Đánh giá công nghệ hệ thống xử lý khí thải của nhà máy xi măng xuân thành – dây chuyền 2 và đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả

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

Mai Thị Anh

ĐÁNH GIÁ CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI CỦA
NHÀ MÁY XI MĂNG XUÂN THÀNH – DÂY CHUYỀN 2 VÀ
ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HÀ NỘI - 2020


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------------

Mai Thị Anh

ĐÁNH GIÁ CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI CỦA
NHÀ MÁY XI MĂNG XUÂN THÀNH – DÂY CHUYỀN 2 VÀ
ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trƣờng
Mã số: 8520320.01
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. Nguyễn Thị Hà
TS. Ngô Vân Anh

Hà Nội - 2020


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả nêu trong luận văn này là trung thực, các thông tin đƣợc trích dẫn trong luận
văn đƣợc lấy từ nguồn tài liệu rõ ràng, dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của
PGS. TS Nguyễn Thị Hà và TS. Ngô Vân Anh, Khoa Môi trƣờng - Trƣờng Đại học
Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
Nếu không đúng nhƣ đã nêu trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về
luận văn của mình.
HỌC VIÊN THỰC HIỆN

Mai Thị Anh

i


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn Thạc sĩ này, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới quý
Thầy cô thuộc Bộ môn Công nghệ môi trƣờng, Khoa Môi trƣờng, Trƣờng Đại học
Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình dạy bảo, truyền đạt, giúp
đỡ cho tôi kiến thức nền tảng trong suốt thời gian học tập và hoàn thiện luận văn.
Tôi đặc biệt xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS. Nguyễn Thị Hà cùng
TS. Ngô Vân Anh, Giảng viên Bộ môn Công nghệ môi trƣờng, Trƣờng Đại học
Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội, ngƣời trực tiếp đã hƣớng dẫn,
chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện và
hoàn thành luận văn theo quy định của nhà trƣờng.
Trong quá trình nghiên cứu của mình, tôi xin cảm ơn các cán bộ, nhân viên

Công ty Cổ phần xi măng Xuân Thành đã hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn
thành bản luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã khuyến
khích, động viên, chia sẻ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình
nghiên cứu của mình.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn Hội đồng khoa học đã giúp đỡ tôi bảo
vệ thành công luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng

Mai Thị Anh

ii

năm 2020


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
BAT (Best available technic)

Công nghệ tốt nhất sẵn có

CCS (Carbon capture and storage)
GHCP

Thu hồi và lƣu trữ cacbon
Giới hạn cho phép

MSW (Municipal solid waste)

Chất thải rắn đô thị

PC

Xi măng Portland thông thƣờng

PCA
PCB
PCDD

Hiệp hội xi măng Porland
Xi măng Portland hỗn hợp
Polychlorinated dibezo – p – dioxin

PCDF
QCVN
QĐ

Polychlorinated dibezo – p – furan
Quy chuẩn Việt Nam
Quyết định

SCR (Selective catalytic reduction)
SNCR (Selective non-catalytic reduction)
VND

Khử chọn lọc có xúc tác
Khử chọn lọc không xúc tác

Việt Nam Đồng

iv


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Các bƣớc sản xuất xi măng sử dụng công nghệ lò quay khô ......................5
Hình 1.2. Phân loại công nghệ ngăn ngừa phát thải NOx .........................................11
Hình 1.3. Công nghệ kiểm soát phát thải NOx ..........................................................12
Hình 1.4. Sơ đồ phản ứng khử NOx bằng NH3 hoặc urea .........................................14
Hình 1.5. Lợi ích của việc đồng xử lý chất thải trong ngành sản xuất xi măng .......20
Hình 2.1. Quy trình công nghệ sản xuất xi măng tại nhà máy xi măng Xuân Thành
kèm dòng thải ............................................................................................................27
Hình 3.1. Sơ đồ cân bằng vật chất lò nung clinker ...................................................39
Hình 3.2. Thiết bị lọc bụi túi vải đƣợc sử dụng tại ...................................................46
Hình 3.3. Sơ đồ công nghệ hệ thống lọc bụi tĩnh điện ..............................................48
Hình 3.4. Kết quả quan trắc định kỳ hàm lƣợng bụi tại các ống khói của dây chuyền
2, tháng 6/2020 ..........................................................................................................51
Hình 3.5. Kết quả quan trắc nồng độ khí thải tại ống khói chính dây chuyền 2, tháng
6/2020 ........................................................................................................................51
Hình 3.6. Sơ đồ nguyên tắc tổ hợp phát điện sử dụng nhiệt khí thải ........................56

v


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Quy trình phản ứng SO2 .............................................................................8
Bảng 1.2. So sánh thông số công nghệ của hệ thống SNCR và SCR .......................21
Bảng 1.3. Lợi ích từ việc đánh giá công nghệ môi trƣờng .......................................23
Bảng 2.1. Chiều cao của các ống khói ......................................................................32

