Tác giả: Arun Mote, Công ty Triveni Turbines
Đăng trên Tạp chí World Cement số tháng 3/2024, Tr.43-48
Người dịch: Nguyễn Thị Kim Lan
Trong bài viết này, Arun Mote, Công ty Triveni Turbines, bàn luận về thu hồi nhiệt thừa và biến phế thải thành năng lượng như là những chiến lược tiềm năng để đạt được phát thải ròng vào năm 2050.
Ngành xi măng đã chứng kiến sự phát triển vượt bậc trong hai thập kỷ qua. Theo Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ năm 2023, Trung Quốc (51%) và Ấn Độ (9%) chiếm 60% sản lượng xi măng toàn cầu. Ngành xi măng toàn cầu được dự kiến sẽ tăng trưởng 5,4% giá trị từ năm 2023 đến năm 2028. Thách thức đối với ngành trong thời gian sắp tới là phải đáp ứng nhu cầu đang ngày càng gia tăng trên toàn cầu đồng thời giảm thiểu dấu chân phát thải của ngành.
Năm 2023, theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) hoặc Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế (IRENA), Cường độ Phát thải (EI) của ngành xi măng là xấp xỉ 0,5 CO2/tấn xi măng. Khi so sánh với số liệu năm 2015, cường độ phát thải này đã tăng lên gần 10%. Để đạt được phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050, ngành xi măng sẽ cần phải đưa EI xuống dưới mức 0,4, giảm gần 20%, vào năm 2030. Rõ ràng là, ngành này đã không đi đúng hướng khi xem xét đến tốc độ cần thiết của các hành động bền vững. Một khía cạnh khác phải tính đến đó là các đầu tư hiện nay hướng tới việc áp dụng công nghệ bền vững hỗ trợ sản xuất chỉ 22 triệu tấn xi măng phát thải gần bằng 0 hàng năm, tuy nhiên, con số này cần phải đạt được vào năm 2030 là 350 triệu tấn.
Theo báo cáo Hiệu suất Năng lượng của IEA, các ngành công nghiệp hóa chất, gang thép, và xi măng chiếm gần 60% mức tiêu hao năng lượng và 70% lượng phát thải khí CO2. Trái với các ngành công nghiệp hóa chất và gang thép mà đang dẫn đầu về áp dụng công nghệ mới hướng tới các mục tiêu bền vững, ngành xi măng lại đang bị tụt hậu do các yếu tố nội tại.
Sản xuất xi măng và tận dụng năng lượng
Quá trình sản xuất Xi măng Portland thường (OPC) liên quan đến việc nghiền hỗn hợp liệu đá vôi (canxi cacbonat), đá sét (bùn giàu cacbonat bao gồm bùn và đất sét) và các vật liệu kết dính phụ trợ (SCM) – bao gồm tro bay, xỉ lò cao, và muội silic. Hỗn hợp được nung nóng đến gần 1500oC trong lò quay, để sản xuất clinker, mà sau đó được phối trộn với thạch cao (thường <5%), các hỗn hợp (cho độ bền và khả năng thi công), và các SCMs. Sau đó, nó được làm nguội và được nghiền thành xi măng sẽ được chứa trong các silo. Khi xem xét tới điều đó, đối với mỗi tấn clinker sản xuất ra, thì sẽ sản sinh ra 0,5 tấn phát thải CO2, việc thu gom, tận dụng và tồn trữ carbon (CCUS) vẫn là một giải pháp lựa chọn chính cho giảm thiểu phát thải.
Sản xuất xi măng là quá trình tiêu tốn nhiều năng lượng do cần lượng nhiệt cao để tạo ra ô-xit canxi (CaO) từ đá vôi (CaCO3) và công đoạn nghiền có liên quan. Nếu tỷ lệ SCM trong xi măng tăng lên, tỷ lệ clinker/xi măng có thể sẽ giảm xuống và khi đó, lượng phát thải CO2 sẽ giảm đi. Theo Triển vọng Năng lượng Thế giới và IEA, để đạt được mức phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050, tỷ lệ clinker/xi măng mục tiêu là 0,56, khi so sánh với mức trung bình hiện tại của ngành 0,71.
