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

Nguyễn Thị Nhiên

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG TRO XỈ NHÀ MÁY
NHIỆT ĐIỆN MÔNG DƯƠNG TRONG SẢN XUẤT
VẬT LIỆU XÂY DỰNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2016


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

Nguyễn Thị Nhiên

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG TRO XỈ NHÀ MÁY
NHIỆT ĐIỆN MÔNG DƯƠNG TRONG SẢN XUẤT
VẬT LIỆU XÂY DỰNG
Chuyên ngành: Khoa học Môi trường
Mã số: 60440301

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Thị Loan

Hà Nội – Năm 2016



MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.....................................................................................3
1.1. Tổng quan về tro xỉ ..............................................................................................3
1.1.1.Tro bay và đặc tính .............................................................................................3
1.1.3. Các nghiên cứu tái sử dụng tro xỉ trên Thế giới và Việt Nam ........................11
1.2. Tổng quan về Nhà máy Nhiệt điện Mông Dương (NMNĐ) ..............................21
1.3. Tổng quan về các công nghệ sản xuất gạch .......................................................25
CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................30
2.1. Đối tượng nghiên cứu.........................................................................................30
2.2. Phương pháp nghiên cứu....................................................................................30
2.2.1. Phương pháp thu thập dữ liệu .........................................................................30
2.2.2. Phương pháp thí nghiệm .................................................................................30
2.2.3 Phương pháp thực nghiệm ...............................................................................34
2.2.4. Phương pháp đánh giá: nhận xét, đánh giá kết quả thu được, từ đó đánh giá
tính khả thi của đề tài. ...............................................................................................37
2.2.5. Phương pháp nghiên cứu phân tích lợi ích môi trường mở rộng ....................38
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN..............................39
3.1. Kết quả thí nghiệm xác định thành phần, tính chất của tro đáy .........................39
3.1.1. Độ ẩm ..............................................................................................................39
ii


3.1.2. pH ....................................................................................................................40
3.1.3. Tỉ trọng thể rắn ................................................................................................40
3.1.4. Thành phần kim loại nặng ...............................................................................41
3.1.5. Thành phần khoáng .........................................................................................41
3.2. Kết quả thực nghiệm với ứng dụng sản xuất gạch từ tro đáy ............................43
3.1.1. Gạch nung truyền thống ..................................................................................43
3.1.2. Đối với gạch ép không nung (xi măng cốt liệu)..............................................45
3.3.3. Tính toán lợi ích kinh tế ..................................................................................49

Bảng 3.11: Giá thành sản xuất 01 viên gạch xi măng cốt liệu ..................................53

iv


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Bản đồ thể hiện vị trí khu vực NMNĐ Mông Dương 1 ............................22
Hình 1.2: Hình ảnh về bãi thải 1 của NMNĐ Mông Dương 1..................................25
Hình 1.3: Sơ đồ quy trình nung gạch bằng lò nung tuynel .......................................25
Hình 1.4: Hình ảnh về mẫu gạch mộc sau khi qua công đoạn ép được đưa đi phơi .27
Hình 1.5: Sơ đồ quy trình ép gạch từ mạt đá + xi măng ...........................................28
Hình 1.6: Hình ảnh về mẫu gạch xi măng cốt liệu với nhiều hình dạng...................29
Hình 2.1: Hình ảnh tro đáy và xi măng là nguyên liệu chính của thực nghiệm .......36
Hình 2.2: Hình ảnh về quá trình trộn đều tro đáy, xi măng và nước ........................37
Hình 3.1: Sơ đồ quy trình sản xuất gạch nung ..........................................................43
Hình 3.2: Hình ảnh về sản phẩm gạch mộc từ 02 tỷ lệ .............................................44
Hình 3.3: Sơ đồ quy trình sản xuất gạch xi măng cốt liệu ........................................45
Hình 3.4: Hình ảnh sản phẩm gạch xi măng cốt liệu tỷ lệ 2 (xi măng:tro đáy : nước
= 1:7 : 1,5) .................................................................................................................46
Hình 3.5: Hình ảnh sản phẩm gạch xi măng cốt liệu từ theo tỷ lệ 1 và 3 .................46

