Nghiên cứu thực trạng phát thải tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trên địa bàn tỉnhthái nguyên và định hướng giải pháp thu gom tái sử dụng trong việc cải tạo đất và bảo vệ môi trường
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.08 MB, 82 trang )
ĐẠI HỌC THÁI NGUN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM
––––––––––––––––––––
BẠCH ĐÌNH LINH
NGHIÊN CỨU THỰC TRẠNG PHÁT THẢI TRO BAY
TỪ CÁC NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN TRÊN ĐỊA BÀN
TỈNH THÁI NGUYÊN VÀ ĐỊNH HƯỚNG GIẢI PHÁP
THU GOM TÁI SỬ DỤNG TRONG VIỆC CẢI TẠO
ĐẤT VÀ BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG
THÁI NGUYÊN – 2020
ĐẠI HỌC THÁI NGUN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM
––––––––––––––––––––
BẠCH ĐÌNH LINH
NGHIÊN CỨU THỰC TRẠNG PHÁT THẢI TRO BAY
TỪ CÁC NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN TRÊN ĐỊA BÀN
TỈNH THÁI NGUYÊN VÀ ĐỊNH HƯỚNG GIẢI PHÁP
THU GOM TÁI SỬ DỤNG TRONG VIỆC CẢI TẠO
ĐẤT VÀ BẢO VỆ MƠI TRƯỜNG
Ngành: Khoa học mơi trường
Mã số ngành: 8.64.01.03
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG
Người hướng dẫn khoa học: GS.TS ĐẶNG VĂN MINH
THÁI NGUYÊN – 2020
i
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tơi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ
nguồn gốc
Thái Nguyên, ngày tháng năm 2020
Người viết cam đoan
ii
LỜI CÁM ƠN
Để hoàn thiện được luận văn tốt nghiệp ngồi sự nỗ lực của bản thân,
tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới các thầy cô giáo trong khoa
Khoa học Môi trường, Trường Đại học Nông Lâm - Đại học Thái Nguyên đã
luôn quan tâm và tận tình truyền đạt những những kiến thức quý báu cho tôi
trong thời gian học tập và rèn luyện tại trường.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới Thầy hướng dẫn khoa học là
GS.TS Đặng Văn Minh đã tận tình hướng dẫn, định hướng và tạo điều kiện
cho tôi trong suốt thời gian thực hiện Luận văn thạc sỹ này.
Trân trọng cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã khích lệ tơi thực hiện đề tài. Cuối
cùng, tơi xin dành lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè những người
quan tâm động viên, đồng thời là chỗ dựa tinh thần lớn giúp tơi hồn thành tốt
nhiệm vụ được giao trong suốt thời gian học tập và làm Luận
văn vừa qua.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày tháng năm 2020
Học viên
Bạch Đình Linh
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.............................................................................................................................. 2
LỜI CÁM ƠN..................................................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT........................................................................................ vi
MỞ ĐẦU................................................................................................................................................ 1
1. Tính cấp thiết của đề tài............................................................................................................ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................................... 2
3. Ý nghĩa của đề tài......................................................................................................................... 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU................................................................................ 4
1.1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài.......................................................................... 4
1.1.1.Cơ sở khoa học....................................................................................................................... 4
1.1.3.2. Sản lượng tro bay và tình hình sử dụng tro bay trên thế giới.................17
1.2. Tình hình nghiên cứu xử lý và ứng dụng tro bay ở nước ngoài và nước ta
................................................................................................................................................................... 20
1.2.1. Các nghiên cứu nước ngoài.......................................................................................... 20
1.2.2. Các nghiên cứu ở Việt Nam......................................................................................... 22
1.2.3. Các ứng dụng đối với tro bay...................................................................................... 25
1.3.3. Ứng dụng tro bay trong một số lĩnh vực công nghiệp trên thế giới........26
1.3.4. Tại Việt Nam........................................................................................................................ 31
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU....................37
2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.................................................................................. 37
2.1.1. Đối tượng............................................................................................................................... 37
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu.......................................................................................................... 37
2.2. Nội dung nghiên cứu............................................................................................................ 37
2.3. Phương pháp nghiên cứu................................................................................................... 38
2.3.1. Phương pháp thống kê, kế thừa truyền thống..................................................... 38
2.3.2. Phương pháp điều tra sự phát tán tro bay và tác động tới môi trường,
sức khỏe cộng đồng....................................................................................................................... 38
iv
2.4.3. Phương pháp xử lý và tổng hợp số liệu................................................................. 39
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN................................. 40
3.1. Điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội của tỉnh Thái Nguyên.............................. 40
