành công nghiệp và phát thải CO2 sẽ không ngừng gia tăng. Các
lò xi măng thường đốt nhiên liệu hóa thạch, những nguồn này không thể tái sinh và sẽ bị
cạn kiệt nhanh chóng. Xử lí chất thải trong lò nung xi măng, hay còn gọi là đồng xử lí, có

thể làm giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch và phát thải CO2 đi kèm của
ngành công nghiệp xi măng. Tro từ chất thải đồng xử lí sẽ bổ sung vào clanhke, nhờ đó sẽ
giúp tiết kiệm nguồn nguyên liệu thô. Thêm vào đó, xử lí chất thải trong sản xuất xi măng
làm dịu đi những vấn đề do sự gia tăng rác trên thế giới, đặc biệt ở những nước đang phát
triển có tốc độ đô thị hóa nhanh chóng. Ở nước ta, việc quản lí chất thải còn nhiều bất cập,
ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người và môi trường. Các quy định và hướng dẫn cho việc
xử lí chất thải cũng như đồng xử lí vẫn còn nhiều hạn chế, thiếu sót và cần được tiếp tục sửa
đổi, bổ sung.
Mục đích của luận văn này là cung cấp một cái nhìn tổng quát về công nghệ đồng xử lí chất
thải trong nhà máy xi măng và đưa ra một số tính toán thiết kế cho công nghệ này. Luận văn
được chia làm 5 chương. Chương 1 và 2 trình bày tổng quan về công nghệ này trên thế giới
và ở Việt Nam, theo thứ tự. Một dây chuyền công nghệ đồng xử lí chất thải trong nhà máy
xi măng năng suất 5000 tấn/ngày đêm được tính toán trong chương 3 và chương 4 đưa ra
một số thiết kế cho hệ thống vis tải nạp chất thải vào vùng precalciner của dây chuyền sản
xuất này.

xiv


BẢNG DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
MSW
RDF
MBT
POP
PCDD
PCDF
I-TEQ
TOC
BAT
PCB

SNCR
PAH
CEMS

Municipal Solid Waste
Refuse Derived Fuel
Mechanical Biological Treatment
Persistent Organic Pollutant
Polychlorinated dibenzo-p-dioxin
Polychlorinated dibenzo-p-furan
International Toxic Equivalent Basic
Total Organic Carbon
Best Available Technique
Polychlorinated Biphenyl
Selective Non-catalytic Reduction
Polycylic Aromatic Hydrocacbon
Continuous Emission Monitoring System

xv


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ XI MĂNG ĐỐT CHẤT THẢI RẮN
TRÊN THẾ GIỚI
1.1.

Giới thiệu

Sản lượng (triệu tấn xi măng)

Ngành công nghiệp xi măng phụ thuộc nhiều vào nguồn nhiên liệu hóa thạch và chiếm 5

phần trăm trong toàn bộ lượng phát thải CO2 nhân tạo trên toàn thế giới [1] . Nhu cầu sử
dụng và sản xuất xi măng đang gia tăng; sản lượng xi măng hằng năm của thế giới được
dự đoán tăng từ khoảng 2.540 triệu tấn vào năm 2006 đến khoảng từ 3.680 đến 4.380
triệu tấn vào năm 2050. Phần lớn sự tăng trưởng này diễn ra ở Trung Quốc, Ấn Độ và các
nước đang phát triển ở Châu Á (Hình 1.1) [2]. Sự gia tăng sản lượng xi măng dẫn đến sự gia
tăng đáng kể lượng năng lượng sử dụng và lượng CO2 phát thải. Sử dụng nguồn nhiên liệu
thay thế có thể giúp giảm tốc độ tiêu hao nhiên liệu hóa thạch, và nếu nguồn nhiên liệu thay
thế có mức phát thải CO2 thấp hơn thì có thể giảm cả sự phát thải CO2 của ngành công nghiệp.
Bài viết tập trung vào nhiên liệu thay thế từ chất thải rắn đô thị và bùn thải, trong thực tế người
ta còn dùng nhiều loại chất thải công nghiệp và nông nghiệp khác.
Liên Minh Châu Âu