Bảng 2.2. Phƣơng pháp phân tích mẫu khí thải ........................................................33
Bảng 2.3. Vị trí lấy mẫu môi trƣờng không khí xung quanh và môi trƣờng làm việc
của nhà máy xi măng Xuân Thành – Dây chuyền 2 .................................................34
Bảng 2.4. Thông số quan trắc và phƣơng pháp phân tích .........................................35
Bảng 2.5. Tiêu chí đánh giá công nghệ môi trƣờng phù hợp với Việt Nam .............37
Bảng 3.1. Các nguồn phát sinh bụi, khí thải từ hoạt động của .................................38
Bảng 3.2. Thành phần hóa học của than cám 4aHG .................................................40
Bảng 3.3. Thành phần hóa học của than quy về 1% .................................................40
Bảng 3.4. Thành phần hóa học của nguyên liệu và cấu tử điều chỉnh ......................41
Bảng 3.5. Cân bằng vật chất lò nung ........................................................................44
Bảng 3.6. Kết quả quan trắc môi trƣờng định kỳ ống khói dây chuyền 2, ...............50
Bảng 3.7. Kết quả quan trắc môi trƣờng khí thải tự động, liên tục của ....................52
dây chuyền 2, nhà máy xi măng Xuân Thành ...........................................................52
Bảng 3.8. Kết quả quan trắc môi trƣờng không khí xung quanh tại .........................53
nhà máy xi măng Xuân Thành, tháng 6/2020 ...........................................................53
Bảng 3.9. Kết quả quan trắc môi trƣờng làm việc tại nhà máy xi măng Xuân Thành,
tháng 6/2020 ..............................................................................................................54
Bảng 3.10. Lƣợng hóa tình phù hợp của hệ thống xử lý khí thải ............................60

vi


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT................................................................................. iv
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................................4
1.1. Các vấn đề môi trƣờng liên quan đến khí thải của sản xuất xi măng ............... 4
1.1.1. Phát thải bụi ................................................................................................5

1.1.2. Phát thải NOx ..............................................................................................6
1.1.3. Phát thải SO2 ..............................................................................................8
1.2.4. Phát thải CO2 ..............................................................................................8
1.2. Công nghệ xử lý khí thải trong sản xuất xi măng trên thế giới và Việt Nam ... 9
1.2.1. Công nghệ xử lý khí thải trong sản xuất xi măng trên thế giới ..................9
1.2.2. Công nghệ xử lý khí thải trong sản xuất xi măng ở Việt Nam ................21
1.3. Đánh giá công nghệ môi trƣờng và ứng dụng ở Việt Nam và trên thế giới ... 22
CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................26
2.1. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 26
2.1.1. Đối tƣợng nghiên cứu ...............................................................................26
2.1.2. Phạm vi, địa điểm nghiên cứu ..................................................................31
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................ 31
2.2.1. Phƣơng pháp thu thập, tổng hợp thông tin số liệu ..................................31
2.2.2. Phƣơng pháp điều tra, khảo sát thực địa ..................................................32
2.2.3. Phƣơng pháp lấy mẫu khí .........................................................................32
2.2.4. Phƣơng pháp phân tích dòng, cân bằng vật chất ......................................35
2.2.5. Phƣơng pháp áp dụng sản xuất sạch hơn .................................................36
2.2.6. Phƣơng pháp đánh giá công nghệ môi trƣờng .........................................36
2.2.7. Phƣơng pháp thống kê, xử lý số liệu ........................................................36

vii


CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ..................................38
3.1. Kết quả xác định nguồn phát thải bụi, khí thải trong sản xuất xi măng của nhà
máy xi măng Xuân Thành...................................................................................... 38
3.1.1. Các nguồn phát thải bụi, khí thải..............................................................38
3.1.2. Ƣớc tính lƣợng phát thải khí và bụi từ quá trình sản xuất xi măng .........39
3.2. Đánh giá hiện trạng công nghệ xử lý bụi, khí thải đƣợc sử dụng tại nhà máy
xi măng Xuân Thành ............................................................................................. 45

3.2.1. Xử lý bụi ...................................................................................................45
3.2.2. Xử lý khí NOx ..........................................................................................48
3.3. Đánh giá công nghệ của hệ thống xử lý khí thải ............................................ 48
3.3.1. Các tiêu chí về kỹ thuật ............................................................................48
3.3.2. Các chỉ tiêu kinh tế ...................................................................................49
3.3.3. Các chỉ tiêu về môi trƣờng .......................................................................50
3.3.4. Các chỉ tiêu về tính địa phƣơng ................................................................58
3.3.5. Lƣợng hóa các chỉ tiêu đánh giá...............................................................58
3.4. Đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống xử lý sản xuất xi
măng....................................................................................................................... 63
3.4.1. Giải pháp sản xuất sạch hơn, tối ƣu quá trình vận hành .........................63
3.4.2. Giải pháp cải tiến công nghệ.....................................................................64
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................66
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................67
PHỤ LỤC ..................................................................................................................70

viii


MỞ ĐẦU
Ngành sản xuất xi măng đƣợc coi là ngành tiêu tốn nhiều tài nguyên khoáng
sản và nguyên vật liệu và phát thải nhiều khí nhà kính. Thách thức hiện nay của
ngành xi măng là phải tìm ra giải pháp quản lý phù hợp, áp dụng công nghệ tiết
kiệm năng lƣợng để nâng cao hiệu quả sản xuất, góp phần giảm giá thành và tăng
sức cạnh tranh, hƣớng tới phát triển bền vững.
Các vấn đề về ô nhiễm bụi, khí thải của các nhà máy xi măng nói chung đang
là vấn đề đang đƣợc quan tâm. Đây là ngành sản xuất luôn đƣợc cảnh báo về các
nguy cơ ảnh hƣởng đến môi trƣờng. Với ngành xi măng, khí thải đặc trƣng chủ yếu
là bụi và khí thải (NOx, SOx, CO2). Bụi trong sản xuất xi măng ở dạng nhỏ và mịn,
lơ lửng trong không khí làm ô nhiễm môi trƣờng nghiêm trọng.