3.1.1. Điều kiện tự nhiên............................................................................................................. 40
3.1.2. Đặc điểm kinh tế - xã hội.............................................................................................. 42
3.2.Đánh giá nguồn phát thải và thực trạng thu gom tro bay tại các nhà máy
nhiệt điện ở Thái Nguyên............................................................................................................ 45
3.2.1. Đánh giá nguồn phát thải và thành phần tro bay tại các nhà máy nhiệt
điện ở Thái Nguyên........................................................................................................................ 45
3.3. Đánh giá tác động của tro bay tới sức khỏe và môi trường............................. 49
3.3.1. Hoạt động phát sinh chất thải tro bay của nhà máy ảnh hưởng tới mơi
trường khơng khí, nước và đất................................................................................................. 49
3.3.2. Đánh giá ảnh hưởng của tro bay tới chất lượng của khơng khí tại các vị
trí quan trắc khác nhau................................................................................................................. 50
3.3.3. Đánh giá tác động của tro bay đến môi trường và sức khỏe người dân 53
3.4.Đề xuất giải pháp nâng cao hiệu suất thu gom và tái sử dụng tro bay........56
3.4.1. Các giải pháp nâng cao hiệu suất thu hồi tro bay............................................. 56
3.4.2. Đề xuất các giải pháp tái sử dụng tro bay............................................................. 58
1. Kết luận........................................................................................................................................... 65
2. Kiến nghị........................................................................................................................................ 66
v
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1.Thành phần hóa học của tro bay theo Quốc gia............................................ 9
Bảng 1.2.Thành phần hóa học tro bay ở Ba Lan từ các nguồn nguyên liệu
khác nhau............................................................................................................................................. 10
Bảng 1.3.Tiêu chuẩn tro bay theo ASTM C618.............................................................. 12
Bảng 1.4. Phân bố kích thước hạt các phân đoạn tro bay Israel.............................16
Bảng 1.5 Kích thước hạt tro bay thương phẩm............................................................... 16
Bảng 3.8. Nguồn tro bay của các nhà máy nhiệt điện.................................................. 46
trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên.................................................................................................. 46
Bảng 3.9. Thành phần, tính chất của tro bay.................................................................... 47
Bảng 3.10. Kết quả đo, phân tích chất lượng mơi trường khơng khí khu vực
làm việc của nhà máy nhiệt điện An Khánh và nhiệt điện Cao Ngạn.................50
Bảng 3.11: Kết quả đo, phân tích khí thải và bụi tro bay của nhà máy..............52
Bảng 3.12: Kết quả điều tra về chất lượng mơi trườngkhơng khí đối với người
dân sống xung quanh nhà máy nhiệt điện An Khánh và............................................ 53
nhà máy nhiệt điện Cao Ngạn.................................................................................................. 53
Bảng 3.13: Kết quả điều tra
cán bộ bảo vệ môi trường về chất lượng mơi
trường khơng khí xung quanh nhà máy nhiệt điện An Khánh................................. 55
và nhà máy nhiệt điện Cao Ngạn............................................................................................ 55
Bảng 3.14. Kết quả điều ra về tỉ lệ mắc bệnh liên quan đến bụi đối với các hộ
gia đình sống xung quanh nhà máy....................................................................................... 56
Bảng 3.15. Bảng kết quả các chỉ tiêu kim loại Pb, Zn, Cd (Tất cả kim loại
thuộc dạng di động) sau 90 ngày ủ tro bay........................................................................ 58
vi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
Ý nghĩa của từ viết tắt
NMNĐ Nhà máy nhiệt điện
KLN Kim loại nặng
QCVN Quy chuẩn Việt Nam
KCN Khu công nghiệp
CSTN Cao su thiên nhiên
QĐ Quyết định
BYT Bộ Y tế
VSV Vi sinh vật
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Tro bay là chất thải từ việc đốt nguyên liệu như than đá. Do đặc tính nhẹ
có thể bay xa nên có nhiều đặc điểm có thể gây hại tới mơi trường khơng khí,
mơi trương xung quanh các khu vực có nguồn phát thải tro bay. Tro bay là
những hạt tro rất nhỏ bị cuốn theo khí từ ống khói của các nhà máy nhiệt điện
do đốt nhiên liệu than. Đối với các nhà máy nhiệt điện sử dụng than làm
nguyên liệu đốt thì lượng tro bay phát thải là rất lớn.Mỗi năm các NMNĐ của
Việt Nam tiêu thụ khoảng 30 triệu tấn than, thải ra khoảng 10 triệu tấn tro, Tro
bay được hình thành khi đốt nhiên liệu than (trong các lị hơi của NMNĐ,
trong lò quay của nhà máy xi măng, trong lò cao của nhà máy luyện kim,
trong lò tunel của các xí nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng v.v.).
Bên cạnh đó, xã hội phát triển mạnh mẽ, nhu cầu về điện của người dân
tăng đã gây áp lực lên ngành điện nước ta, đặc biệt là ngành nhiệt điện. Theo
quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 - 2020, định hướng đến
năm 2030, tổng công suất đạt khoảng 36.000MW (năm 2020) và sẽ tiêu thụ
khoảng 67,3 triệu tấn than, khi đó lượng tro xỉ thải ra môi trường khoảng 20 25 triệu tấn. Lượng tro xỉ sẽ tăng lên 45 triệu tấn vào năm 2030 khi công suất
nhiệt điện đốt than đạt 71.000MW. Cùng với sự phát triển đó, vấn đề tro xỉ
trong đó tro bay chiếm 70% đã và đang là bài toán được đặt ra với nhiều cấp,
ngành, nhà quản lý, hoạch định chính sách và các nhà khoa học tìm biện pháp
quản lý cũng như tái sử dụng tro bay hiệu quả.