Một trong những rào cản đối với việc tận dụng tối đa SCMs trong sản xuất xi măng chính là hạn mức được đặt ra bởi các tiêu chuẩn vùng/quốc gia lên hàm lượng SCM trong xi măng. Các hạn mức 35% (tro bay trong xi măng) được đặt ra bởi các tiêu chuẩn Châu Âu, và 40% được đặt ra bởi Hoa Kỳ, cần phải được xem xét lại và điều chỉnh để có thể gia tăng sử dụng các SCMs mới như đất sét nung, bê tông tái chế, .v.v…
Hiện nay, theo Triển vọng Xi măng của IEA, sản xuất xi măng liên quan tới cường độ nhiệt năng 3,6 GJ/tấn clinker và cường độ điện năng 100 kWh/tấn xi măng. Để đạt được phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050, cường độ nhiệt năng và điện năng cần phải được giảm xuống mức 3,4 GJ/tấn clinker và 95 kWh/tấn xi măng, bao gồm cả nhu cầu điện năng 5 kWh/tấn cho CCUS vào năm 2030.
Sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch để cung cấp nhiệt và điện cũng góp phần vào dấu chân carbon của ngành. Trong khi đang ngày càng gia tăng sử dụng sinh chất và nhiên liệu có nguồn gốc từ rác thải (RDF)/nhiên liệu rắn (SDF) để đốt trong các lò quay sản xuất clinker ở Châu Âu và Mỹ, thì ở các nền kinh tế mới nổi, nhiên liệu hóa thạch vẫn được sử dụng thịnh hành làm nguồn nhiên liệu đốt. theo Báo cáo Năng lượng CAETS năm 2022, sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch trong ngành xi măng vẫn còn cao hơn 95% ở Trung Quốc và Ấn Độ, hai quốc gia dẫn đầu toàn cầu về sản xuất xi măng.
Thu hồi nhiệt thừa (WHR)
Ngành xi măng đã thành công trong việc trở thành ngành sử dụng hiệu quả hơn về năng lượng trong những năm qua, thông qua việc lắp đặt các hệ thống WHR và chuyển đổi từ công nghệ lò quay ướt sang công nghệ lò quay khô. Căn cứ vào báo cáo công bố bởi Viện Năng suất Công nghiệp và Tập đoàn Tài chính Quốc tế, riêng Trung Quốc đã lắp đặt 739 hệ thống WHR, so với 26 ở Ấn Độ và 100 trên khắp phần còn lại của thế giới.
Trung Quốc, quốc gia dẫn đầu về sản xuất xi măng, đã nhận ra tiềm năng của WHR và đã sử dụng công nghệ này ở nhiều nhà máy xi măng. Trong khi đó Ấn Độ và phần còn lại của các nền kinh tế mới nổi có rất nhiều tiềm năng chưa được khai thác về WHR. Ở Ấn Độ, công suất lắp đặt hiện tại của các nhà máy WHR là 520 MW, so với tổng công suất tiềm năng được đánh giá 1100 MW (theo Hướng dẫn Thực hành Tốt nhất cho Thu hồi Nhiệt Thừa trong Ngành Xi măng ở Ấn Độ được phát hành bởi PwC India). Theo hướng tích cực, tất cả các công ty sản xuất xi măng lớn ở Ấn Độ đều đã lắp đặt một số nhà máy WHR trong mấy năm vừa qua, bổ sung thêm khoảng 250 MW công suất WHR. Một số rào cản đối với việc áp dụng WHR cao hơn trong ngành xi măng Ấn Độ bao gồm chi phí vốn đầu tư cao (100-120 triệu Rs./MW) so với nhà máy điện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch (40 – 50 triệu Rs./MW), chính sách môi trường không chấp nhận nguồn điện được sản xuất qua nguồn WHR là nguồn năng lượng tái tạo theo Nghĩa vụ Mua Năng lượng Tái tạo (RPO) tại địa phương để mua điện của ngành, và nhận thức tương đối thấp giữa các công ty xi măng quy mô nhỏ hơn và các công ty vận hành các nhà máy xi măng hiện có.