Theo Bộ Xây dựng, trung bình trên thế giới mỗi tấn xi măng đƣợc sản xuất
thải ra từ 1,2 - 1,5 tấn CO2 vào bầu khí quyển. Với sản lƣợng hiện nay, cả thế giới
sản xuất và tiêu thụ 3,6 tỷ tấn xi măng hàng năm, ngành công nghiệp xi măng thế
giới đang chiếm khoảng 5% tổng lƣợng CO2 do con ngƣời phát thải trên toàn cầu,
tƣơng đƣơng 3,24 tỷ tấn CO2 hàng năm [5].
Một số công nghệ đƣợc sử dụng sử dụng trong công nghệ sản xuất xi măng
nhƣ sản xuất xi măng từ lò quay bằng phƣơng pháp ƣớt đƣợc thay thế bằng lò quay
phƣơng pháp khô do lò quay bằng phƣơng pháp ƣớt tốn nhiều nhiên liệu và năng
lƣợng, gây ô nhiễm môi trƣờng. Các phân tích vòng đời để đánh giá so sánh về hiệu
quả giảm thiếu ô nhiễm của công nghệ sản xuất xi măng truyền thống và thay thế đã
đƣợc thực hiện [7]. Để hạn chế tối đa ảnh hƣởng của chúng đến môi trƣờng bên
ngoài, gây tác động xấu tới sức khỏe con ngƣời, cần có các giải pháp về công nghệ
để xử lý bụi, khí thải phát sinh. Các kỹ thuật chủ yếu đƣợc đề xuất gồm: thu và lƣu
trữ khí thải CO2, giảm tỷ lệ clinker/xi măng bằng cách thay thế clinker với các chất
phụ gia khác nhau và sử dụng nhiên liệu thay thế thay cho nhiên liệu hóa thạch [ 20].

1


Phƣơng pháp đồng xử lý chất thải nguy hại trong các lò nung xi măng để xử lý chất
thải, đồng thời, tận dụng chất thải để làm nguồn nhiên liệu cung cấp nhiệt cho lò
nung thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, lò nung xi măng đồng xử
lý chất thải nguy hại là nguồn gây ra phát thải của PCDD/PCDF. Do vậy các thành
phần PCDD/PCDF đã đƣợc nghiên cứu về sự hình thành và kiểm soát trong công
nghệ nung xi măng [16].
Công ty cổ phần xi măng Xuân Thành đƣợc thành lập tháng 7/2009, Công ty
đã đầu tƣ, xây dựng mới nhà máy xi măng Xuân Thành với 03 dây chuyền sản xuất
xi măng, trong đó:
-

Dây chuyền 1 có công suất 2,5 triệu tấn xi măng/năm, hoạt động năm 2012.

-

Dây chuyền 2 có công suất 4,5 triệu tấn xi măng/năm, hoạt động năm 2017.

-

Dây chuyền 3 có công suất 4,5 triệu tấn xi măng/năm, hiện nay, đang trong
giai đoạn xây dựng nhà máy.
Các dây chuyền sản xuất xi măng đều sử dụng công nghệ sản xuất xi măng lò

quay bằng phƣơng pháp khô – công nghệ tiên tiến nhất hiện nay ở Việt Nam, tháp
cyclone 5 tầng, 2 nhánh, trang thiết bị hiện đại do tập đoàn FL. Smidth – Đan Mạch
thiết kế. Dây chuyền sản xuất chính và các công đoạn phụ trợ đều đƣợc tự động hóa
ở mức cao nhằm tiết kiệm nhiên liệu, điện năng và nguyên liệu sản xuất, đảm bảo
chất lƣợng clinker và các yếu tố về môi trƣờng.
Mục tiêu của luận văn này là xác định đƣợc nguồn và mức độ phát thải khí
trong sản xuất xi măng và đánh giá đƣợc các giải pháp xử lý khí thải và hiệu quả xử
lý của hệ thống xử lý khí thải hiện có của nhà máy xi măng Xuân Thành – Dây
chuyền 2, công suất 4,5 triệu tấn/năm nhằm đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả
của hệ thống xử lý.
Nội dung nghiên cứu bao gồm:
1. Khảo sát công nghệ, nguồn thải khí bụi và hiện trạng xử lý khí thải đang
đƣợc áp dụng tại nhà máy xi măng Xuân Thành – Dây chuyền 2

2


2. Đánh giá công nghệ xử lý khí, bụi của nhà máy xi măng Xuân Thành dựa

trên các nhóm tiêu chí
3. Đề xuất, áp dụng thử nghiệm một số biện pháp kiểm soát ô nhiễm, nâng cao
hiệu quả công trình/ hệ thống xử lý khí bụi.

3


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Các vấn đề môi trƣờng liên quan đến khí thải của sản xuất xi măng
Xi măng đƣợc sản xuất bằng cách kết hợp đá vôi với hàm lƣợng nhỏ các
nguyên liệu khác (nhƣ đất sét, quặng sắt) đƣợc nung trong lò ở nhiệt độ tới 1450oC.
Chất rắn ra lò đƣợc gọi là ―clinker‖, đƣợc nghiền với một lƣợng nhỏ thạch cao
thành một hỗn hợp bột có tên là xi măng.
Trên thế giới, clinker thƣờng đƣợc sản xuất trong các lò quay. Lò quay có thể
là lò quay phƣơng pháp ƣớt hoặc lò quay phƣơng pháp khô. Lò quay phƣơng pháp
ƣớt sử dụng nhiều năng lƣợng hơn và đã nhanh chóng bị loại bỏ trong vài thập kỷ
qua ở hầu hết các nƣớc công nghiệp. Lò quay phƣơng pháp khô là lò tiết kiệm năng
lƣợng hơn vì có thể đƣợc trang bị bộ gia nhiệt sơ bộ dạng ghi hoặc dạng treo để làm
nóng nguyên liệu thô bằng cách sử dụng khí thải lò nung trƣớc khi đƣa chúng vào lò
nung. Hơn nữa, các lò quay phƣơng pháp khô hiệu quả nhất khi sử dụng lò nung sơ
bộ để nung nguyên liệu thô sau khi chúng đã đi qua bộ gia nhiệt sơ bộ.
Các vấn đề môi trƣờng chính liên quan đến sản xuất xi măng là tiêu thụ
nguyên liệu thô (nhƣ đá vôi, đá sét…) và sử dụng năng lƣợng (điện, nhiệt…) cũng
nhƣ khí thải vào không khí. Ngành xi măng là nguồn gốc gây ô nhiễm không khí
tiềm tàng. Đặc trƣng khí thải của ngành xi măng trong quá trình sản xuất là bụi và
khí thải (NOx, SO2, CO2).