dự đoán nhu cầu cao

Ca-na-đa và Mỹ

dự đoán nhu cầu
thấp

Các Tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế Châu Âu
khác Dương
Tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế Thái Bình
Dương
Trung Quốc
Ấn Độ
Những nền kinh tế đang chuyển tiếp
Những nước Châu Á đang phát triển
Mỹ La-tinh
Châu Phi và Trung Đông

thấp

cao

thấp

cao

thấp

cao

Hình 1. 1 Sản lượng xi măng hàng năm của thế giới [2]

Ngoài những thách thức về việc sử dụng năng lượng và phát thải CO2 trong ngành công
nghiệp xi măng, các nước trên thế giới đều phải đối mặt với vấn đề phát sinh rác ngày
càng gia tăng. Vấn đề này đặc biệt nghiêm trọng ở những nước đang phát triển có sự đô
thị hóa nhanh. Các chính quyền ở nhiều nước đối mặt với vấn đề tìm ra biện pháp an toàn
và không gây ô nhiễm môi trường để phân hủy lượng chất thải rắn đô thị và bùn thải ngày
càng gia tăng. Cuối cùng, tro từ rác được đồng xử lí1 sẽ bổ sung vào clanhke, nhờ đó sẽ
1

Đồng xử lí (co-processing): sự thay thế nhiên liệu và nguyên liệu bằng chất thải, thu hồi năng lượng và nguyên liệu
từ chât thải

1


tiết kiệm được nguyên vật liệu.
1.1.1. Chất thải rắn đô thị

Chất thải rắn đô thị2 (MSW) bao gồm mọi thứ mà con người sử dụng và thải bỏ hàng
ngày, như là bao bì, đồ đạc, quần áo, chai lọ, thức ăn, báo, dụng cụ, sơn và pin [3]. Thành
phần MSW phụ thuộc vào nguồn gốc, mùa trong năm, lối sống và ý thức của người dân
địa phương. Nguồn MSW thô có hàm lượng ẩm cao, nhiệt trị thấp, kích thước dao động
lớn và hàm lượng tro cao. Vì những lí do này, sử dụng MSW thô khó khăn và không thu
hút được nhiều sự quan tâm. MSW có thể được xử lí trong nhà máy xử lí cơ học hoặc
trong nhà máy xử lí kết hợp cơ học và sinh học. Cả hai phương pháp xử lí đều tạo ra được
nhiên liệu có nguồn gốc từ chất thải3 (RDF) có nhiệt trị lớn hơn đáng kể so với nguyên
liệu ban đầu. Ngoài việc có nhiệt trị cao, RDF còn có ưu điểm là có thành phần vật lí và
hóa học đồng nhất hơn so với MSW; dễ dàng tồn trữ, thao tác và vận chuyển hơn; phát
thải ít chất ô nhiễm hơn; và cần ít lượng không khí dư hơn khi đốt [4]. Hình 1.2 cho thấy
các thành phần trong MSW ở Rawalpindi, Pakistan [5].
Bảng 1.1 cho thấy lượng MSW phát sinh ở một vài nước trên thế giới. Cả tổng lượng rác
và lượng rác tính theo đầu người phát sinh đã giảm khá ổn định trong những năm gần đây
ở một số nước phát triển (ví dụ, Mỹ ). Tuy nhiên, ở một số nước đang phát triển, những
con số này đang gia tăng (ví dụ, Trung Quốc) ). Thêm nữa, ở các nước phát triển tốc độ
tái sinh rác thường lớn hơn ở các nước đang phát triển [6]. Hình 1.3 cho thấy những biện
pháp tiêu hủy MSW ở Trung Quốc vào năm 2006 như một ví dụ.