Chúng là vật liệu phế thải, nếu không được thu gom, tận dụng sẽ gây ơ
nhiễm mơi trường. Chính vì vậy, các chuyên gia trên thế giới cũng như ở Việt
Nam đang tập trung nghiên cứu để tận dụng loại phế thải sẵn có này nhằm tạo
ra các sản phẩm mới đáp ứng các yêu cầu chất lượng và hạn chế ơ nhiễm mơi
trường vì tro bay cũng cịn được xem là vật liệu được tái sử dụng nhiều mục
2
đích khác nhau như cải tạo mơi trường đất do tro bay có khả năng hấp phụ
kim loại nặng trong đất, làm vật liệu xây dựng.
Tại Thái Nguyên có nhiều mỏ than và các nhà máy nhiệt điện sử dụng
than. Việc phát thải tro bay từ các nhà máy này là rất lớn. Tuy nhiên có nhiều
hạn chế trong việc thu gom quản lý và tái sử dụng nguồn chất thải tro bay.
Theo Quy hoạch điện, tỷ trọng của các nhà máy nhiệt điện (NMNĐ) chạy
than cịn lớn (về cơng suất đặt, cũng như về sản lượng điện phát ra).Hàng
năm, các nhà máy nhiệt điện chạy than ở Thái Nguyên thải ra với khối lượng
lớnnhưng công nghệ xử lý tro, ý thức bảo vệ môi trường và tiết kiệm tài
nguyên chưa cao.Vì vậy, việc xử lý chất thải của các NMNĐ than (tro bay qua
ống khói) đang ngày càng trở nên bức thiết.
Chính vì vậy, việc nghiên cứu và đưa ra các giải pháp xử lý chất thải một
cách khép kín, đồng bộ và triệt để nhằm giảm tối thiểu khối lượng phải tồn
chứa ở các bãi chứa, hạn chế mức tối đa những ảnh hưởng của chúng đến môi
trường đất, nước và sức khỏe của cộng đồng là rất cần thiết.
Với mục đích đánh giá thực trạng phát thải, quản lý thu gom tro bay, đây là
vật liệu phụ phẩm công nghiệp quan trọng từ các nhà máy nhiệt điện tại Thái
Nguyên nhằm đề xuất định hướng giải pháptái sử dụng phế phụ phẩm tro bay
làm nguyên liệu cải tạo và phục hồi những vùng đất ô nhiễm, chúng tôi tiến hành
nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu thực trạng phát thải tro bay từ các nhà
máy nhiệt điện trên địa bàn tỉnhThái Nguyên và định hướng giải pháp
thu gom tái sử dụng trong việc cải tạo đất và bảo vệ môi
trường” 2. Mục tiêu nghiên cứu
- Đánh giá thực trạng phát thải của tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trên
địa bàn tỉnh Thái Nguyên.
- Đánh giá tác động của tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trên địa bàn
tỉnh Thái Nguyên đến sức khỏe, môi trường xung quanh.
3
- Đề xuất các giải pháp định hướng thu gom và tái sử dụng trong cải tạo
đất và bảo vệ môi trường
3. Ý nghĩa của đề tài
- Đưa ra nhữngđánh giá trung nhất về thực trạng phát thải của các nhà
máy nhiệt điện trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên
Tạo cơ sở cho cơng tác lập kế hoạch xây dựng chính sách bảo vệ môi
trường và kế hoạch giải quyết nâng cao tình trạng gây ơ nhiễm từ nhà máy.
4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài
1.1.1.Cơ sở khoa học
1.1.1.1 Khái niệm chung
- Môi trường: Theo khoản 1 điều 3 “Luật Bảo vệ Môi trường Việt Nam
năm 2014”, môi trường được định nghĩa như sau: “Môi trường là hệ thống các
yếu tố vật chất tự nhiên và nhân tạo có tác động đối với sự tồn tại và phát triển
của con người và sinh vật” (Snellings, R., Mertens G., Elsen J. , 2012).
- Ơ nhiễm mơi trường : Theo khoản 6 điều 3 “Luật Bảo vệ Môi trường
Việt Nam năm 2014” : “Ơ nhiễm mơi trường là sự biến đổi của các thành
phần môi trường không phù hợp với quy chuẩn kỹ thuật môi trường và tiêu
chuẩn môi trường gây ảnh hưởng xấu đến con người và sinh vật. (Snellings,
R., Mertens G., Elsen J. , 2012).
- Hoạt động bảo vệ môi trường: Theo khoản 3 điều 3 “Luật Bảo vệ Môi
trường Việt Nam 2014” : “Hoạt động bảo vệ môi trường là hoạt động giữ gìn,
phịng ngừa, hạn chế các tác động xấu đến mơi trường; ứng phó sự cố mơi
trường; khắc phục ơ nhiễm, suy thối, cải thiện, phục hồi mơi trường; khai
thác, sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên nhằm giữ môi trường trong lành”.
- Khái niệm tiêu chuẩn môi trường: Theo khoản 6 điều 3 “Luật Bảo vệ
Môi trường Việt Nam 2014”: “Tiêu chuẩn môi trường là mức giới hạn của các
thông số về chất lượng môi trường xung quanh, hàm lượng của các chất gây ơ
nhiễm có trong chất thải, các yêu cầu kỹ thuật và quản lý được các cơ quan
nhà nước và các tổ chức công bố dưới dạng văn bản tự nguyện áp dụng để bảo
vệ môi trường..