4

Khai thác
 Bụi
 Ồn
 Rung
 Ảnh hƣởng cảnh quan

Sản xuất clinker Nghiền xi măng
Nghiền
 Bụi
 Bụi
 Bụi
 Khí SO2, NOx,  Ồn
 Ồn
CO2, nhiệt
 Rung

Lƣu kho/vận chuyển
 Bụi
 Ồn

Hình 1.1. Các bƣớc sản xuất xi măng sử dụng công nghệ lò quay khô
có preheater/precalciner
Nguồn: [13]
1.1.1. Phát thải bụi
Trong tất cả các công đoạn sản xuất xi măng đều phát sinh ra bụi. Bụi có
nhiều dạng và kích thƣớc khác nhau. Bụi trong sản xuất xi măng chủ yếu là bụi
than, bụi đá vôi (từ công đoạn khai thác đá), đá sét (từ công đoạn khai thác), thạch
cao, bụi than, bụi xi măng...

5

Bụi xi măng rất mịn (cỡ hạt nhỏ hơn 3µm), lơ lửng trong khí thải, khi hít dễ
gây bệnh về đƣờng hô hấp. Đặc biệt, khi hàm lƣợng SiO2 tự do hơn 2% có khả năng
gây bệnh về phổi.
Vấn đề môi trƣờng chính do phát thải bụi là giảm tầm nhìn và suy giảm chất
lƣợng môi trƣờng không khí xung quanh. Tính chất vật lý của các hạt bụi quyết
định mức độ ảnh hƣởng của chúng đối với sức khỏe con ngƣời. Hạt thô (> PM10)
đƣợc coi là gây ảnh hƣởng cục bộ hơn là nguy cơ sức khỏe và các hạt mịn (PM10 –
PM2,5) sẽ gây các tác động nguy hại chủ yếu và là mối quan tâm lớn đối với sức
khỏe con ngƣời.
1.1.2. Phát thải NOx
Sự tạo thành NOx liên quan đến lƣợng nitơ trong nhiên liệu, nhiệt độ trong lò
và thời gian lƣu. Với lò quay, nguyên liệu đƣợc kết khối ở nhiệt độ 1.450oC sử dụng
nhiên liệu hóa thạch thải ra một lƣợng lớn khí NOx, chủ yếu là NO và NO2.
Nhiệt độ cao và oxy hóa không khí cần thiết cho sản xuất xi măng cũng thuận
lợi cho sự hình thành NOx. Nếu nhiệt độ lò nung giảm quá thấp, các phản ứng hình
thành clinker sẽ dừng lại và vì những phản ứng này tỏa nhiệt nên nhiệt độ sẽ giảm
hơn nữa. Nhiệt độ phải đƣợc nâng lên bằng cách tăng năng lƣợng (nhiên liệu) vào
đầu lò.
Về cơ bản, khí NOx phát thải trong sản xuất xi măng đƣợc tạo ra trong các lò
nung xi măng. Trong lò nung, NOx đƣợc hình thành trong quá trình đốt cháy nhiên
liệu theo 2 cơ chế chính: Sự oxy hóa nitơ phân tử có trong không khí đốt (đƣợc gọi
là NOx nhiệt) và quá trình oxy hóa các hợp chất nitơ trong nhiên liệu (đƣợc gọi là
NOx nhiên liệu) [11].
* NOx nhiệt
NOx là kết quả của phản ứng đồng nhất của oxy và nitơ trong pha khí ở nhiệt
độ cao. Các bƣớc quan trọng trong việc hình thành NOx nhƣ sau:
2N2 + O2

kf = 2x1014 exp(-76500/RT)

2NO + 2N

6

(1)


N + O2

NO + O

kf =6.3x 109 exp(-6300/RT)

(2)

Kf là hằng số tốc độ cho các phản ứng đƣợc hiển thị. Năng lƣợng hoạt hóa cao
của phản ứng (1), 76,5 kcal/mol có nghĩa là phản ứng này nhạy cảm nhất với nhiệt
độ. Ở trạng thái cân bằng, phản ứng của NO và O2 là kết quả tiếp theo trong việc
hình thành NO2. Lƣợng không khí dƣ thừa đƣợc sử dụng trong quá trình đốt cháy
nhiên liệu có thể ảnh hƣởng đáng kể đến sự hình thành NO.
* NOx nhiên liệu
NOx nhiên liệu đƣợc hình thành bởi sự chuyển đổi nitơ có trong nhiên liệu đã
sử dụng. Theo khảo sát của Hiệp hội xi măng Portland (PCA), gần 82% nhu cầu
năng lƣợng của ngành công nghiệp xi măng đƣợc cung cấp bởi than [21]. Khí tự
nhiên đóng góp khoảng 3% nhu cầu năng lƣợng, dầu khoảng 1% và phần nhiên liệu
khác nhƣ dung môi thải khoảng 14% năng lƣợng. Cả dầu và khí tự nhiên có hàm
lƣợng nitơ nhiên liệu tƣơng đối thấp, trong khi than có thể chứa 1-3% nitơ theo khối
lƣợng tùy thuộc vào nguồn gốc than. Nhiên liệu có nguồn gốc từ chất thải (WDF)