Hình 1. 2 Thành phần MSW ở Rawalpindi, Pakistan [5]
2
3

Chất thải rắn đô thị (Municipal Solid waste): viết tắt MSW; từ đây trở đi sẽ dùng từ MSW.
Nhiên liệu nguồn gốc từ chất thải (Refuse-derived fuel): viết tắt RDF; từ đây trở đi sẽ dùng từ RDF.

2


Bảng 1. 1 Lượng chất thải rắn đô thị ở một số nước trên thế giới năm [6]

Nước

Tổng lượng chất thải rắn
đô thị (1000 tấn)

Tốc độ phát sinh chất
thải rắn đô thị
(kg/đầu người/ngày)

Mỹ

222.863

2,05

Pháp

33.963

1,48

Đức

49.563

1,64

Đan Mạch

3.900

2,03

Thụy Sĩ

4.855

1,78

Ba Lan

9.354

0,68

Bồ Đào Nha

5.009

1,29

Hungary

4.632

1,26

Mexico

36.088

0,93

Nhật Bản

51.607

1,10

Hàn Quốc

18.252

1,04

Trung Quốc

212.100

0,98

Hình 1. 3 Các phương pháp phân hủy chất thải rắn đô thị ở Trung Quốc năm 2006 [6]

1.1.2. Bùn thải
Bùn thải được tạo ra chủ yếu bởi các nhà máy xử lí nước thải đô thị. Lượng bùn thải tạo
ra tăng đáng kể trong những năm gần đây do sự gia tăng cả về số lượng và qui mô các
cộng đồng dân cư cũng như lượng nước thải tạo bởi các quá trình công nghiệp [7].

3

Ở Mỹ vào năm 2007, 16.583 cơ sở xử lí nước thải tạo ra khoảng 6,5 triệu tấn bùn thải khô
(bùn sinh học) [8]. Hầu hết bùn thải tạo ra ở Mỹ và các nước khác được tái chế thành đất
hoặc đưa đi chôn lấp, không được thiêu đốt để thu hồi năng lượng trong lò xi măng [7].
Bùn thải được chuyển thành đất phải tuân thủ những tiêu chuẩn nghiêm ngặt về sức khỏe
con người và môi trường, và bùn thải bị ô nhiễm kim loại nặng từ nước thải công nghiệp
sẽ không thích hợp cho mục đích trồng trọt [9].
Những nước đang phát triển, như Trung Quốc và Ấn Độ, đang mở rộng nhanh chóng các
cơ sở xử lí nước thải, do đó chất lượng bùn thải cũng tăng lên nhanh chóng. Vào năm
2005, các nhà máy xử lí nước thải ở Trung Quốc tạo ra 9 triệu tấn bùn khô; trong vòng 10
năm, số lượng này được dự tính sẽ tăng lên 27 triệu tấn [9].
1.1.3. Đồng xử lí: Một phần giải pháp
Quản lí chất thải yếu kém vẫn còn là một vấn đề ở các nước đang phát triển và các nước
có nền kinh tế chuyển tiếp. Ở nhiều nước này, chất thải được thải ra cống rãnh, chôn, đốt
một cách không có kiểm soát, hoặc đổ bừa bãi bất hợp pháp, hay đưa đến các bãi chôn lấp
không đạt các yêu cầu tiêu hủy rác an toàn với môi trường. Những biện pháp này dẫn đến
ô nhiễm nguồn đất, nguồn nước và không khí, dẫn đến suy giảm dần điều kiện sống và
sức khỏe của các người dân xung quanh.
Đồng xử lí các dòng chất thải cụ thể trong lò nung xi măng có thể giúp giải quyết phần
nào vấn đề này [10]. Bùn thải, thường được chôn lấp hay sử dụng trong nông nghiệp, nay
được dùng như nguồn nguyên liệu và nhiên liệu thay thế trong qui trình sản xuất clanhke
và xi măng. Nhiều nước châu Âu đã bắt đầu áp dụng biện pháp này trong việc quản lí bùn
thải [11]. Cả chất thải rắn đã qua tiền xử lí và bùn thải đều có nhiệt trị cao, vào cỡ gigajun(GJ) trên một tấn vật liệu khô. Hai loại này đều có mức phát thải CO2 thấp hơn so với
than khi được đốt trong lò nung xi măng. Bảng 1.2 cho thấy những đặc tính tiêu biểu của
MSW và bùn thải được sử dụng làm nguồn nhiên liệu thay thế. Tuy vậy, mức năng lượng
chứa trong chất thải rắn của một số nước đang phát triển được báo cáo thấp hơn so với số
liệu trong bảng 1.2.