5
- Quy chuẩn kỹ thuật môi trường: Theo khoản 5 điều 3 “Luật Bảo vệ
Môi trường Việt Nam năm 2014” : “Quy chuẩn kỹ thuật môi trường là mức
giới hạn của các thông số về chất lượng môi trường xung quanh, hàm lượng
của các chất gây ơ nhiễm có trong chất thải, các yêu cầu kỹ thuật và quản lý
được cơ quan nhà nước có thẩm quyền ban hành dưới dạng văn bản bắt buộc
áp dụng để bảo vệ môi trường.”
1.1.1.2. Mơi trường khơng khí và ơ nhiễm mơi trường khơng khí
*Mơi trường khơng khí: Mơi trường khơng khí là lớp khơng khí bao
quanh trái đất.
*Ơ nhiễm mơi trường khơng khí: "Ơ nhiễm khơng khí là sự có mặt một
chất lạ hoặc một sự biến đổi quan trọng trong thành phần khơng khí, làm cho
khơng khí khơng sạch hoặc gây ra sự toả mùi, có mùi khó chịu, giảm tầm nhìn
xa (do bụi)". (Chusid, Michael; Miller, Steve; & Rapoport, Julie, 2009).
Vấn đề ơ nhiễm khơng khí có thể chia một cách đơn giản thành 3 phần
cơ bản sau đây:
Nguồn ô nhiễm → Khí quyển → Nguồn tiếp nhận - Nguồn ô nhiễm là
nguồn thải ra các chất ô nhiễm.Chất thải từ nguồn ô nhiễm phải được khống chế
tại chỗ trước khi thải vào khí quyển.Các hệ thống khống chế ơ nhiễm tại nguồn
thải bao gồm: Thay đổi nguyên liệu, nhiên liệu gây ô nhiễm nhiều bằng nguyên
nhiên liệu gây ô nhiễm ít hoặc khơng gây ơ nhiễm, cải tiến dây chuyền sản xuất
để hạn chế ô nhiễm, nâng cao ống khói, thiết bị làm sạch khí thải.
- Khí quyển là môi trường trung gian để vận chuyển các chất ô nhiễm từ
nguồn phát thải đến nơi tiếp nhận.Khí quyển được chia làm 4 tầng dựa trên sự
biến thiên nhiệt độ theo độ cao:
+ Tầng đối lưu: Lớp khí quyển tiến giáp mặt đất có bề dày 10 – 12km ở
vĩ độ trung bình và khoảng 16 – 18km ở các cực.Tầng đối lưu hầu như hoàn
toàn trong suốt với các tia bức xạ sóng ngắn của mặt trời nhưng thành phần
6
hơi nước trong phần đối lưu hấp thụ rất mạnh bức xạ sóng dài của mặt đất, do
đó tầng đối lưu được nung nóng chủ yếu từ mặt đất.Từ đó phát sinh ra sự xáo
trộn khơng khí theo chiều đứng, hình thành ngưng tụ hơi nước và kkeos theo
là mây, mưa.Trong tầng đối lưu nhiệt độ giảm theo chiều cao trung bình
khoảng 0,5 – 0,6 0C/100m.
+ Tầng bình lưu có độ cao từ 12 – 15km trên mặt đất, trong tầng bình lưu
có chứa tầng ozon nhờ đó các tia cực tím trong thành phần bức xạ của mặt trời
bị hấp thụ mạnh nên nhiệt độ ở tầng này tăng theo độ cao đến 00C ở độ cao
55km.
+ Tầng giữa của khí quyển ở phía trên tầng bình lưu có độ cao 50 –
55km đến 85km.Nhiệt độ khơng khí giảm gần như tỉ lệ nghịch bậc nhất với độ
cao và đạt trị số gần -1000C.
+ Tầng nhiệt quyển là tầng trên cùng của khí quyển có lớp khơng khí
lỗng.Nhiệt độ trong tầng nhiệt quyển tăng và đạt đến trị số gần 12000C ở độ
cao 700km.
Hầu như các hiện tượng khí tượng chi phối đặc điểm thời tiết đều xảy ra
trên tầng đối lưu do đó tầng đối lưu có ý nghĩa rất lớn trong sự phát tán chất ô
nhiễm.Ở tầng đối lưu các yếu tố khí tượng (tốc độ gió, hướng gió, nhiệt độ khí
quyển, độ ẩm, khơng khí, bức xạ mặt trời, độ mây che phủ và độ ổn định của
khí quyển), các yếu tố về nguồn thải từ các hoạt động sản xuất của con người
(nhiệt độ khí thải, chiều cao ống khói, vận tốc khí thải, lưu lượng khí thải) và
các yếu tố về địa hình (chiều cao, chiều rộng của các cơng trình, đồi núi,
thung lũng), chất ơ nhiễm sẽ phát tán, pha lỗng, biến đổi hóa học hay xảy ra
các q trěnh sa lắng khơ, sa lắng ướt.Các chất ô nhiễm sơ cấp sinh ra từ
nguồn có thể biến đổi thành các chất ơ nhiễm thứ cấp.Cuối cùng các chất ô
nhiễm sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến nguồn tiếp nhận.