nhƣ phế liệu, lốp xe, dầu động cơ đã qua sử dụng, bùn từ ngành công nghiệp dầu
khí, chất thải nông nghiệp nhƣ vỏ hạnh nhân và thậm chí cả chất thải sinh học đô thị
(bùn thải khô) là ứng dụng đang tìm kiếm trong các lò nung xi măng. Hàm lƣợng
nitơ trong các nhiên liệu này có thể là đáng kể tùy thuộc vào các chất hóa học có
trong hỗn hợp chất thải đƣợc đốt.
* NOx nguyên liệu
Tƣơng tự nhƣ than, nguyên liệu thô đƣợc sử dụng trong sản xuất xi măng có
thể chứa đáng kể một lƣợng nitơ. Trong hầu hết các trƣờng hợp, đá vôi là nguyên
liệu chính, phần còn lại của hỗn hợp thô đƣợc tạo thành từ đất sét, đá phiến, đá cát,
cát và quặng sắt vì hầu hết những thành phần nguyên liệu thô là khoáng chất trầm
tích, chúng có thể chứa một lƣợng nhỏ nitơ liên kết hóa học có nguồn gốc hữu cơ.
NOx nguyên liệu chiếm tỷ lệ khá nhỏ trong các lò nung xi măng.
Sự hình thành của NOx phụ thuộc vào nhiệt độ vùng đốt, thời gian khí lƣu trú
và nồng độ oxy trong vùng đốt ở nhiệt độ cao. Nhiệt độ ngọn lửa phụ thuộc rất

7


nhiều vào loại nhiên liệu bị đốt cháy. Nồng độ oxy trong vùng đốt phụ thuộc vào
tổng lƣợng không khí dƣ đƣợc sử dụng và tỷ lệ giữa không khí đốt sơ cấp và thứ
cấp.
1.1.3. Phát thải SO2
SO2 hình thành từ quá trình đốt cháy nhiên liệu có chứa lƣu huỳnh ở trong lò
nung và từ các nguyên liệu thô có chứa lƣu huỳnh. Phát thải SO 2 trong nguyên liệu
thô ít hơn phát thải SO2 trong nhiên liệu. Trong lò quay, nguyên liệu thô bị oxy hóa
thành SO2 và SO3 ở nhiệt độ từ 370 đến 420oC chiếm ƣu thế trong lò sấy sơ bộ. Lƣu
huỳnh dioxit (SO2) đƣợc hình thành bởi sự phân hủy nhiệt của canxi sunfat khi
nung clinker. Trong điều kiện có tính kiềm cao trong lò nung, các oxit lƣu huỳnh có
thể bị hấp thụ 90%. SO3 có mặt trong anhydrite và có thể dễ dàng phân hủy thành
SO2 và O2. SO2 đƣợc giải phóng và hấp thụ trong toàn bộ hệ thống xử lý pyro, bắt

đầu từ nghiền thô, tiếp tục qua sấy sơ bộ/ tiền canxi và đốt cháy, kết thúc bằng sản
xuất clinke. Các phản ứng đƣợc liệt kê nhƣ sau:
Bảng 1.1. Quy trình phản ứng SO2
Quá trình
Nguyên liệu thô
Khu vực sấy sơ bộ
Khu vực canxi hóa

Vùng cháy

Sự hình thành SO2

Sự hấp thụ SO2

Sulfides + O2 → Oxides + SO2

CaCO3 + SO2 → CaSO3 +

Organic S + O2 → SO2

CO2

Sulfides + O2 → Oxides + SO2

CaCO3 + SO2 → CaSO3 +

Organic S + O2 → SO2

CO2

Fuel S + O2 → SO2

CaO + SO2 → CaSO3

CaSO4 + C → CaO + SO2 + CO

CaSO3 + ½ O2 → CaSO4
NaO + SO2 + ½ O2 → NaSO4

Fuel S + O2 → SO2
Sulfates → Oxides + SO2 + ½ O2

K2O + SO2 + ½ O2 → K2SO4
CaO + SO2 + ½ O2 → CaSO4

Nguồn: [15]
Nghiền thô và sấy sơ bộ/ tiền caxi sử dụng khí thải lò nung để đốt và nung
nóng cho quá trình cấp liệu trong lò nung.
1.2.4. Phát thải CO2

8


Sản xuất xi măng đƣợc coi là một trong những ngành công nghiệp phát thải
cacbon dioxit cao nhất trên thế giới. 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. Sự phân hủy hóa học của đá vôi thƣờng phát ra
khoảng 60-65% tổng lƣợng khí thải (quá trình canxi hóa – phát thải trực tiếp CO2).
Quá trình khử cacbon này là quá trình tiêu tốn nhiều năng lƣợng nhất trong quá
trình. Lƣợng CO2 đƣợc tạo ra trong quá trình nung đƣợc biểu diễn nhƣ sau:

Nung đá vôi: CaCO3 đƣợc phân hủy thành vôi (CaO) theo phản ứng:
to

CaCO3

CaO + CO2

(3)

Phần CO2 còn lại thải ra trong quá trình sản xuất xi măng là từ việc đốt nhiên
liệu hóa thạch để đốt nóng trong lò nung để cung cấp năng lƣợng nhiệt cần thiết cho
quá trình canxi hóa (phát thải gián tiếp CO2). Lò nung trong quá trình canxi hóa
diễn ra đƣợc nung nóng đến khoảng 1.450oC. Lò nung thƣờng đƣợc đốt nóng bằng
than, khí đốt tự nhiên hoặc dầu. Trung bình 100 đến 110 kWh điện năng tiêu thụ khi
sản xuất 1 tấn xi măng. Lƣợng CO2 phát thải từ lƣợng điện sử dụng trung bình
khoảng 5% tổng lƣợng CO2 phát thải của ngành công nghiệp xi măng [26].
Các quá trình phát thải CO2 trong sản xuất xi măng nhƣ sau:
Đốt cháy nhiên liệu (than đá) để sản xuất clinker:
C + O2

to

CO2

(4)