4

Bảng 1. 2 Những đặc tính tiêu biểu của MSW và bùn thải được dùng làm nguồn nhiên
liệu thay thế [9]
Nhiên liệu

1.2.

Tỉ lệ thay thế
(% nguyên liệu)

Nhiệt trị (GJ/tấn

Hàm lượng

vật liệu khô)

nước (%)

Mức phát
thải CO2 (tấn CO2/
tấn vật liệu)

MSW(phần RDF)

đến 30

12 - 16

10 - 35

0,95 – 1,32

Bùn thải để
ráo nước

20

9 - 25

75

0,29

Bùn thải khô

20

9 - 25

20

0,88

Những nguyên tắc cơ bản khi đồng xử lí MSW và bùn thải trong ngành
công nghiệp Xi măng

Phần dưới đây mô tả qui trình sản xuất xi măng, tác động CO2 của nó, và nhiều vấn đề
liên quan đến việc đồng xử lí MSW và bùn thải trong ngành công nghiệp xi măng.
1.2.1. Sản xuất Xi măng
Qui trình chung sản xuất xi măng ngày nay đòi hỏi khai thác và đập nghiền nguyên vật

liệu (thông thường là đá vôi [CaCO3], đá phấn và đất sét, sau đó được phối trộn và đưa
qua lò nung ở dạng khô hoặc dạng ướt. Nhiệt độ trung bình của nguyên vật liệu trong lò
nung lên đến 1450 °C. Nhiệt kết dính các nguyên vật liệu thô với nhau thành các hạt nhỏ
gọi là clanhke. Clanhke sau đó được làm nguội và được trộn với thạch cao và nghiền
thành bột mịn gọi là xi măng Poóc-lăng. Hiệp hội kiểm nghiệm và Vật liệu của Mỹ
(ASTM) xác định nhiều loại xi măng Poóc-lăng với nhiều tính chất khác nhau cũng như
nhiều loại xi măng đông cứng trong nước được tạo thành bằng cách phối trộn nhiều
nguyên liệu như xi măng Poóc-lăng, tro bay, pozzolana thiên nhiên ( một loại tro núi lửa
chứa nhiều silic), pozzolana nhân tạo và xỉ lò [12]. Liên Minh Châu Âu cũng có phân loại
tương tự cho xi măng kèm theo những vật liệu gắn kết xi măng.
1.2.1.1.

Qui trình sản xuất xi măng

Khai thác mỏ
Nguyên liệu thông dụng nhất để sản xuất xi măng là đá vôi, đá phấn, và đất sét, với đá vôi
hay đá phấn tạo thành những thành phần chính trong xi măng. Những nguyên liệu này
thường được thu gom từ một mỏ ở kế bên hay rất gần nhà máy xi măng. Đá vôi cung cấp
canxi oxit và một vài oxit khác; và đất sét, đá phiến, và các nguyên liệu khác cung cấp
hầu hết silic, nhôm, và sắt oxit cần thiết cho việc sản xuất xi măng. Khoảng 5 phần trăm