Các hệ thống WHR điển hình dựa vào nhiệt thừa từ sấy sơ bộ dạng treo mới và máy làm nguội clinker bằng khí (AQC), được lắp đặt ngược tuyến và xuôi tuyến lò quay một cách tương ứng. Các nhà máy xi măng mới nhất sử dụng sấy sơ bộ nhiều tầng cyclone để gia nhiệt sơ bộ hỗn hợp nguyên liệu trước khi nó đi vào lò. Vì số lượng các tầng sấy sơ bộ tăng lên, tiềm năng nhiệt thừa của nhà máy cũng giảm đi. Dải nhiệt độ khí thải sấy sơ bộ thông thường là từ 280 – 450oC và dải nhiệt độ khí thải AQC thông thường là từ 250 – 330oC. Trong trường hợp, một nhà máy xi măng có công suất 10000 tấn/ngày với các thông số nhà máy điển hình có thể sản xuất được khoảng 15 MW điện từ nhiệt thừa.
Phát điện thông thường có thể đạt từ 25 – 45 kWh/tấn clinker, đối với các ứng dụng WHR.
Trường hợp tham khảo: tua-bin hơi (ST) cho WHR
Triveni Turbines có một danh mục tham khảo hữu ích về các máy phát điện bằng tua-bin hơi ngưng phun (STGs) theo yêu cầu của ngành xi măng. Các tua-bin này được thiết kế tùy biến để phù hợp với các thông số đầu vào thấp và các dòng chảy cao, tương ứng với các điều kiện khí thải từ sấy sơ bộ thải ra và cho phép tiếp nhận hơi phun áp suất thấp từ các nồi hơi AQC. Các mô-đun ngưng tụ áp suất thấp phù hợp cho xử lý biến động trong quá trình vận hành, đồng thời mang lại hiệu suất đường dẫn hơi nước tốt nhất.
Triveni đã lắp đặt rất nhiều tua-bin trong các ứng dụng WHR cho ngành xi măng, thay thế mô-đun tua-bin đã lắp đặt trước đây với công suất cao hơn. Các tua-bin này mang lại mức nhiệt tiêu chuẩn và đóng góp vào việc nâng cao công suất điện tự dùng và hiệu quả sử dụng năng lượng.
Các đội ngũ lắp đặt và vận hành nội bộ có chuyên môn về cung cấp kinh nghiệm đóng nguồn và chạy cho nhân viên vận hành nhà máy của khách hàng. Kinh nghiệm này được bổ sung bởi một đội ngũ hậu mãi mạnh mẽ.
Các tua-bin của Triveni đang được vận hành ở các nhà máy xi măng trên khắp thế giới, phát điện từ nhiệt thừa. Cho dù ở các nhà máy hiện có hay các nhà máy mới, Triveni có chuyên môn trong việc đề xuất các giải pháp tua-bin hơi để mang lại sự thành công cho khách hàng.
Trường hợp nghiên cứu: Ấn Độ
Tua-bin, vận hành tin cậy từ tháng 8/2020, đã cho phép công ty xi măng lớn vận hành 100% công suất của một nhà máy xi măng công suất 7 triệu tấn/năm, để giảm bớt sự phụ thuộc vào lưới điện, và cũng cải thiện được lợi nhuận và hiệu suất của nhà máy.
