XI MĂNG XANH HƠN – CHÚNG TA ĐANG MONG ĐỢI ĐIỀU GÌ?

Tác giả: John Terembula, FLSmidth
Đăng trên Tạp chí World Cement số tháng 12/2023, Tr.13 – 17
Người dịch: Nguyễn Thị Kim Lan

Trong bài viết này, John Terembula, FLSmidth, bàn luận về các giải pháp để giảm bớt hệ số clinker sử dụng các công nghệ và nguyên vật liệu hiện có.
Xi măng là vật liệu quan trọng để đáp ứng rất nhiều mục tiêu phát triển bền vững của thế giới. Nhưng xi măng cũng chịu trách nhiệm đối với khoảng 7% lượng phát thải carbon toàn cầu. Với việc các  nhà sản xuất xi măng trên thế giới đồng thuận cam kết đạt được xi măng thuần bằng 0 vào năm 2050, giờ là lúc để hành động.
Trong khi tiềm năng của công nghệ thu gom và tồn trữ carbon (CCS) mang lại rất nhiều hy vọng về khả năng đạt được các mục tiêu đó, việc thu gom carbon ở quy mô thương mại trong ngành xi măng còn phải mất nhiều năm nữa mới đạt được. Bên cạnh đó, lượng phát thải carbon từ quá trình xi măng sẽ cần phải được khử giảm đáng kể trước khi công nghệ đó có thể phát huy hết hiệu quả. Công việc này đã bắt đầu triển khai nhưng phải tăng tốc lên nếu ngành này muốn đạt được các mục tiêu về môi trường.
Ba giải pháp rõ ràng để giảm lượng phát thải carbon
Có ba giải pháp rõ ràng để giảm lượng phát thải carbon từ quá trình sản xuất xi măng, cả ba giải pháp này hiện đã có sẵn cho ngành xi măng:
► Giảm hệ số clinker.
► Giảm mức năng lượng tiêu hao.
► Giảm sử dụng nhiên liệu hóa thạch.
Giảm hệ số clinker bằng SCMs
Lượng phát thải sinh ra từ quá trình nung luyện clinker có thể giảm bớt đơn giản bằng cách sử dụng ít clinker hơn. Nhưng rõ ràng là, điều này không thể thực hiện được bằng chi phí chất lượng xi măng. Các vật liệu kết dính bổ sung (SCMs) có thể được sử dụng thay thế cho clinker để sản xuất xi măng với dấu chân carbon ít hơn và chất lượng xi măng đạt tương tự.

Sách trắng do UNEP tài trợ ‘Xi măng hiệu quả về sinh thái: Các giải pháp khả thi về tiềm năng kinh tế cho ngành công nghiệp vật liệu làm từ xi măng có hàm lượng CO₂ thấp’ cho thấy hệ số clinker trung bình hợp lý trên toàn thế giới là 0,60 có thể đạt được vào năm 2050 (so với mức trung bình toàn cầu năm 2017 là 0,78).¹ Điều này chứng tỏ tầm quan trọng của SCMs trong việc giúp ngành xi măng đạt được thuần bằng 0.
Để hướng tới đạt được những mục tiêu này, cần phải cân nhắc, xem xét kỹ lưỡng các đặc tính của SCMs đang được nói đến – đặc biệt liên quan tới quá trình nghiền. Hoạt động nghiền là hoạt động không thể thiếu để đạt được sự phân bố cỡ hạt cần thiết cho cường độ xi măng tối ưu.
Các loại SCMs và tính sẵn có của SCMs
Rất nhiều loại SCMs có sẵn, tùy thuộc vào địa điểm. Chúng bao gồm:
► Xỉ lò cao dạng hạt – một phụ  phẩm của ngành sản xuất gang thép, có thể thay thế lên đến 100%.
► Tro bay – một phụ phẩm của quá trình đốt than.
► Đất sét nung – sẵn có rộng rãi và dễ sử dụng.
► Puzolan tự nhiên – sẵn có và chất lượng thay đổi tùy thuộc vào địa điểm.
► Đá vôi – thường được sử dụng với những lượng lên tới 35% và có thể được sử dụng với những lượng cao hơn khi được nghiền hiệu quả.