5


lượng CO2 phát thải của việc sản xuất xi măng đến từ việc khai thác mỏ và vận chuyển
[13].
Nghiền và chuẩn bị nguyên vật liệu
Nghiền nguyên liệu thô để sản xuất xi măng là một công đoạn tiêu tốn nhiều điện năng ,
thông thường cần khoảng 25 đến 35 (kWh)/tấn nguyên liệu thô. Quá trình nghiền khác
nhau còn tùy thuộc vào loại qui trình nào được sử dụng trong sản xuất clanhke. Trong qui

trình khô, nguyên vật liệu thô được nghiền đến dạng bột mịn trong máy nghiền bi, máy
nghiền con lăn đứng hay máy nghiền trục cán.Vật liệu có thể được sấy bằng cách tận
dụng nhiệt từ khí thoát ra khỏi lò nung hay khỏi vùng làm lạnh clanhke, hoặc bằng nhiệt
bổ sung từ lò đốt nóng không khí riêng biệt. Hàm lượng ẩm khi nạp liệu khô thông
thường khoảng 0,5 phần trăm nhưng có thể dao động từ 0 đến 0,7 phần trăm. Khi nguyên
vật liệu có độ ẩm quá lớn, như trong trường hợp ở một số nước và vùng miền, qui trình ướt
có thể được ưu tiên hơn. Trong qui trình ướt, nguyên vật liệu được nghiền trong máy
nghiền bi hay máy nghiền ống cùng lúc được bổ sung nước để tạo thành một dịch bùn có
hàm lượng nước từ 24 đến 48 phần trăm, thông thường là 36 phần trăm [14].
Sản xuất clanhke
Sản xuất clanhke là giai đoạn tiêu tốn nhiều năng lượng nhất trong sản xuất xi măng,
chiếm đến hơn 90 phần trăm tổng năng lượng tiêu thụ và sử dụng hầu hết nhiên liệu. Hệ
thống lò nung làm bay hơi nước gắn kết bên trong nguyên vật liệu, phân hủy (can-xin
hóa) các thành phần chứa cacbonat ,và tạo thành các khoáng của xi măng (clanhke hóa).
Loại lò nung phổ biến được sử dụng ngày nay là lò quay theo phương pháp khô. Một lò
quay nung khô sử dụng vật liệu vào có hảm ẩm thấp (0,5 phần trăm). Lò nung loại này
được phát minh ở Mỹ và ban đầu không có bộ phận gia nhiệt4. Những cải tiến sau này
thêm preheater phân tán (xyclon) hay preheater kiểu giếng đứng. Gần đây, công nghệ tiền
phân hủy5 vôi được phát triển, trong đó một buồng đốt thứ hai được thêm vào ở giữa lò
nung và preheater thông thường, cho phép làm giảm thêm lượng nhiên liệu tiêu thụ của lò
nung. Tiêu thụ năng lượng của lò nung khô với 4,5 hay 6 giai đoạn gia nhiệt thay đổi từ 2,9
đến 3,5 GJ/ tấn clanhke, và hầu hết các quá trình phát thải CO2 trong sản xuất xi măng đều
liên quan đến quá trình phân hủy đá vôi (can-xin hóa). Ngay sau khi tạo thành trong lò
nung, clanhke được làm nguội nhanh để làm giảm tối thiểu sự tạo thành pha thủy tinh và
đảm bảo đạt được tỉ lệ lớn nhất pha alit (tricanxi silicat), một thành phần quan trọng tạo nên
đặc tính hóa cứng cho xi măng. Các công nghệ làm nguội chính là công nghệ làm nguội
dạng ghi, dạng ống hay dạng hành tinh. Trong thiết bị làm lạnh dạng ghi, được sử dụng
4
5

Bộ phận gia nhiệt: hay tiền gian nhiệt (preheater): từ đây trở đi dùng từ preheater.
Bộ tiền phân hủy: hay tiền nung (precalciner): từ đây trở đi dùng từ precalciner