Các đặc điểm nổi bật của dự án
Nhà máy xi măng ở Madhya Pradesh mong muốn nâng công suất phát điện bằng WHR do tăng công suất xi măng. Tua-bin hiện có 3000 vòng/phút, được cung cấp bởi một công ty công nghệ của nước ngoài, đã được vận hành với hiệu suất thấp. Sau khi nghiên cứu các điều kiện tại hiện trường, Triveni Turbines đã thay thế bộ STG 14 MWe hiện tại bằng một bộ tua-bin ngưng phun 22 MW có tốc độ chạy vòng/phút cao hơn với 10,50 ata, hơi áp suất cao 295oC và 2 ata, hơi phun áp suất trung bình 190oC.
Các thách thức
Bộ STG đã được bố trí trên các móng tương tự và trong cùng tòa nhà như STG hiện có. Nó sử dụng cùng phần cứng, như hệ thống dầu bôi trơn, hệ thống kiểm soát dầu, tủ điện MCC, các tủ điện khác, hệ thống điều khiển phân phối (DCS), các đường cáp (bao gồm cả móng xây dựng hiện có), hộp giảm tốc và máy phát điện (xoay chiều). Phạm vi lắp đặt và vận hành hoàn chỉnh (cùng với việc tháo dỡ bộ STG hiện có) đã được thực hiện bởi đội ngũ kỹ sư nội bộ có trình độ.
Giải pháp
Khách hàng đã rất hài lòng với việc tăng được 7MW công suất phát điện bằng WHR. Phụ tải cho nhà máy điện tự dùng (CPP) của nhà sản xuất này đã giảm đi 7MW, đã giảm được chi phí phát điện và các nhu cầu về than, cũng như giảm được các hoạt động có dấu chân carbon. Công việc điều chỉnh đã được thực hiện với chi phí đầu tư CAPEX thấp nhất và sẽ được hưởng lợi từ các chi phí OPEX trong quá trình phát điện. Điều này gián tiếp hỗ trợ giảm bớt chi phí đầu vào sản xuất xi măng.
Trường hợp nghiên cứu: Thổ Nhĩ Kỳ
Các đặc điểm nổi bật của dự án
Khách hàng xi măng có trụ sở ở Thổ Nhĩ Kỳ đã mong muốn lắp đặt một STG để tối ưu hóa vận hành nồi hơi WHR do áp suất và nhiệt độ tạo ra thấp. Sau khi nghiên cứu các yêu cầu về phạm vi, đội ngũ tại Triveni Turbines đã khuyến nghị lắp đặt các tua-bin hơi ngưng phun.
Các thách thức
Bộ STG đã được thiết kế, tổ hợp, thử nghiệm và gửi đi từ xưởng gia công chế tạo ở Bangalore, Ấn Độ, để vận hành ở mức áp suất và nhiệt độ thấp. Triveni Turbines đã thực hiện phạm vi lắp đặt và vận hành hoàn chỉnh thông qua đội ngũ kỹ sư nội bộ có trình độ.
Giải pháp
Các bộ phận bên trong tua-bin như các cánh tua-bin và rotor đã được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu về áp suất và nhiệt độ thiết lập và các mức hiệu suất. Việc sử dụng nhiệt thừa sinh ra từ quá trình sản xuất sẽ giảm bớt chi phí phát điện và các nhu cầu về than, cũng như giảm bớt dấu chân carbon trong các hoạt động vận hành.
Công nghệ tua-bin carbon dioxide
Triveni Turbines đang thương mại hóa công nghệ sCO2 của mình và có thể cung cấp cho các chủ đầu tư nhà máy xi măng các giải pháp tua-bin sCO2 đáp ứng các điều kiện nhà máy cụ thể. Bước tiếp theo trong công nghệ tua-bin nhỏ gọn và hiệu quả chính là việc áp dụng sCO2 cho chu trình Brayton mạch vòng khép kín – các tua-bin sCO2. Các tua-bin này có được sự nhỏ gọn, cho MW tương tự, từ mật độ chất lỏng (CO2 siêu tới hạn) được sử dụng và các đặc tính nhiệt- vật lý của nó ở nhiệt độ và áp suất vừa phải. Giảm đáng kể quy mô và kích thước của tua-bin, nâng cao hiệu suất, và khả năng khởi động nhanh hơn là các lợi thế.