- Nguồn tiếp nhận chất ô nhiễm là con người, động, thực vật…
7
1.1.1.3. Tro bay là gì
* Khái niệm
Tro bay là loại phụ gia khống, hoạt tính nhân tạo, là các sản phẩm phụ
hoặc phế thải thu được trong các quá trình sản xuất công nghiệp, bao gồm
silicafum, tro xỉ nhiệt điện, xỉ hạt lò cao… Trong các nhà máy điện hiện đại,
tro bay thường được bắt bởi tĩnh điện hoặc các thiết bị lọc hạt khác trước khi
khí được thải ra từ các ống khói. Cùng với tro đáy lấy ra từ đáy lò hơi, chúng
được biết đến như tro than.Tùy thuộc vào nguồn và quá trình của than được
đốt cháy, các thành phần của tro bay thay đổi đáng kể, nhưng phần lớn trong
tro bay là silic đioxit (SiO2) (cả hai đều vơ định hình và tinh thể), oxit nhơm
(Al2O3) và oxit canxi (CaO), các hợp chất khống chính trong chứa than đá.
* Phân loại
- Tro bay thường được phân ra thành hai loại tùy theo nguồn than đốt:
+ Loại C có hàm lượng CaO ≥ 5% và thường bằng 15-35%. Đó là sản
phẩm đốt than ligrit hoặc than chứa bitum; chứa ít than chưa cháy, thường < 2%.
+ Loại F có hàm lượng CaO < 5%, thu được từ việc đốt than antraxit
hoặc than chứa bitum, có hàm lượng than chưa cháy nhiều hơn, khoảng 210%. Tro bay Phả Lại thuộc loại F. Do đốt không tốt, nên hàm lượng than
chưa cháy khá cao.
Trên thế giới hiện nay, thường phân loại tro bay theo tiêu chuẩn ASTM
C618. Theo cách phân loại này thì phụ thuộc vào thành phần các hợp chất mà
tro bay được phân làm hai loại là loại C và loại F .
* Tính chất vật lý
- Hình thái: Tro bay là phân tử khối cầu thủy tinh
- Mật độ: 1,9 ~ 2,3 (Chiếm khoảng 65% trọng lượng riêng của xi măng)
- Kích thước phân tử: 1,0 ~ 120/μm (Bình qn kích thước đầu vào: 20
~30/μm
8
- Độ mịn: 2400 ~ 4000 cm2 /g (Độ mịn Blaine)
Tro bay khi lơ lửng trong khí thải được thu thập bằng cách lọc bụi tĩnh
điện hoặc túi lọc. Kể từ khi các hạt củng cố nhanh chóng trong khi lơ lửng
trong khí thải, hạt tro bay nói chung có dạng hình cầu và có kích thước từ 0,5
mm đến 300 mm. Hậu quả chính của việc làm mát nhanh chóng là rất ít
khống sản có thời gian để kết tinh, và chủ yếu là vơ định hình. Các khống
chất ANORTHIT chưa nhiều canxi, gehlenit, akermanite, silicat canxi khác
nhau và canxi aluminat giống với những người tìm thấy trong xi măng có thể
được xác định trong tro bay giàu Canxi. Các hàm lượng thuỷ ngân có thể đạt 1
ppm, nhưng thường được bao gồm trong phạm vi 0,01-1 ppm đối với than
bitum. Nồng độ của các nguyên tố vi lượng khác nhau cũng theo các loại than
đốt để tạo thành nó. Trong thực tế, trong trường hợp của than bitum, với ngoại
lệ đáng chú ý của nguyên tố bo, nồng độ yếu tố vi lượng nói chung là tương tự
để theo dõi nồng độ yếu tố trong đất không bị ơ nhiễm.
* Tính chất hóa học
- Thành phần chính: SiO2, Al2O3, Fe2O3
- Tính chất: Alkali
- Thành phần hóa học:
Tro của các nhà máy nhiệt điện gồm chủ yếu các sản phẩm tạo thành từ
quá trình phân hủy và biến đổi của các chất khống có trong than đá (EPRI
(Project Manager K. Ladwig), 2010). Thơng thường, tro ở đáy lị chiếm
khoảng 25% và tro bay chiếm khoảng 75% tổng lượng tro thải ra. Hầu hết các
loại tro bay đều là các hợp chất silicat bao gồm các oxit kim loại như SiO2,
Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO, CaO,… với hàm lượng than chưa cháy chỉ chiếm
một phần nhỏ so với tổng hàm lượng tro, ngồi ra cịn có một số kim loại
nặng như Cd, Ba, Pb, Cu, Zn,... Thành phần hóa học của tro bay phụ thuộc
9
vào nguồn nguyên liệu than đá sử dụng để đốt và điều kiện đốt cháy trong các
nhà máy nhiệt điện.
Hai lớp học của tro bay được xác định bởi ASTM (American Society for
Testing and Materials) C618: tro bay loại F và loại C. Sự khác biệt chính giữa
các lớp này là lượng canxi, silic, nhôm, và hàm lượng sắt trong tro. Các tính
chất hóa học của tro bụi đều bị ảnh hưởng nhiều bởi phần hoá học của than
đốt (tức là, than bitum và than non).