Việc sử dụng SCMs thay đổi theo từng vùng, theo loại có sẵn ở địa phương và sự chấp thuận của chính quyền địa phương. Phê duyệt pháp lý có thể là một trở ngại cần phải khắc phục đối với các nhà sản xuất xi măng đang tìm cách giảm hệ số clinker, nhưng  sự tham gia của người tiêu dùng trực tiếp cũng quan trọng không kém. Ở Mỹ, ví dụ, ASTM C595 và AASHTO M 240 đã xác định Xi măng Portland Đá vôi, Loại IL, với lượng đá vôi lên tới 15% trong các chỉ tiêu kỹ thuật về xi măng hỗn hợp, trở lại năm 2012. Chất lượng xi măng có thể duy trì được khi bổ sung thêm đá vôi với những lượng như thế này vào, khiến cho nó trở thành giải pháp dễ dàng cho các nhà sản xuất xi măng để a) giảm bớt dấu chân carbon trong mỗi tấn xi măng và b) sản xuất ra nhiều xi măng hơn trên mỗi tấn clinker. Tuy nhiên, điều này chưa đạt được cho đến gần 10 năm sau đó, vào năm 2021, doanh số bán PLC bắt đầu tăng trưởng đáng kể, với tài liệu của USGS cho thấy mức tăng hơn 2000% về số lượng tầu chở xi măng hỗn hợp trong khoảng thời gian từ tháng 1/2021 đến tháng 6/2023, từ 218707 tấn lên 4960573 tấn. Mức tăng đáng kinh ngạc này một phần là do những người sử dụng trực tiếp lớn như Bộ Giao thông Vận tải và Cục Hàng Không Liên bang đã chấp thuận PLC – và ở đâu các cơ quan liên bang dẫn đầu, thì các cơ quan khác theo sau.
Trên các thị trường khác, câu chuyện SCM đang rẽ sang một hướng khác. Ví dụ, Ấn Độ đã đạt hệ số clinker trung bình là 0,71 vào năm 2017, nhờ sử dụng rộng rãi tro bay trong hỗn hợp xi măng. Xi măng Portland Puzolan (bao gồm cả xi măng được sản xuất bằng tro bay) chiếm 65% thị phần trong năm 2017, trong khi Xi măng Portland Xỉ chiếm khoảng 10% thị phần. Cả hai công ty ACC và Ambuja (các công ty cũ thuộc quyền sở hữu của Holcim hiện là một phần của Tập đoàn Adani) đã đang thực hiện giảm hệ số clinker tại các nhà máy của họ nhờ sử dụng tro bay và xỉ để đạt được hệ số clinker kết hợp là 0,63, với hai nhà máy xi măng ACC đạt hệ số clinker thấp nhất là 0,44.²
Ở bên kia thế giới, ở Brazil, tỷ lệ clinker/xi măng trung bình là dưới 70%,³ với xỉ lò cao từ các nhà máy sản xuất gang thép, SCM được sử dụng rộng rãi nhất.⁴ Nước này đang hướng mục tiêu giảm hàm lượng clinker xuống 59% vào năm 2030 và xuống 52% vào năm 2050.⁵
Tuy nhiên, vì quá trình sản xuất gang thép trở nên ngày càng hiệu quả hơn và các trạm điện chạy bằng than được thay thế bởi các giải pháp thân thiện môi trường hơn, tính sẵn có của tro bay và xỉ sẽ giảm xuống, buộc các nhà máy xi măng phải tìm kiếm nơi khác để đạt được các mục tiêu của họ.
Đất sét nung
Đất sét nung là một giải pháp lựa chọn thú vị cho các nhà sản xuất xi măng vì nó có sẵn phổ biến, và chi phí lại tương đối thấp. Với việc xử lý hợp lý, nó trở thành nguồn thay thế tuyệt vời cho clinker và có thể mang lại những lợi ích cả về tài chính lẫn phát thải.
Một trong những lợi ích lớn của đất sét nung đó là nó không yêu cầu nhiệt độ cao để nung – chỉ 750 – 850^oC, so với 1400 – 1500^oC – dẫn đến giảm lượng nhiên liệu tiêu hao khoảng 30%/tấn đất sét so với tấn clinker. Nó cũng có thể giảm được nhu cầu điện năng cho quá trình nghiền lên tới 40%. Phát thải carbon thấp hơn, chi phí vận hành thấp hơn – là một lợi thế hai bên cùng có lợi cho các nhà sản xuất xi măng.
Để chứng minh tiềm năng của các loại xi măng thấp clinker, Bảng 1 cho thấy sự so sánh trực tiếp giữa OPC và LC3, là một hỗn hợp xi măng có chứa 50% clinker, 15% đá vôi, 5% thạch cao, và 30% đất sét hoạt tính. Hỗn hợp xi măng này có thể mang lại mức khử giảm 40% lượng phát thải CO₂ so với OPC. Hãy tưởng tượng có thể mang lại mức giảm phát thải như vậy được ghi nhận từ năm này qua năm khác. Tin tốt lành đó là tất cả các công nghệ để đạt được điều này đã có sẵn và đang được các nhà máy có tư duy tiến bộ sử dụng. Đây không chỉ là một lĩnh vực có rất nhiều tiềm năng – mà nó hiện đã là một lĩnh vực làm thay đổi cuộc chơi.