Các chương trình nghiên cứu nhằm mục đích giảm thiểu phát thải trong ngành xi măng, dù là trong đổi mới về nguyên liệu, sử dụng nhiều thiết bị sấy sơ bộ hơn cho hấp thụ nhiệt khí thải, các kỹ thuật thu gom carbon mới, hoặc điện hóa có phạm vi để giảm tiềm năng WHR ở cấp độ nhà máy, trong tương lai. Quy mô lắp đặt WHR hiện tại mở rộng tới 20-25 MW, căn cứ vào công suất sản xuất và thiết bị của nhà máy xi măng (sấy sơ bộ và máy làm nguội) sử dụng. Tuy nhiên, nếu quy mô lắp đặt WHR nằm trong khoảng dưới 10 MW, như trường hợp đối với các nhà sản xuất xi măng có công suất nhỏ hơn, việc lắp đặt tua-bin sCO2 được cho là thiết thực, vì bản thân công nghệ này hiện đang ở trong giai đoạn trình diễn thương mại.
Nhiên liệu thay thế (AF)
Vì Trung Quốc và Ấn Độ là các quốc gia sản xuất dẫn đầu toàn cầu, việc cấp vốn cho ngành xi măng để chuyển sang hướng bền vững vốn dĩ đã gắn liền với các điều kiện kinh tế của các thị trường mới nổi và tính thanh khoản của hệ thống tài chính toàn cầu.
Để đảm bảo dấu chân carbon ở mức thấp nhất, rác thải rắn thành thị (MSW), SRF hoặc RDF, bùn thải, nhựa thải và sinh khối có sẵn ở dạng AF cho đốt trong lò quay. Kết quả thử nghiệm đã cho thấy rằng việc sử dụng SDF/RDF làm AF không gây tác động xấu tới phát thải và tuân thủ theo các biện pháp Nghị định Kyoto. Bùn thải, sau khi xử lý các dòng nước thải, có lượng silic và cát vừa phải, và do đó, có thể sử dụng được trong quá trình sản xuất xi măng bằng cách phối trộn tro đốt của nó với OPC hoặc bằng cách thực hiện đốt đồng thời trước khi bổ sung thêm OPC. Nhựa thải, có sẵn ở dạng rác thải thành thị và công nghiệp, có nhiệt trị cao 30-40 MJ/kg, tuy nhiên, cần phải quản lý hàm lượng clo trong khi sử dụng nhựa thải làm AF.
Nhìn chung, người ta dự tính rằng AF nói đến ở trên có khả năng khử giảm CO2 đến mức 12% và tỷ lệ AF được khuyến nghị cho đốt trong lò nung là <25%.
Trong số 28 quốc gia EU, tỷ lệ AF được sử dụng là khoảng 37% đối với nhựa, 18% đối với rác thải công nghiệp hỗn hợp, 15% đối với lốp xe và 13% đối với sinh khối.
Việc sử dụng AF trong ngành xi măng và thay thế các nguyên liệu cho quá trình sản xuất xi măng yêu cầu sự hợp tác chặt chẽ giữa các nhà máy xi măng, các thành phố (đối với MSW/RDF/SDF/sinh khối), các nhà máy thép (đối với xỉ như là một loại nguyên liệu thô), các nhà máy đường (đối với bã mía), các nhà máy phân bón (đối với bùn cacbonat như là một loại nguyên liệu thô), các nhà máy điện (đối với tro bay), các nhà máy đá cẩm thạch (đối với bùn đá cẩm thạch), và các nguồn tài nguyên công nghiệp (đối với dầu thải) mà nằm trong giới hạn logistic của một nhà máy xi măng.