Đốt nhiên liệu (xăng, dầu) cho hoạt động vận chuyển, khởi động…
HmCn + O2

to

CO2 + H2O

(5)

Tổng lƣợng phát thải CO2 sẽ phụ thuộc vào quy trình sản xuất (hiệu suất của
các quá trình sản xuất chính và phụ); nhiên liệu sử dụng và tỷ lệ clinher/xi măng.
1.2. Công nghệ xử lý khí thải trong sản xuất xi măng trên thế giới và Việt Nam
1.2.1. Công nghệ xử lý khí thải trong sản xuất xi măng trên thế giới
1.2.1.1. Phương pháp xử lý bụi
 Buồng lắng bụi

9


Đây là loại thiết bị đơn giản nhất. Phƣơng pháp thu gom bụi hoạt động theo
nguyên lý sử dụng lực hấp dẫn, trọng lực để lắng đọng những phần tử bụi ra khỏi
không khí.
Buồng lắng bụi đƣợc áp dụng để lắng bụi thô có kích thƣớc 60÷70µm trở lên.
Tuy vậy, các hạt bụi có kích thƣớc nhỏ hơn vẫn có thể giữ lại trong buồng lắng.
* Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, chi phí đầu tƣ, vận hành, bảo dƣỡng thấp, tổn thất
áp suất thấp.
* Nhược điểm:
- Thiết bị cồng kềnh, chiếm nhiều không gian, chỉ thu hồi đƣợc bụi có kích
thƣớc lớn
 Cyclon
Hoạt động của cyclon dựa trên tác dụng của lực ly tâm khi dòng khí chuyển
động xoáy trong thiết bị. Do tác dụng của lực này, các hạt bụi có trong khí bị văng về
phía thành cyclon và tách ra khỏi dòng khí lắng xuống. Khí sạch đi ra phía bên trên
của thiết bị.

Trong vòng chuyển động xoáy ốc, các hạt bụi chịu tác động của lực ly tâm sẽ va
vào thành ống, do đó, mất động năng nên bị rơi xuống đáy phễu.
* Ưu điểm: Chi phí đầu tƣ thấp, cấu tạo đơn giản, dễ vận hành, chi phí sửa chữa,
bảo hành thấp, có khả năng làm việc liên tục.
* Nhược điểm: Hiệu quả vận hành kém khi bụi có kích thƣớc nhỏ hơn 5µm,
hiệu suất giảm nếu bụi có độ kết dính cao.
 Phương pháp lọc tĩnh điện
Thiết bị lắng tĩnh điện sử dụng một hiệu điện thế cực cao để tách bụi, hơi
sƣơng, khói khỏi dòng khí.
Có 4 bƣớc cơ bản đƣợc thực hiện:
- Bòng điện làm các hạt bụi bị ion hóa
- Chuyển các ion bụi từ các bề mặt thu bụi bằng lực điện trƣờng

10


- Trung hòa điện tích của các ion bụi lắng trên bề mặt thu
- Tác bụi lắng ra khỏi bề mặt thu. Các hạt bụi có thể đƣợc tách ra bởi một
áp lực hay nhờ rửa sạch.
* Ưu điểm: Hiệu quả thu hồi cao với những hạt có kích thƣớc nhỏ, tổn thất áp
suất tƣơng đối thấp, có thể xử lý lƣu lƣợng lớn, nhiệt độ khí thải cao.
* Nhược điểm: Chất ô nhiễm thể khí và hơi không thể thu hồi và xử lý, chi phí
bảo dƣỡng cao, dễ cháy nổ.
1.2.1.2. Phương pháp xử lý NOx
Nguồn hình thành NOx phát thải trong lò quay chủ yếu theo 3 dạng: NOx do
nhiệt (thermal NOx); NOx từ nhiên liệu (fuel NOx) và NOx từ nguyên liệu (feed
NOx): Trong đó, NOx nhiệt, sinh ra từ phản ứng của N2 và O2 ở nhiệt độ cao và NOx
nhiên liệu, sinh ra từ sự oxy hóa các hợp chất chứa nito trong nhiên liệu là 2 nguồn
có lƣợng phát thải lớn sinh ra trong quá trình đốt. NOx từ nguyên liệu chiếm tỷ lệ
khá nhỏ.

Công nghệ ngăn ngừa phát thải NOx gồm 2 loại là công nghệ kiểm soát phát
sinh (thải) NOx và công nghệ xử lý NOx trong ống khói.

Công nghệ kiểm
soát phát thải NOx
Công nghệ ngăn
ngừa phát thải
NOx
Công nghệ xử lý
NOx trong ống khói

Cải tiến
quá trình
đốt

Thay đổi điều
kiện vận hành
Thay đổi thiết
bị đốt

Thay đổi
Cải tiến
nhiên liệu đốt
nhiên liệu
Xử lý NOx
trong nhiên
liệu
Xử lý khô
(Khử có xúc tác NOx bằng
NH3)

Xử lý ƣớt
(Quá trình oxy hóa khử, vv...)