Bảng 1.1.Thành phần hóa học của tro bay theoQuốc gia
Khoảng (% khối lượng)
Thành
phần
Châu Âu
Mỹ
SiO2
28,5 - 59,7
37,8 - 58,5
Al2O3
12,5 - 35,6
Fe2O3
Trung
Ấn Độ
Australia
35,6- 57,2
50,2 - 59,7
48,8 - 66,0
19,1 - 28,6
18,8- 55,0
14,0 - 32,4
17,0 - 27,8
2,6 - 21,2
6,8 - 25,5
2,3 - 19,3
2,7 - 14,4
1,1 - 13,9
CaO
0,5 - 28,9
1,4 - 22,4
1,1- 7,0
0,6 - 2,6
2,9 - 5,3
MgO
0,6 - 3,8
0,7 - 4,8
0,7- 4,8
0,1 - 2,1
0,3 - 2,0
Na2O
0,1 - 1,9
0,3 - 1,8
0,6- 1,3
0,5 - 1,2
0,2 - 1,3
K2O
0,4 - 4,0
0,9 - 2,6
0,8- 0,9
0,8 - 4,7
1,1 - 2,9
P2O5
0,1 - 1,7
0,1 - 0,3
1,1- 1,5
0,1 - 0,6
0,2 - 3,9
TiO2
0,5 - 2,6
0,1 - 1,6
0,2- 0,7
1,0 - 2,7
1,3 - 3,7
MnO
0,03 - 0,2
-
-
SO2
0,1 - 12,7
0,1 - 2,1
1,0- 2,9
-
0,1 - 0,6
KMN
0,8 - 32,8
0,2 - 11,0
-
0,5 - 5,0
-
Quốc
0,5-1,4
-
Nguồn: R.S. Blissett (2012)
10
- Tùy thuộc vào loại nhiên liệu mà thành phần hóa học trong tro bay thu
được khác nhau. Các nhà khoa học Ba Lan tiến hành nghiên cứu thành phần
hóa học của tro bay với hai nguồn nguyên liệu sử dụng trong các nhà máy
nhiệt điện của nước này là than nâu và than đen
Bảng 1.2.Thành phần hóa học tro bay ở Ba Lan từ các
nguồn
nguyên liệu khác nhau
Thành phần (% khối lượng)
Loại tro
bay
SiO2
Al2O3
Fe2O3
TiO2
MgO
CaO
ZS-14
54,1
28,5
5,5
1,1
1,9
1,8
ZS-17
41,3
24,1
7,1
1,0
2,0
2,7
ZS-13
27,4
6,6
3,8
1,0
8,2
34,5
ZS-16
47,3
31,4
7,7
1,69
1,9
1,7
Than đen
Than nâu
Nguồn: Z. Sarbak, (2004)
Kết quả trên cho thấy, thành phần của các loại tro bay có được sau q
trình đốt cháy than đen (ZS-14 và ZS-17) và mẫu tro bay có được sau q
trình đốt cháy than nâu (ZS-16) là các nhơm silicat. Cịn mẫu tro bay có được
sau q trình đốt cháy than nâu (ZS-13) là loại canxi silicat. Theo tiêu chuẩn
phân loại ASTM C618 thì tro bay Trung Quốc thuộc loại C hay tro bay có
chất lượng thấp. Điều này ảnh hưởng lớn đến các ứng dụng của tro bay ở
Trung Quốc (Baoguo M, Meng Q, Jun P, Zongjin L, 1999).
11
* Các nguyên tố vi lượng trong tro bay
Quá trình đốt cháy than đá là một trong những nguyên nhân chính làm ơ
nhiễm khơng khí và phát tán các kim loại các nguyên tố vi lượng độc hại.
Hiểu được sự thay đổi của các nguyên tố vi lượng trong quá trình đốt than đá
cũng như hàm lượng của nó có trong tro bay tạo thành là điều rất quan trọng
trong vấn đề đánh giá tác động môi trường của các nhà máy nhiệt điện cũng
như các ứng dụng tro bay. Hàm lượng các nguyên tố vi lượng trong tro bay
phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng của chúng có trong nguyên liệu ban đầu.
Dựa trên kết quả nghiên cứu các mẫu tro bay thu được từ 7 nhà máy
nhiệt điện khác nhau ở Canada (Lương Như Hải và cs, 2013) các nhà nghiên
cứu nước này đã cho biết hàm lượng của các kim loại nặng như As, Cd, Hg,
Mo, Ni hay Pb trong tro bay có liên quan với hàm lượng lưu huỳnh có trong
nguyên liệu than đá ban đầu. Thơng thường, các loại than đá có hàm lượng
lưu huỳnh cao sẽ có hàm lượng các nguyên tố này cao. Tro bay ở Canada
được thu hồi bằng phương pháp kết lắng tĩnh điện hoặc phương pháp lọc túi.
Kết quả cho thấy hàm lượng các nguyên tố trên trong các loại tro bay thu
được từ phương pháp lọc túi cao hơn so với các mẫu tro bay thu được bằng
phương pháp kết lắng tĩnh điện trong cùng một nhà máy.