Af cũng có thể được bổ sung thêm vào như là một nguồn nhiên liệu cho nồi hơi nhiệt thừa ngoài việc được đốt trong lò quay. Hàm nhiệt của hơi đầu vào đến tua-bin hơi càng cao, công suất điện có thể tạo ra từ thiết bị tua-bin càng nhiều và có thể giảm thiểu được sự phụ thuộc của nhà máy vào lưới điện.
Các ý tưởng, đổi mới, đầu tư và khung chính sách
Trong số những công nghệ mới đang tập trung vào nguyên liệu để giảm thiểu phát thải trong quá trình sản xuất xi măng là Brimstone dựa vào đá canxi silicat cho sản xuất xi măng thay vì canxi cacbonat (đá vôi). Kết quả là, tránh được việc nung cacbonat và giảm thiểu được lượng phát thải khí CO2. Công nghệ này ở mức 5 TRL (Mức Sẵn sàng về Công nghệ), đã hoàn thành việc thí nghiệm xi măng sản xuất ra ở quy mô thử nghiệm.
Một nhà máy thử nghiệm cho sản xuất thương mại đang ở trong giai đoạn lập kế hoạch. Nếu thành công trong việc tiến tới mức 9 TRL, công nghệ này sẽ loại bỏ nhu cầu triển khai công nghệ CCUS tốn kém. Căn cứ vào Báo cáo Chương trình Nghị sự mang tính Đột phá năm 2023 được công bố bởi IEA/IRENA, xi măng phát thải thấp có mức giá bán cao hơn 75% so với xi măng sản xuất thông thường.
Đất sét nung (một loại nguyên liệu chứa nhôm và silic-puzolan mà khi được nghiền thành bột và gặp độ ẩm phản ứng với Canxi Hydroxide (CaOH) để tạo thành các hợp chất có đặc tính kết dính) như là một loại SCM có tiềm năng tốt. Theo Báo cáo Năng lượng CAETS năm 2022, nguyên liệu này có sẵn dồi dào và có thể sử dụng nó đến mức 50%, với khả năng giảm lượng phát thải CO2 đến 30%. Khả năng khử giảm phát thải này đã thu hút được sự quan tâm của 40 công ty xi măng trên toàn cầu.
Một số công nghệ đang tập trung vào việc tăng cường khả năng thu gom CO2 từ quá trình nung, bao gồm LEILAC 2, với khái niệm calciner mới ở mức 5 TRL và Cacbonat hóa Olivin Gián tiếp (Indirect Olivine Carbonation) cũng ở mức 5 TRL.
Các chương trình nghiên cứu khác đang khai thác khả năng nung điện hóa cacbonat nhằm mục đích tránh hoàn toàn việc đốt lò. Tuy nhiên, các chương trình này ở mức 3 TRL là quá thấp để tạo ra tác động thương mại trong thời gian tới.
Điện khí hóa lò nung cũng là một công nghệ đầy hứa hẹn trong việc giảm thiểu dấu chân carbon. Công nghệ này là từ Coolbrook và cần một Bộ Gia nhiệt RotoDynamic (RDH) có khả năng làm nóng không khí, khí ni-tơ và các khí quá trình tới 1700oC mà không cần phải đốt các nhiên liệu hóa thạch.
Kết luận
Hầu hết các nghiên cứu đều phải phân tích tìm ra các hỗn hợp nguyên liệu tối ưu, các công nghệ thu gom carbon mới thông qua nguồn vốn cấp từ chính phủ các nước và khuyến khích giảm lượng khí thải carbon. Khi xét đến việc sản xuất xi măng bị chi phối bởi Trung Quốc và Ấn Độ, các giải pháp công nghệ phù hợp với các nhu cầu địa phương phải được phát triển và chấp nhận. Ngoài ra, các chính sách can thiệp cần hỗ trợ quá trình chuyển đổi ra khỏi các phương pháp phát thải nhiều carbon.