Bảng 1. So sánh trực tiếp giữa OPC và LC3.

Đưa SCMs vào quá trình nghiền
Hoạt động nghiền xác định sự thành công của xi măng thấp clinker, vì cường độ phụ thuộc rất nhiều vào việc đạt được sự phân bố cỡ hạt phù hợp.
Các yêu cầu về SCM thay đổi theo tính chất của nó. Trong khi một số SCMs có thể nghiền được cùng với phần còn lại của hỗn hợp xi măng, các SCMs khác có thể yêu cầu nghiền riêng. Một số có thể có nhu cầu nước cao, trong khi một số khác lại không yêu cầu nhiều nước.
Để đáp ứng tất cả các nhu cầu khác nhau này, hoạt động nghiền cần được kiểm soát tuyệt đối. Thật may mắn là, kỹ thuật nghiền đã phát triển cùng với việc gia tăng sử dụng SCMs và các máy nghiền đứng hiện nay cho thấy là sự lựa chọn hiệu quả, có tính năng cao. Với việc hiệu suất năng lượng cao hơn so với máy nghiền bi (tiết kiệm khoảng 30-50%), các máy nghiền con lăn đứng (VRMs) đã cho thấy là một sự lựa chọn được ưu tiên để giảm bớt dấu chân carbon của nhà máy. Tuy nhiên, tính linh hoạt cao hơn của VRM so với máy nghiền bi là một điểm nhấn lựa chọn khác dành cho các nhà sản xuất xi măng đang sử dụng SCMs, đang có nhu cầu chuyển đổi giữa các nguyên vật liệu khác nhau và điều chỉnh để dễ dàng thay đổi các đặc tính nguyên vật liệu – đặc biệt là khi các nguyên vật liệu này có độ ẩm cao hơn.
Ví dụ, một khách hàng của FLSmidth sử dụng máy nghiền OK Mill^TM để nghiền 100% xỉ với nguyên liệu cấp có chứa hơn 20% độ ẩm để tạo ra các mức độ ẩm <1%. Điều này có thể đạt được nhờ khả năng sấy khô của VRM. Mức độ linh hoạt này là bắt buộc đối với việc sử dụng SCM.
Đạt được độ mịn Blaine và PSD mong muốn
            Cường độ xi măng được xác định bằng tiết diện bề mặt trung bình (Blaine) và sự phân bố cỡ hạt, thường được đo bằng lượng sót sàng riêng. Loại sàng thường được sử dụng nhất cho xi măng Portland là sàng 45 µm (sàng 325) và cho OPC có độ mịn Blaine tiêu biểu là 3800. Việc bổ sung thêm nguyên liệu dễ nghiền hơn như đá vôi vào hỗn hợp làm thay đổi mối tương quan giữa PSD/Blaine. Đá vôi đạt được giá trị Blaine mong muốn nhanh hơn nhiều so với các hạt clinker cứng hơn, vì vậy để đạt được các tính chất cần thiết nhằm đạt được cường độ xi măng yêu cầu, độ mịn Blaine phải tăng lên. Sự khác biệt này dễ dàng xử lý được trong VRM, mà nghiền bằng áp lực thay vì va đập và ma sát (như trong máy nghiền bi). Tuy nhiên, việc nghiền Xi măng Portland Đá Vôi trong máy nghiền bi dẫn đến năng suất giảm chút ít nhưng đáng kể do yêu cầu điều chỉnh độ mịn.
            VRMs cũng mang lại độ linh hoạt vận hành cao hơn vì chúng có nhiều thông số điều khiển để điều chỉnh hơn so với máy nghiền bi. Khả năng kỹ thuật số nâng cao của VRMs tiên tiến hơn, như Máy nghiền OK, sử dụng một hệ thống điều khiển tiên tiến, ECS/ProcessExpert, để tối ưu hóa hiệu suất nghiền hơn khiến cho các nhà máy xi măng có thể giảm bớt lượng điện năng tiêu hao, tối đa hóa năng suất, và đảm bảo kiểm soát chất lượng tốt hơn (độ sai lệch tiêu chuẩn thấp hơn). Những lợi điểm này đặc biệt phù hợp với việc phát triển các loại xi măng xanh có hệ số clinker thấp hơn.