Hình 1.2. Phân loại công nghệ ngăn ngừa phát thải NOx
Nguồn: [1]

11


a. Các phƣơng pháp kiểm soát phát sinh (thải) NOx
Các phƣơng pháp kiểm soát phát sinh (thải) NOx đƣợc thể hiện trong hình sau:

Yếu tố ảnh hưởng đến lượng phát sinh

N trong
nhiên liệu

NOx
nhiên liệu

Nồng độ O2
Nhiệt độ
ngọn lửa

Phát
sinh
NOx

NOx nhiệt

Thời gian
lƣu

Phương pháp kiểm soát

Nhiên liệu
chứa ít N

Thay đổi
nhiên liệu đốt

Giảm nồng
độ O2

Xử lý N
trong nhiên
liệu
Thay đổi
điều kiện vận
hành
Thay đổi
thiết bị đốt

Giảm nhiệt
độ ngọn
lửa
Giảm thời
gian lƣu

Cải tiến

nhiên liệu

Cải tiến quá
trình đốt

Hình 1.3. Công nghệ kiểm soát phát thải NOx
Nguồn: [1]
Sử dụng công nghệ đốt phát sinh NOx thấp, các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình
gồm: Sử dụng nhiên liệu chứa lƣợng các hợp chất nitơ hữu cơ thấp, giữ nồng độ O2
thấp trong buồng đốt, giảm thời gian lƣu trong buồng đốt ở nhiệt độ cao, giảm nhiệt
độ đốt và loại bỏ các vùng cục bộ có nhiệt độ cao.
* Phƣơng pháp làm giảm lƣợng NOx phát sinh
Phƣơng pháp này gồm 3 loại: cải thiện nhiên liệu, giảm nitơ trong nguyên liệu
thô và cải tiến quá trình cháy.
Chuyển đổi sang nhiên liệu chứa ít các thành phần nitơ và lƣu huỳnh. Thƣờng
thì nhiên liệu chứa ít lƣu huỳnh cũng chứa ít nitơ. Việc sử dụng nhiên liệu có chứa
nƣớc ở thể nhũ tƣơng tự cũng rất hiệu quả trong việc giảm lƣợng NOx phát sinh do
giảm nhiệt độ cháy và giảm thời gian cháy. Nhiên liệu thể nhũ tƣơng đƣợc tạo ra

12


bằng cách trộn dầu với một lƣợng nhỏ nƣớc và chất hoạt động bề mặt. Kích cỡ hạt
nhũ tƣơng của nhiên liệu vài microns.
Cải tiến quá trình đốt có thể đƣợc thực hiện bằng 2 cách: Sử dụng lò đốt phát
thải NOx thấp và thay đổi điều kiện vận hành.
* Giảm nitơ trong nguyên liệu thô: thƣờng khó thực hiện vì thành phần hóa
các mỏ hầu nhƣ đều nằm trong dải, rất khó để loại bỏ nitơ.
* Công nghệ đốt ít phát sinh NOx
Nguyên lý cơ bản của công nghệ nhƣ sau:

-

Giảm nồng độ O2 trong buồng đốt (chỉ có hiệu quả ở buồng canxi hóa)

-

Giảm đỉnh nhiệt độ của ngọn lửa

-

Giảm thời gian lƣu của khí trong vùng nhiệt cao: phƣơng pháp không khả thi
vì thời gian phản ứng hình thành NOx thƣờng rất ngắn.

Các loại buồng đốt ít phát thải NOx sau đang đƣợc nghiên cứu phát triển:
-

Buồng đốt nhanh (buồng đốt khuấy trộn tốt)

-

Buồng đốt chậm

-

Buồng đốt phân chia ngọn lửa

-

Buồng đốt tự tuần hoàn

-

Buồng đốt hai giai đoạn

b. Công nghệ xử lý NOx trong khí thải
Phƣơng pháp xử lý khí thải sau quá trình cháy giúp kiểm soát nồng độ NO x
trƣớc khi chúng theo dòng khí thải ra ngoài môi trƣờng. Đây là phƣơng pháp tối ƣu
nhất để giảm phát thải NOx. Hiện nay, đối với phƣơng pháp xử lý này thì công nghệ
SNCR và SCR đang là các công nghệ hiệu quả nhất để giảm phát thải NO x ra ngoài
môi trƣờng.
* Khử chọn lọc không xúc tác (SNCR – Selective non-catalytic reduction)
Khử chọn lọc không xúc tác là công nghệ xử lý NOx sau quá trình cháy bằng
phản ứng hóa học. Mục tiêu cuối cùng của phản ứng là tạo ra những sản phẩm
không độc hại. SNCR về cơ bản là phun ammonia dƣới dạng sƣơng hoặc ure trong
khí lò ở nhiệt độ thích hợp. Dung dịch ammonia (~ 20%) là thuốc thử đƣợc sử dụng

13


thƣờng xuyên nhất cho các lò nung xi măng và kinh nghiệm chỉ ra rằng, dung dịch
amoniac hiệu quả nhất cho các lò nung xi măng có PH/PC [6]. Sản phẩm cuối cùng
của phản ứng là N2 (một khí tƣơng đối trơ về mặt hóa học) không gây hại đến con
ngƣời và môi trƣờng.
Thiết bị dùng trong công nghệ SNCR bao gồm một két chứa dung môi, bơm
và hệt hống khí nén chuyển dung môi sang dạng sƣơng mù và hệ thống vành phun.
Dung môi đƣợc phun trực tiếp vào dòng khí thải.
Cả ammonia và urea đều sử dụng hiệu quả trong công nghiệp xi măng để
giảm NOx. Tuy vậy, chúng vẫn có một số ƣu, nhƣợc điểm khác nhau.
Dung dịch ammonia sử dụng ở cả 2 dạng là dung dịch và khan. Dùng dạng
khan liên quan đến vấn đề an toàn khi lƣu trữ. Nếu dùng dung dịch ammonia thì