v


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
STT Từ viết tắt
1

ASTM C618


6

NMNĐ

Nhà máy nhiệt điện Mông Dương

7

PCC

Công nghệ đốt than phun

8

TCVN

Tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia Việt Nam

9

TKV

Tập đoàn Than - Khoáng sản Việt Nam

vi


MỞ ĐẦU
Sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp ở nước ta trong những
năm gần đây kéo theo sự gia tăng về chất thải, đặc biệt là các ngành công nghiệp

vì vốn đầu tư không nhiều, và tái sử dụng được nguồn tro xỉ thải. Từ những đặc tính
đó, việc áp dụng nguyên liệu mới vào sản xuất cần thời gian để người dân có thể
thấy được tính năng của loại gạch với nhiều ưu điểm, giá thành cũng giảm so với
loại gạch được sản xuất từ các loại nguyên liệu truyền thống như gạch nung sử dụng
đất sét, gạch xi măng cốt liệu sử dụng mạt đá.
Xuất phát từ thực tiễn trên, tôi tiến hành thực hiện đề tài: ‘‘Nghiên cứu sử
dụng tro xỉ Nhà máy Nhiệt điện Mông Dương trong sản xuất vật liệu xây
dựng”
Mục tiêu nghiên cứu:
Nghiên cứu, tận dụng tro đáy tại Nhà máy Nhiệt điện Mông Dương làm vật
liệu xây dựng.
Nội dung nghiên cứu:
- Tổng quan về tro xỉ, lượng xả thải và phương pháp tận dụng tro xỉ hiện nay
ở Việt Nam và Thế giới;
- Nghiên cứu tính chất vật lý, thành phần hóa học của tro xỉ (tro đáy) của nhà
máy nhiệt điện Mông Dương 1;
- Đề xuất biện pháp tái sử dụng tro đáy bằng phương pháp sản xuất gạch
nung và gạch xi măng cốt liệu;
- Tính toán lợi ích kinh tế khi tận dụng nguồn tro đáy, lợi ích khi thay thế
nguồn nguyên liệu như đất sét trong sản xuất gạch nung và mạt đá trong sản xuất
gạch xi măng cốt liệu.

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về tro xỉ
Trong các nhà máy nhiệt điện, sau quá trình đốt cháy nhiên liệu than đá phần
phế thải rắn tồn tại dưới hai dạng: Tro thu được trong hệ thống lọc bụi tĩnh điện là tro
bay (fly ash), tro thu được ở đáy của quá trình đốt tầng sôi gọi là tro đáy (bottom ash).


Lớn nhất
/nhỏ nhất

Nhóm
F

Nhóm
C

Yêu cầu hóa học
Tổng hàm lượng
(SiO2 + Al2O3 + Fe2O3)

%

nhỏ nhất

70

50

SO3

%

lớn nhất

5


Yêu cầu vật lý

Độ mịn (+325)

%

lớn nhất

34

34

Hoạt tính pozzolanic so với xi măng (7
ngày)

%

nhỏ nhất

75

75

Hoạt tính pozzolanic so với xi măng (28
ngày)

%

nhỏ nhất


5

5

Yêu cầu độ đồng đều về độ mịn

%

lớn nhất

5

5

 Các đặc trưng của tro bay
Thành phần hóa học trong tro bay:
Tro bay của các nhà máy nhiệt điện gồm chủ yếu các sản phẩm tạo thành từ
4


quá trình phân hủy và biến đổi của các chất khoáng có trong than đá [16]. Thông
thường, tro ở đáy lò 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, ngoài ra còn có một số kim loại
nặng như Cd, Ba, Pb, Cu, Zn,... Thành phần hóa học của tro bay phụ thuộc vào
nguồn nguyên liệu than đá sử dụng để đốt và điều kiện đốt cháy trong các nhà máy
nhiệt điện. Thành phần hóa học của tro bay tại một số quốc gia được trình bày trong
bảng 1.2:
Bảng 1.2: Thành phần hóa học của tro bay tại các quốc gia [29]