6


nhiều nhất hiện nay, clanhke được chuyển qua ghi dịch chuyển qua lại và được làm nguội
bởi dòng khí chuyển động vuông góc với dòng clanhke [14].
Nghiền thành phẩm
Để sản xuất xi măng dạng bột, những hạt clanhke được nghiền mịn trong máy nghiền bi,
máy nghiền bi kết hợp máy nghiền trục cán, máy nghiền trục hay trục cán. Ở công đoạn
này, 3 đến 5 phần trăm thạch cao được thêm vào để điều chỉnh tính chất của xi măng.
Lượng điện năng sử dụng để nghiền nguyên liệu và nghiền thành phẩm phụ thuộc nhiều
vào độ cứng của vật liệu (đá vôi, clanhke, pozzolana, vv..) và độ mịn yêu cầu của xi măng
cũng như hàm lượng phụ gia. Xỉ lò cao thì khó nghiền và vì vậy cần tiêu tốn nhiều năng
lượng nghiền hơn. Thông thường, máy nghiền bi được sử dụng cho nghiền mịn, nhưng
nhiều nhà máy cũng sử dụng máy nghiền con lăn đứng. Phương pháp tiên tiến là sử dụng
máy nghiền con lăn áp suất cao hay máy nghiền lăn nằm ngang. Xi măng hoàn thiện được
tồn trữ trong xi-lô; kiểm nghiệm và đóng bao hoặc chuyển theo khối trên xe tải, tàu hỏa,
xà lan hay tàu thủy [14]. Hình 1.4 cho thấy các bước trong công nghệ sản xuất xi măng sử
dụng lò quay khô có preheater/precalciner.

Tồn trữ xi măng trong xi-lô
Nghiền xi măng
Pha trộn với phụ gia
Làm nguội và tồn trữ
Tạo clanhke trong lò quay
Precalciner
Preheater
Mỏ quặng

Đồng nhất và
nghiền nguyên liệu
Đập thô

Khai thác
nguyên liệu

Hình 1. 4 Các bước sản xuất xi măng sử dụng công nghệ lò quay khô có
preheater/precalciner [1]

1.2.1.2.

Tác động CO2 của ngành sản xuất xi măng

Sản xuất 1 tấn xi măng thải ra 0,73 đến 0,99 tấn CO2 tùy thuộc vào tỉ lệ clanhke trong xi
7


măng và các yếu tố khác. Một sự khác biệt lớn giữa ngành công nghiệp xi măng với
những ngành công nghiệp khác đó là việc tiêu thụ nhiên liệu không phải là nguồn phát
thải CO2 chính. Hơn 50 phần trăm lượng CO2 phát thải trong quá trình sản xuất xi măng,
khoảng 540 kg mỗi tấn clanhke [15] là từ quá trình nung đá vôi (can-xin hóa), trong đó
CaCO3 được phân hủy thành vôi (CaO) theo phản ứng sau:
CaCO3 ➝CaO + CO2
Phần CO2 còn lại thải ra trong quá trình sản xuất xi măng là từ việc đốt nhiên liệu để cung
cấp năng lượng nhiệt cần thiết cho quá trình can-xin hóa. Lò quay trong đó quá trình canxin hóa diễn ra được nung nóng đến khoảng 1450oC. Trung bình 100 đến 110 kWh điện
năng tiêu thụ khi sản xuất 1 tấn xi măng [13]. Lượng CO2 phát thải từ lượng điện sử dụng
trung bình khoảng 5 phần trăm tổng lượng CO2 phát thải của ngành công nghiệp xi măng.
Tùy thuộc vào nguồn năng lượng và hiệu suất sử dụng điện, con số này có thể thay đổi từ
dưới 1 phần trăm đến hơn 10 phần trăm. Khoảng 5 phần trăm CO2 phát thải đến từ việc

