Theo: Co-Processing Magazine of Alternative Fuels & Raw Materials
Đăng trên Co-Processing Magazine of Alternative Fuels & Raw Materials, Tr.7-11
Người dịch: Nguyễn Thị Kim Lan.
Bài viết này đã được công ty chúng tôi đăng tải trên ấn bản gần đây của Tạp chí Cement Lime Gypsum ZKG trong tháng 6/2023.
Trong quá trình nung vôi, khoảng 30% lượng khí phát thải CO2 là khí phát thải liên quan tới nhiên liệu. Trong khi sử dụng nhiên liệu thay thế, như nhiên liệu có nguồn gốc từ rác thải thường được sử dụng trong ngành xi măng, thì việc sử dụng nhiên liệu thay thế trong ngành công nghiệp vôi vẫn còn đang trong những giai đoạn đầu. Dưới đây là phần tổng hợp các cơ hội sử dụng các loại nhiên liệu thay thế khác nhau như nhiên liệu có nguồn gốc từ rác thải trong các lò vôi hiện đại.
Vôi là một sản phẩm khoáng được chiết xuất từ đá vôi qua một quá trình công nghiệp. Đá vôi tự nhiên có thành phần chủ yếu là canxi cacbonat. Quá trình sản xuất vôi được dựa trên phản ứng hóa học diễn ra bởi quá trình gia nhiệt canxi cacbonat (CaCO3) để tạo ra vôi sống (CaO). Tất nhiên, phản ứng này cũng sinh ra CO2. Lượng khí phát thải CO2 này, vốn có trong quá trình sản xuất vôi, được gọi là lượng khí phát thải quá trình. Lượng khí phát thải quá trình này chiếm 70% tổng lượng khí phát thải CO2 trong quá trình sản xuất vôi, và không thể tránh được chúng.
Công suất sản xuất vôi hàng năm đã tăng lên đáng kể trong những năm qua. Năm 2013, sản lượng vôi trên thế giới là 350 triệu tấn, và nó đã tăng lên 430 triệu tấn vào năm 2022 [6,7].
Yêu cầu chất lượng cao
Ngành công nghiệp vôi là một ngành tiêu tốn nhiều năng lượng với năng lượng chiếm khoảng 30-60% tổng mức chi phí sản xuất. Các lò nung được đốt bằng nhiên liệu hóa thạch, như nhiên liệu rắn, lỏng hoặc khí cũng như – ở mức độ rất thấp – nhiên liệu có nguồn gốc từ rác thải hoặc sinh khối. Việc sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc từ rác thải (RDF) phụ thuộc vào chất lượng vôi mong muốn, vì RDF có thể có ảnh hưởng tới chất lượng vôi. Để hiểu rõ các nhu cầu về chất lượng cao đối với nhiên liệu cho sản xuất vôi, sẽ là hữu ích khi xem xét các ứng dụng chính đối với vôi sản xuất ra. Vôi là một sản phẩm hóa chất thuần khiết với >98% CaO hoạt tính được sử dụng trong một loạt các ứng dụng, bao gồm cả trong các ngành thực phẩm và dược phẩm. Dưới đây, chúng tôi chỉ đề cập đến vôi sống, hoặc cái được gọi là ‘vôi nung’. Vôi sống là ô-xit canxi (CaO) được sản xuất ra bởi quá trình khử cacbon trong đá vôi (CaCO3) và chiếm xấp xỉ 90% lượng vôi sản xuất ra.
Để hiểu rõ các yếu tố hạn chế đối với việc sử dụng nhiên liệu thay thế trong sản xuất vôi, sẽ hữu ích khi so sánh thành phần thông thường trong đá vôi với các phép phân tích đại diện các nhiên liệu thay thế, như các nhiên liệu thay thế đã được sử dụng trong ngành công nghiệp vôi ở Đức, và các loại tro từ các nhiên liệu thay thế này.