- Không phải tất cả tro bay đáp ứng yêu cầu ASTM C618, mặc dù yếu tố
tiên quyết là phụ thuộc chủ yếu vào ứng dụng, điều này có thể khơng thật sự
cần thiết. Tro bay được sử dụng như là một vật liệu thay thế xi măng nhưng
phải đáp ứng được các tiêu chuẩn xây dựng chặt chẽ, nhưng khơng có quy
định về tiêu chuẩn môi trường tại Hoa Kỳ. 75% tro bay phải có độ mịn là 45
mm hoặc ít hơn, và có hàm lượng cacbon thấp hơn 4%.
12
Bảng 1.3.Tiêu chuẩn tro bay theo ASTM C618
Các yêu cầu theo tiêu chuẩn Đơn vị
ASTM C618
Lớn nhất /
Nhỏ nhất
Nhóm
F
Nhóm
C
Yêu cầu hóa học
SiO2 + Al2O3 + Fe2O3
%
Nhỏ nhất
70
50
SO3
%
Lớn nhất
5
5
Hàm lượng ẩm
%
Lớn nhất
3
3
Hàm lượng mất khí nung
%
Lớn nhất
5
5
1,5
1,5
u cầu hóa học khơng bắt buộc
Chất kiềm
%
Yêu cầu vật lý
Độ mịn (+325)
%
Lớn nhất
34
34
%
Nhỏ nhất
75
75
%
Nhỏ nhất
75
75
Lượng nước yêu cầu
%
Lớn nhất
105
105
Độ nở trong nồi hấp
%
Lớn nhất
0,8
0,8
Yêu cầu độ đồng đều về tỷ trọng
%
Lớn nhất
5
5
Yêu cầu độ đồng đều về độ mịn
%
Lớn nhất
5
5
Hoạt tính pozzolamic so với xi
măng (7 ngày)
Hoạt tính pozzolamic so với xi
măng (28 ngày)
Nguồn: Baoguo M, Meng Q, Jun P, Zongjin L, (1999)
* Phân loại theo tiêu chuẩn ASTM:
- Tro bay loại F: loại F nếu tổng hàm lượng (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) lớn
hơn 70%.
- Trong quá trình đốt, than cũ và than bitum thường tạo lớp tro bay loại F.
Tro bay này là pozzolanic trong tự nhiên, và chứa ít hơn 7% vơi (CaO). Có
tính pozzolanic, silica thủy tinh và nhơm của tro bay lớp F đòi hỏi một lượng
13
lớn xi măng, vôi sống, vôi tôi hoặc trộn với nước để phản ứng và sản xuất các
hợp chất kết dính. Ngồi ra, thêm một chất hoạt hóa như natri silicat (thủy
tinh nước) sang tro lớp F có dạng geopolymer.
- Loại F có hàm lượng CaO < 5%, thu được từ việc đốt than antraxit hoặc than
chứa bitum, có hàm lượng than chưa cháy nhiều hơn, khoảng 2-10%. Tro bay Phả
Lại thuộc loại F. Do đốt không tốt, nên hàm lượng than chưa cháy khá cao.
- Tro bay loại C: là loại C nếu tổng hàm lượng (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3)
nhỏ hơn 70%.
- Tro bay được sản xuất từ việc đốt than đá, ngồi việc có tính chất
pozzolanic, cũng có một số đặc tính tự gắn xi măng. Trong nước, tro bay loại
C cứng và mạnh hơn theo thời gian. Tro bay loại C thường có chứa hơn 20%
vơi (CaO).
- Loại C có hàm lượng CaO ≥ 5% và thường bằng 15-35%. Đó là sản phẩm
đốt than ligrit hoặc than chứa bitum; chứa ít than chưa cháy, thường < 2%.
- Ít nhất một nhà sản xuất của Mỹ đã cơng bố một viên gạch tro bay có
chứa đến 50% tro bay loại C. Thử nghiệm cho thấy những viên gạch đạt hoặc
vượt các tiêu chuẩn thực hiện được liệt kê trong ASTM C 216 cho gạch đất sét
thông thường. Nó cũng nằm trong giới hạn cho phép đối với gạch bê tông
trong ASTM C 55, tiêu chuẩn kỹ thuật đối với xây dựng gạch bê tơng. Người
ta ước tính rằng các phương pháp sản xuất sử dụng trong gạch tro bay sẽ giảm
năng lượng lên đến 90%.
1.1.3.1. Đặc điểm của tro bay
* Cấu trúc hình thái của tro bay
- Hầu hết các hạt tro bay đều có dạng hình cầu với các kích thước hạt khác
nhau, các hạt có kích thước lớn thường ở dạng bọc và có hình dạng rất khác
nhau. Các hạt tro bay được chia ra làm hai dạng: dạng đặc và dạng rỗng. Thông
thường, các hạt tro bay hình cầu, rắn được gọi là các hạt đặc và các hạt tro bay
14
hình cầu mà bên trong rỗng có tỷ trọng thấp hơn 1,0 g/cm 3 được gọi là các hạt
rỗng. Một trong các dạng thường thấy ở tro bay thường được tạo nên bởi các
hợp chất có dạng tinh thể như thạch anh, mulit và hematit, các hợp chất có
dạng thủy tinh như thủy tinh oxit silic và các oxit khác.