khai thác và vận chuyển quặng [13].
1.2.2. Đồng xử lí MSW và bùn thải trong ngành công nghiệp xi măng
Công ước Basel (2011) định nghĩa đồng xử lí là “ việc sử dụng chất thải trong quá trình
sản xuất vì mục đích thu hồi năng lượng và/hoặc thu hồi nguyên liệu dẫn đến giảm được
nguồn nhiên liệu truyền thống và/hoặc nguyên liệu thô bằng việc thay thế”. Đây cũng là
khái niệm dùng trong sinh thái công nghiệp, liên quan đến vai trò của công nghiệp trong
việc giảm thiểu những gánh nặng của môi trường thông qua phát triển vòng đời sản
phẩm. Hội nghị Basel còn định nghĩa thêm đồng xử lí là một quá trình “ có thể giúp thu
hồi tài nguyên, tái chế, phục hồi, sử dụng lại trực tiếp hoặc thay thế”
Đồng xử lí rác thải đã được thực hiện hơn 20 năm, đặc biệt ở các nước/vùng phát triển
như Châu Âu, Nhật Bản, Mỹ và Canada [10]. Hình 1.5 cho thấy lượng chất thải được
đồng xử lí trong ngành công nghiệp xi măng của Châu Âu trong năm 2003 và 2004. Năm
2006, nhiên liệu thay thế không tính mảnh lốp xe và dung môi (ví dụ, MSW và bùn thải)
tính chung lại đã chiếm khoảng 2,5 phần trăm tổng lượng năng lượng đưa vào các lò xi
măng của Mỹ [8]. Năm 2009, 63 nhà máy xi măng, hay 70 phần trăm tất cả các nhà máy
xi măng ở Mỹ, đã sử dụng nguồn nhiên liệu thay thế [12].

8


Ngàn tấn

Độc hại

Không độc
hại

Độc hại

Không độc

hại

Vải
RDF
Bùn thải công nghiệp
Chất thải có nguồn gốc động vật/mỡ
Chất thải nông nghiệp
Dung môi
Khác

Gỗ, giấy, cac-tông
Nhựa
Cao su/Lốp xe
Bùn thải đô thị
Than/chất thải chứa cacbon
Mùn cưa độc
Dầu thải/chất thải có dầu

Hình 1. 5 Đồng xử lí chất thải nguy hại và không nguy hai trong lò xi măng ở Liên Minh
Châu Âu năm 2003 và 2004 [16]

Cơ quan kiểm soát và ngăn ngừa ô nhiễm Liên Minh Châu Âu (EIPPCB) đưa ra những
đặc tính sau đây của ngành công nghiệp xi măng cho phép quá trình đồng xử lí chất thải:
 Nhiệt độ tối đa khoảng 2000oC (nhiệt độ ngọn lửa, hệ thống đốt chính) trong lò
quay.
 Thời gian lưu của khí khoảng 8 giây ở nhiệt độ lớn hơn 1200 oC trong lò quay.
 Nhiệt độ vật liệu khoảng 1450oC trong vùng kết khối của lò quay.
 Oxi hóa không khí trong lò quay.
 Thời gian lưu của khí trong hệ thống đốt phụ nhiều hơn 2 giây ở nhiệt độ lớn
hơn 850°C; trong precalciner, giá trị nhiệt độ và thời gian lưu tương ứng còn

cao hơn.
 Nhiệt độ pha rắn đạt 850oC trong hệ thống đốt phụ và/hoặc precalciner.
 Điều kiện cháy giống nhau cho sự thay đổi nạp liệu nhờ nhiệt độ cao và thời
gian lưu đủ lớn.
 Phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ nhờ nhiệt độ cao và thời gian lưu đủ lớn.
 Hấp thụ các khí như HF, HCl và SO2 trên các tác chất kiềm.
 Thời gian lưu của dòng khí ra ngắn trong vùng nhiệt độ đã biết không dẫn đến
sự tổng hợp dioxin và furan.
 Sử dụng hoàn toàn tro của chất thải làm thành phần clanhke.
 Không có chất thải đặc biệt nào vì vật liệu được đồng nhất hoàn toàn vào
clanhke (một vài nhà máy xi măng châu Âu bỏ đường bụi bypass).
 Đồng nhất hóa – khoáng các kim loại không bay hơi vào khối clanhke.
9