phải đảm bảo nồng độ trên 28%.
Ammonia

Urea

NH3

CO(NH2)2
Phân hủy

NH3

NH3 + HCNO

NH3 + OH

NH2 + H2O

NH2 + NO

HCNO + H

NH2 + CO

HCNO + OH

NCO + H2O

N 2 + H2 O

N2O + OH

NCO + NO

N2O + CO

NCO + NO

N2 + CO2

N2 + HO2

N2 O + H

N2 + OH

Hình 1.4. Sơ đồ phản ứng khử NOx bằng NH3 hoặc urea

14


Bằng cách cung cấp khí NH3 vào dòng khí thải có nhiệt độ cao, NO đƣợc khử
chọn lọc thành N2 mà không cần chất xúc tác. Phản ứng diễn ra rất nhanh ở nhiệt độ
trên 900 oC và NOx tối đa đạt đƣợc ở nhiệt độ khoảng 1000oC. Ở nhiệt độ khí lò
thấp, tốc độ phản ứng là chậm và không hiệu quả, ammonia đƣợc đƣa vào sẽ không
phản ứng và sẽ bị mất dƣới dạng khí. Hiện tƣợng này gọi là trôi NH 3. Đây cũng là
một nhƣợc điểm đáng kể của hệ thống SNCR. Khi nhiệt độ cao cũng có hiện tƣợng
tƣơng tự do NH3 sẽ phản ứng với O2 thay vì phản ứng với NOx:
4NH3 + 5O2

4NO + 6H2O (6)

Với urea, dung dịch thƣờng đƣợc sử dụng là dung dịch 50%. Để tránh bị đông
đặc khi giảm nhiệt, urea phải luôn đƣợc đun nóng. Tuy nhiên, urea không độc hại
nhƣ ammonia, điều đó đồng nghĩa với việc bảo quản và lƣu trữ sẽ dễ dàng hơn
nhiều. Sử dụng ure đƣợc phun ở dạng sƣơng mù vào trong lò đốt. Chi phí đầu tƣ và
vận hành của phƣơng pháp này là thấp nhất. Xử lý bằng dung dịch ure rất đơn giản
và an toàn.
Các yếu tố thiết kế và vận hành ảnh hƣởng quan trọng đến việc giảm NO x
trong hệ thống SCNR nhƣ: thời gian lƣu có sẵn trong nhiệt độ tối ƣu, mức độ pha
trộn giữa thuốc thử phun vào và khí thải, nồng độ NOx không kiểm soát và tỷ lệ mol
của thuốc thử tiêm vào NOx không kiểm soát đƣợc
* Khử chọn lọc có xúc tác (SCR – Selective catalytic reduction)
Khử chọn lọc có xúc tác là quá trình thêm ammoniac hoặc ure để loại bỏ NO x
với nguyên tắc hoàn toàn tƣơng tự công nghệ SNCR. Tuy nhiên, một điểm khác biệt
của phƣơng pháp này là sử dụng chất xúc tác để thúc đẩy phản ứng hóa học giữa
dung môi và NOx và cho phép phản ứng xảy ra ở ngay cả điều kiện nhiệt độ thấp.
Chất xúc tác thƣờng là pentoxide, titan dioxit, pentoxit hoặc vật liệu gốm có độ xốp
cao điển hình là zeolite.

15


Quá trình SCR đã đƣợc chứng minh là làm giảm lƣợng khí thải NOx từ các
nguồn đốt chẳng hạn nhƣ lò đốt và nồi hơi đƣợc sử dụng trong các nhà máy điện và
đƣợc sử dụng rộng rãi trên tuabin khí, động cơ đốt trong (IC) và nồi hơi đốt nhiên
liệu hóa thạch.
Trong quy trình SCR, amoniac khan thƣờng đƣợc pha loãng với không khí
hoặc hơi nƣớc hoặc dung dịch ammonia và đƣợc phun qua lớp xúc tác để làm giảm
lƣợng khí thải NOx. Khi phản ứng xúc tác đƣợc hoàn thành, NOx đƣợc khử thành

nitơ và nƣớc. Phạm vi giới hạn nhiệt độ cần thiết hoàn thành phản ứng này là 300450oC [10]. Chất xúc tác không đƣợc tiêu thụ trong quá trình nhƣng cho phép các
phản ứng xảy ra ở mức nhiệt độ thấp hơn. Nhiệt độ tối ƣu cho các phản ứng xúc tác
phụ thuộc vào chất xúc tác cụ thể đƣợc sử dụng.
Hiệu quả giảm NOx sẽ cao hơn nhiều ngay cả trong điều kiện nhiệt đô thấp.
Điều đó đồng nghĩa với việc hệ thống này rất thích hợp để lắp đặt tại những vị trí có
nhiệt độ thấp nhƣ đầu ra của tháp trao đổi nhiệt của hệ thống lò quay.
Cơ chế xử lý NOx có xúc tác (SCR) với tác nhân khử là NH3 nhƣ sau:
NOx (NO và NO2) trong khí thải bị khử thành N2 và hơi nƣớc (H2O) nhờ phản
ứng của dung dịch NH3 (dạng sƣơng) vào trong khí thải ở 250 - 450oC.
Phƣơng trình hóa học:
4NO + 4NH3 + O2

4N2 + 6H2O

(7)

NO + NO2 + 2NH3

2N2 + 3H2O

(8)

Hiệu quả của việc kiểm soát NOx bằng quy trình này hiệu quả từ 80 - 90%
trong điều kiện hoạt động tối ƣu, mặc dù nó phụ thuộc vào loại chất xúc tác, lƣợng
ammonia phun, nồng độ NOx ban đầu và tuổi thọ của chất xúc tác.
Các yếu tố ảnh hƣởng tới hiệu suất của hệ thống SCR nhƣ hàm lƣợng SO 2
trong khí thải. SO2 trong dòng khí thải có thể bị oxi hóa bởi chất xúc tác trong hệ
thống SCR thành SO3, lƣợng SO3 sinh ra này có thể phản ứng với NH3 hoặc urea
tạo thành các muối ammonium có tính axit phá hỏng thiết bị.

16