Do các lĩnh vực áp dụng các loại sản phẩm vôi khác nhau, việc sử dụng nhiên liệu thay thế trong sản xuất vôi thường bị ngăn cấm, vì các tạp chất, các nguyên tố vi lượng, v.v… không mong muốn cũng được đưa vào sản phẩm vôi thuần khiết dưới dạng tro thông qua nhiên liệu. Do đó, nói chung là, khi sử dụng nhiên liệu thay thế cho ngành công nghiệp vôi, hàm lượng tro nên được hạn chế đến mức dưới 6-10%, tùy thuộc vào sản phẩm vôi. Đối với các trường hợp ứng dụng nhất định, ví dụ trong ngành công nghiệp thực phẩm hoặc dược phẩm, việc sử dụng nhiên liệu thay thế có nguồn gốc từ rác thải do đó nên được loại trừ. Những hạn chế khác nữa cần phải được nghiên cứu, kiểm tra đối với mọi trường hợp.
Các nhiên liệu thay thế khác có thể có ảnh hưởng tích cực tới phẩm cấp vôi được sản xuất ra. Ví dụ, việc sử dụng bột thịt-và-xương làm nhiên liệu thay thế cho các sản phẩm vôi đã cho thấy là hữu ích đối với lĩnh vực phân bón, do hàm lượng P2O5 trong bột thịt-và-xương.
Nhu cầu cao cũng nhằm vào hàm lượng ni-tơ trong nhiên liệu thay thế. Các thử nghiệm đã cho thấy rằng sinh khối gỗ nghiền mịn có chứa hàm lượng ni-tơ lên đến 1%. Các thành phần chính trong gỗ là carbon (từ 45-50% khối lượng), tiếp theo là khí ô-xi (khoảng 40-50%), hydro (khoảng 6%), và ni-tơ (lên đến 1%) [8].
Nhiệt độ khí thải ở các lò tái sinh dòng chảy song song (PFRK) chỉ là hơn 100oC, với Lambda lớn hơn 1 một chút. Để giảm bớt lượng khí phát thải NOx bằng Hệ thống SCR, khí thải cần phải được gia nhiệt lại để phù hợp với hạn mức NOx 350mg.
Các yêu cầu kỹ thuật đối với việc sử dụng nhiên liệu thay thế trong các lò vôi
Vôi được sản xuất ra trong các loại lò khác nhau. Tiêu hao nhiệt thay đổi theo các loại lò khác nhau này, do đó rất nhiều công ty vôi đã đầu tư vào các lò tái sinh dòng chảy song song (PFRK). Việc sử dụng nhiên liệu thay thế dạng rắn trong các lò quay được biết đến từ ngành xi măng. Các nhiên liệu đạt chuẩn có nguồn gốc từ rác thải hoặc các nhiên liệu rắn thu hồi có cỡ hạt lên tới 30mm không có các thành phần 3D được cấp bằng khí nén qua một đường cấp liệu riêng đi qua vòi đốt chính. Đây là một quy trình thông thường trong ngành công nghiệp vôi, và hầu hết các lò vôi kiểu quay tiêu hao nhiều năng lượng hơn ở Châu Âu đều sử dụng các nhiên liệu thay thế như vậy. Nhiên liệu phế thải dạng lỏng có thể được sử dụng trong các lò quay (LRK, PRK), các lò đứng (ASK), các lò tái sinh dòng chảy song song (PFRK) và các loại lò đặc biệt khác (OK), ví dụ các lò trục đứng thông thường với vòi đốt bên và các lò nghiêng kép (double-incline kilns).
Khi nhiên liệu rắn được nghiền mịn, có thể sử dụng chúng trong tất cả các loại lò đã nói đến ở trên. Nhiên liệu có nguồn gốc từ rác thải có cỡ hạt lớn hơn lên đến 30mm chỉ có thể sử dụng được trong các lò quay (LRK, PRK).
Các yêu cầu kỹ thuật đối với các lò ASK và PFRK
Các lò trục đứng (ASK) và các lò tái sinh dòng chảy song song (PFRK) có hệ thống định lượng và cấp nhiên liệu khác nhau. Trong những lò như vậy, nhiên liệu được cấp tới một số vòi phun trong zôn nung. Các vòi phun, thường có đường kính chỉ từ 18-30mm, cung cấp nhiên liệu với những lượng nhỏ từ 30-150 kg/vòi phun/giờ.