Nghiền đất sét và đất sét nung
Đất sét là một thuật ngữ chung chung  mô tả một phạm vi rộng lớn các loại vật liệu. Trong trường hợp đó, các yêu cầu nghiền rất khác nhau. Đối với đất sét thô, phương pháp nghiền tiêu biểu là máy đập sấy, căn cứ vào độ ẩm cao (Hình 3). Đất sét nung có thể được nghiền hoặc trong máy nghiền bi hoặc trong VRM.
Một yếu tố mà có thể có tác động đáng kể tới quá trình nghiền là hàm lượng thạch anh trong đất sét. Thạch anh rất khó nghiền, vì vậy hàm lượng thạch anh càng cao trong đất sét nung, càng cần nhiều điện năng hơn để nghiền nó. Đây là một trong những điều mà sẽ phải được lưu ý đến trong quá trình thử nghiệm lần đầu.⁶ Nếu quá trình thử nghiệm được thực hiện với FLSmidth, các khuyến nghị sẽ được đưa ra để hoạt động nghiền đạt hiệu quả nhất.
Về PSD, kết quả phụ thuộc vào cả thành phần hóa học của nguyên liệu cấp vào và quá trình nung luyện – có thể nung đất sét trong lò nung hoặc trong calciner. Một lần nữa, các biến số này cần được đánh giá trong giai đoạn thử nghiệm để đảm bảo đạt được kết quả tối ưu.
Công việc đang tiến triển
Như đã thấy, SCMs giống như tro bay và xỉ lò cao được sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới. Đất sét nung là loại tương đối mới, nhưng đang được các công ty hàng đầu trên thế giới ủng hộ như Ciment Vicat, là công ty đang xây dựng một nhà máy nung đất sét quy mô đầy đủ đầu tiên của Châu Âu ở Xeuilley, Pháp. Nhà máy sẽ sản xuất 525 tấn đất sét nung/ngày để sử dụng tại các cơ sở sản xuất của Ciment Vicat ở trong nước. CBI Ltd ở Ghana cũng đã ký kết hợp đồng với FLSmidth để xây dựng một nhà máy đất sét nung mới, mà sẽ thay thế 30% clinker nhập khẩu và giảm tới 20% lượng phát thải CO₂ trên mỗi tấn xi măng. Các công ty hàng đầu này sẽ chỉ ra cho thế giới thấy có thể đạt được điều gì và sẽ đặt nền móng cho việc sử dụng thêm đất sét nung và SCMs.
Như đã nói ở trên, nhưng vẫn đáng để nhắc lại rằng: đất sét nung là một nguồn tài nguyên ổn định, sẵn có phổ biến, dễ thích ứng với các quy trình sản xuất xi măng hiện tại. Với một nhà máy đất sét nung và sử dụng VRM hiện tại, có thể tiết kiệm chi phí đáng kể và giảm thiểu phát thải với chi phí vốn đầu tư tương đối thấp.
Việc đưa SCMs hoặc đất sét nung vào quá trình có thể yêu cầu các công nghệ mới (mặc dù là quen thuộc), nhưng với sự kiểm soát phù hợp, sản phẩm đầu ra là sản phẩm xi măng có chất lượng cao tương đương, với mức chi phí thấp hơn, sử dụng ít năng lượng và nhiên liệu hơn.
Việc cắt giảm hệ số clinker là giải pháp tốt nhất để giảm thiểu đáng kể tác động môi trường của ngành xi măng lúc này. Công nghệ đã sẵn sàng. Nguyên vật liệu có sẵn. Đã đến lúc phải xanh hơn rồi.
Tài liệu tham khảo

1. ‘Eco-efficient cements: Potential economically viable solutions for a low-CO₂ cement-based materials industry’ – http://wedocs.unep.org/bitstream/handle/20.500.11822/25281/eco_efficient_cements.pdf
2. ‘Adani Group to acquire Holcim’s India business’ – Adani Group to acquire Holcim’s India business.
3. WESTON, J., ‘Brazil gives OK to VRM’, International Cement Review, 20 June 2016.
4. ‘Pathways to a low-carbon economy for Brazil’ – https://www.mckinsey.com/~/media/mckinsey/dotcom/client_service/infrastructure/pdfs/pathways_low_carbon_economy_brazil.ashx
5. ‘Roadmap technologico do cimento’ – http://snic.org.br/assets/pdf/roadmap/roadmap-tecnologico-do-cimento-brasil.pdf
6. OURABAH, N. and MILLER, S., ‘Test before you invest’, International Cement Review, August 2023.