Hình 1.1 Sự tương phản về kích thước tro bay
Hình 1.2 Biểu diễn đặc trưng dạng cầu của các hạt
trong khoảng kích thước thường thấy nhiều hơn
Các hạt tro bay đặc có khối lượng riêng trong khoảng 2,0 - 2,5 g/cm 3 có
thể cải thiện các tính chất khác nhau của vật liệu nền như độ cứng và độ bền xé.
15
Các hạt tro bay rỗng có thể được sử dụng trong tổng hợp vật liệu
compozit siêu nhẹ do khối lượng riêng rất nhỏ của chúng, chỉ khoảng 0,4 - 0,7
g/cm3, trong khi các chất nền kim loại khác có khối lượng riêng trong khoảng
từ 1,6 - 11,0 g/cm3.
Cả hai loại hạt này thường thấy có lớp vỏ khơng hồn chỉnh (bị rỗ).
Các hạt bên trong có thể được thấy bởi các quan sát đơn giản. Cấu trúc này bị
che lấp bởi lớp vỏ thủy tinh, vì thế nó có thể được quan sát khi được xử lý với
dung dịch HF, dung dịch này có thể hịa tan nhanh chóng phần thủy tinh và để
lộ ra lớp vỏ bên trong.
Hình 1.3 Cấu trúc hạt tro bay sau khi tiếp xúc ngắn với dung dịch HF
Hình 1.4 biểu diễn hai hạt tro bay cạnh nhau sau khi tiếp xúc ngắn (1/2
giờ) với dung dịch axit hydrofloric 1%, hai cấu trúc bên trong rất khác nhau
đã được lộ ra. Các hạt bên trái là các hạt có từ tính giàu sắt, và vật liệu có cấu
trúc tinh thể bên có dạng hình cây được nghiên cứu bởi nhóm Biggs và
Brunsnel.Tất cả chúng đều có hình lập phương và được hy vọng hồn tồn
khơng có các phản ứng hóa học trong bê tơng.
16
* Phân bố kích thước hạt trong tro bay
Kích thước hạt tro bay là một yếu tố quan trọng quyết định đến khả
năng ứng dụng của nó. Mỗi loại tro bay tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu,
điều kiện đốt và phương pháp thu hồi mà có sự phân bố kích thước hạt trong
tro bay khác nhau. Tro bay có kích thước hạt nằm trong khoảng 10-350m,
phân đoạn có đường kính hạt nhỏ hơn 45m chiếm tỷ trọng lớn.
Bảng 1.4. Phân bố kích thước hạt các phân đoạn tro bay Israel
Phân đoạn mesh Kích thước (μm)
Nguồn nguyên liệu
Nam Phi
Colombia
<100
>150
1,9
4,5
100 - 200
150 - 75
8,2
10,0
200 - 325
75-45
10,6
9,2
>325
<45
79,2
76,3
Nguồn Gomez-Eyles, J. L., Sizmur, T., Collins, C. D., ans Hodson, M. E.
(2011) Tùy thuộc vào mục đích và nhu cầu sử dụng mà có thể tách các phân
đoạn kích thước khác nhau. Hai loại tro bay thương phẩm của Công ty Boud
Minerals & Polymers (Anh Quốc) sử dụng làm chất gia cường cho chất dẻo
có kích thước hạt thể hiện trên bảng sau.
Bảng 1.5 Kích thước hạt tro bay thương phẩm
Thông số
Đơn vị
Plasfill 5
Plasfill 15
D50
m
3,8
11,5
D99
m
19.5
110
D90
m
8,5
52
Tỷ trọng
g/cm3
2,15
2,25
Ghi sáng
Ghi sáng
Màu sắc
Nguồn : (Gomez-Eyles, J. L., Sizmur, T., Collins, C. D., ans Hodson, M. E. , 2011)
17
1.1.3.2. Sản lượng tro bay và tình hình sử dụng tro bay trên thế giới
Nhu cầu tiêu thụ điện năng trên thế giới không ngừng tăng lên theo tốc
độ phát triển của nền kinh tế xã hội. Các nguồn cung cấp điện năng mới hiện
nay đang phát triển nhanh chóng phải kể đến như năng lượng mặt trời, năng
lượng gió, năng lượng thủy triều… Tuy có nhiều ưu điểm và được khuyến
khích sử dụng nhưng các nguồn cung cấp điện năng này hiện nay mới chỉ đáp
ứng được một lượng rất nhỏ nhu cầu điện năng toàn cầu và chỉ tập trung ở
một vài nước phát triển. Nguồn cung cấp điện năng chủ yếu vẫn dựa trên các
nguồn truyền thống và khơng ngừng phát triển hàng năm. Trong đó các nhà
máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch chiếm một tỷ trọng lớn.
Hình 1.4 Biểu đồ sản lượng tro bay và phần trăm sử dụng tro bay ở
Mỹ từ 1966-2012
Mỹ là một trong các quốc gia tiêu thụ điện năng hàng đầu thế giới và
cũng là nước có sản lượng các sản phẩm từ quá trình đốt cháy than đá trong
các
nhà
máy
nhiệt
điện
lớn
của
thế
giới
(ttp://www.acaa-
usa.org/Publications/ProductionUseReports.aspx). Năm 2007, Mỹ đã tạo ra
hơn 125 triệu tấn các sản phẩm từ than đá bao gồm tro bay, tro đáy lò, xỉ lò…