PFRK có thể có tới 36 vòi phun, được bố trí như là một đường tròn bao quanh lò. Nhiên liệu được cấp qua một hệ thống cân và cấp liệu chuyên dụng bằng khí nén chịu được sự tăng áp và có khả năng cung cấp nhiên liệu thay thế nghiền mịn có kích thước lên tới 3-5mm liên tục và đồng nhất. Trong ASK, thậm chí các viên nhiên liệu thay thế nhỏ có chiều dài lên tới 8mm và đường kính 6mm cũng có thể được cấp vào các vòi đốt phía trên. Các hệ thống định lượng và cấp liệu chuyên dụng này được một số công ty cung cấp, chẳng hạn như Carbotech (Đức), Esch (Đức), Maerz (Thụy Sỹ) và Schenck Process (Đức).
Các yêu cầu về chất lượng vật lý của nhiên liệu
Khi sử dụng nhiên liệu thay thế dạng rắn trong các nhà máy vôi, các yêu cầu cụ thể về các thông số vật lý được đưa ra. Các lò có thể hoặc được trang cấp các hệ thống cấp liệu cho các viên liệu có kích thước chiều dài tối đa 8mm hoặc các nhiên liệu được nghiền mịn có cỡ hạt <5mm. Công ty con của MVW Lechtenberg là “Blue River Recycling” sản xuất các viên liệu chuyên dụng cho ngành công nghiệp vôi cũng như các nhiên liệu nghiền mịn tại một cơ sở chế biến của mình ở cảng Papenburg, Đức. Với công suất hơn 100.000 tấn/năm, rác thải hỗn hợp được sàng tuyển, sấy khô và chế biến thành dạng viên.
Các viên liệu bao gồm toàn là rác thải nhựa hỗn hợp hoặc hỗn hợp nhiên liệu, ví dụ, lên tới 75% gỗ và 25% nhựa để đạt được nhiệt trị tối thiểu 21,5 MJ/kg, tương đương với nhiệt trị của than non nghiền mịn, mà hiện được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp vôi của Đức.
RED III – Khử giảm khí phát thải CO2 khi sử dụng nhiên liệu thay thế
Sản xuất vôi giải phóng ra những lượng khí phát thải CO2 qua quá trình nung đá vôi và sử dụng các nhiên liệu hóa thạch. Các hệ số phát thải được chỉ ra ở bảng bên dưới. Đối với lượng khí phát thải liên quan tới quá trình, ngành công nghiệp vôi hiện đang phát triển một số dự án cho thu gom carbon để giảm thiểu tác động môi trường.
Kể từ khi ban hành Chỉ thị về Năng lượng Tái tạo (2009/28/EC) vào năm 2009, việc triển khai năng lượng tái tạo đã không ngừng tăng lên hàng năm, đạt 21,8% vào năm 2021. Vào tháng 7/2021, Ủy ban đã đề xuất một sửa đổi khác để thúc đẩy nhanh việc sử dụng năng lượng tái tạo ở EU và để hỗ trợ đạt được các mục tiêu năng lượng và khí hậu vào năm 2030. [1]
Tham vọng và các biện pháp trong chỉ thị đã được xem xét lại nhiều lần để đưa ra các mức cắt giảm phát thải khẩn cấp (ít nhất là 55% vào năm 2030) cần thiết để đạt được các tham vọng khí hậu gia tăng ở EU. Trong tháng 7/2021, Ủy ban đã đề xuất sửa đổi chỉ thị (COM/2012/557 bản cuối cùng) với mục tiêu tăng lên 40% như là một phần của gói dự án thực hiện Thỏa thuận Xanh Châu Âu. Trong tháng 5/2022, Ủy ban đã đề xuất trong Thông báo của mình về kế hoạch REPowerEU (COM/2022/230 bản cuối cùng) để nâng mục tiêu này lên 45% vào năm 2030. Hội đồng và các nhà đàm phán của Quốc hội đã đạt được một thỏa thuận chính trị tạm thời vào ngày 30/3/2023 để nâng phần năng lượng tái tạo trong tổng mức tiêu thụ năng lượng của EU lên 42,5% vào năm 2030 với mức bổ sung chỉ định thêm 2,5% sẽ cho phép đạt được mức 45% [2].
Vào ngày 18/4, ủy ban Châu Âu đã thống nhất các mục tiêu khử giảm khí phát thải mới trong gói “Phù hợp với 55” (“Fit for 55”). Gói “Phù hợp với 55” là một tập hợp các đề xuất để sửa đổi và cập nhật Luật pháp EU và để thực hiện các sáng kiến mới nhằm đảm bảo các chính sách của EU phù hợp với các mục tiêu khí hậu đã thống nhất giữa Hội đồng và Quốc hội Châu Âu [3]. EU đã thống nhất cắt giảm tổng lượng khí phát thải CO2 vào năm 2030 tối thiểu là 55% so với năm 1990. EU cũng đã thống nhất thêm là sẽ từng bước giảm mức phân bổ CO2 miễn phí cho ngành công nghiệp này và dừng phân bổ miễn phí vào năm 2034. Điều này sẽ thúc đẩy nhu cầu đối với nhiều loại nhiên liệu thay thế hơn chẳng hạn như nhiên liệu có nguồn gốc từ rác thải hoặc nhiên liệu rắn thu thồi có hàm lượng sinh chất cao để cho phép ngành công nghiệp vôi có thể giảm thiểu lượng khí phát thải CO2 hóa thạch.
Nhờ sử dụng các nhiên liệu thay thế trong ngành công nghiệp vôi, hàm lượng sinh chất (nghĩa là gỗ sẵn có ở địa phương, phế phẩm cắt tỉa cây, kể cả các thành phần sinh chất chẳng hạn như giấy và bìa cứng, vải dệt, .v.v… không thể tái chế được) sẽ có ảnh hưởng đáng kể tới việc giảm lượng CO2 hóa thạch.
Dưới đây sẽ trình bày phần so sánh chi phí giữa nhiên liệu hóa thạch và các viên liệu RDF cũng như các viên gỗ. Viên liệu RDF chủ yếu bao gồm các loại nhựa cũng như gỗ không thể tái chế được. Giá CO2 đã được đưa ra với mức 90 Euro/tấn (EU/ETS).
Tóm lại
Sản xuất vôi là một quá trình tiêu hao nhiều năng lượng. Hiệp hội Vôi Châu Âu (EuLA) cho biết rằng các biện pháp khử carbon trong ngành công nghiệp vôi chủ yếu là các giải pháp ‘cuối đường ống’, chẳng hạn như thu gom và tồn trữ hoặc sử dụng và carbonat hóa carbon, vì 68% lượng khí phát thải CO2 của ngành này có nguồn gốc từ quá trình xử lý nguyên liệu thô. Ước tính ngành công nghiệp vôi sẽ giải phóng vào khí quyển gần 400 triệu tấn CO2/năm.
Xấp xỉ 30% lượng khí phát thải CO2 hóa thạch liên quan tới nhiên liệu. Với sử dụng các nhiên liệu thay thế dạng viên hoặc nghiền mịn có hàm lượng sinh chất cao, đây có thể là một “trái cây đậu thấp bên dưới” giảm đáng kể lượng khí phát thải CO2 hóa thạch nhờ sử dụng các công nghệ hiện có và hiệu quả về kinh tế.
Các nhiên liệu thay thế khác, chẳng hạn như syngas (khí tổng hợp) (được sản xuất ra từ nhiên liệu thay thế đã qua xử lý), hydro (từ các nguồn năng lượng tái chế hoặc khí sinh học (từ các nhà máy tiêu hủy kỵ khí) có thể bổ sung nguồn cung cấp 100% nhiên liệu không có hóa thạch cho ngành công nghiệp vôi.
Tài liệu tham khảo
[1] European Commision: Renewable energy directive. (https://energy.ec.europa.eu/topics/renewable-energy/renewable-energy-directive-targets-and-rules/renewable-energy-directive en)
[2] Ibid
[3] European Council: Fit for 55 (https://www.consilium.europa.eu/en/policies-green-deal/fit-for-55-the-eu-plan-for-a-green-transition/)
[4] European Commission – JRC Reference Reports: Best Available Techniques (BAT) Reference Document for the Production of Cement, Lime and Magnesium Oxide. May 2013. ISBN 978-92-79-32944-9
[5] European Lime Association EuLA: CO2 INNOVATION IN THE LIME SECTOR 3.0. Edition 2022
[6] U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, January 2023
[7] U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, 2014
[8] Sriraam R. Chandrasekaran; Philip K. Hopke; Lisa Rector; George Allen, and Lin Lin: Chemical Composition of Wood Chips and Wood Pelets. Energy & Fuels 2012, 26 (8), pp. 4932-4937