18,8-55,0

14,0-32,4

17,0-27,8

Fe2O3

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


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

1,1-1,6

0,2-0,7

1,0-2,7

1,3-3,7


5

0,1–0,6
-


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 [34] và được trình bày tại bảng 1.3:
Bảng 1.3: Thành phần hóa học tro bay ở Ba Lan từ các nguồn nguyên liệu [34]
Loại tro

Thành phần

bay
SiO2

Al2O3

Fe2O3

TiO2

MgO

CaO

ZS-14


6,6

3,8

1,0

8,2

34,5

ZS-16

47,3

31,4

7,7

1,6

1,9

1,7

Than đen

Than nâu

Kết quả trên cho thấy, thành phần của các loại tro bay có được sau quá trình đốt

NM New Haven

NM Moundsville

38

100

99

100

19

100

95

100

9,5

100

87

73

4,75


0,3

56

19

5

0,15

35

15

2

0,075

9

4

1

(mm)

Nguồn: Moulton và lyle, 1973

7



Thành phần hóa học của tro đáy:
Thành phần hóa học chính của tro đáy bao gồm SiO2, Al2O3, Fe2O3 và một số
hợp chất khác. Các thành phần hóa học tiêu biểu trong tro đáy được trình bày tại
bảng 1.6:
Bảng 1.6: Các thành phần hóa học của tro đáy tiêu biểu [10]
STT

Thành phần

Hàm lượng

1

MKN

1,72

2

SiO2

53,03

3

Fe2O3

3,9


9

Na2O

0,0

10

TiO2

0,66

11

CaSO4

5,69
Nguồn: Viện vật liệu xây dựng, 2010
8


Nồng độ một số kim loại nặng trong thành phần của tro đáy được thể hiện
trong bảng 1.7:
Bảng 1.7: Nồng độ một số nguyên tố vi lượng trong tro đáy (mg/kg) [11]
STT

Thành phần

Than bùn



3

Ba

62-109

428-523

-

-

4

Cd



Hg

0,4-1,6e

-

-



Zn

33-226

-

47

1250-2000

Thành phần hóa học của tro đáy phụ thuộc vào chủng loại than đã sử dụng và
công nghệ đốt than ở các nhà máy nhiệt điện. Hiện tại, các Nhà máy nhiệt điện hầu
hết sử dụng loại than đá hoặc than nâu. Sự khác nhau bày được trình bảy trong bảng
1.8:

9


Bảng 1.8: Khác biệt về thành phần hóa học của tro đáy sau khi đốt than [8]
Thành phần hóa học

Than đá

Than nâu

Tổng hàm lượng (SiO2, Al2O3, Fe2O3), %

75 – 78


antraxit còn tồn tại khá lớn hàm lượng than chưa cháy hết có thể lên đến 30%. Việc
áp dụng các biện pháp để tăng cường mức độ cháy kiệt có thể dẫn đến thông số hơi
không cao hoặc phát thải khí NOx lớn.

10


1.1.3. Các nghiên cứu tái sử dụng tro xỉ trên Thế giới và Việt Nam
1.1.3.1. Các nghiên cứu tái sử dụng tro xỉ trên Thế giới
Sản lượng tro bay:
Theo ước tính, lượng tro bay thải ra trên toàn cầu vào khoảng trên 700 triệu
tấn. Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay của một số nước được trình bày trong
bảng 1.9.
Bảng 1.9: Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay ở một số nước [22]
STT

Nước sản

Sản lượng tro bay hàng

Tro bay sử dụng

xuất

năm (triệu tấn)

(%)

480



Anh

15

50

6

Australia

10

85

7

Canada

6

75

8

Pháp

3

85

xây dựng và san lấp hầm mỏ. Phần lớn tro bay làm phụ gia bê tông, kết cấu đường
và làm vật liệu để sản xuất clinke xi măng. Tro bay cũng được sử dụng trong xi
măng trộn, bê tông khối [20].
Tại Ấn Độ, Chính phủ nước này đã có nhiều quy định để nâng cao nhận thức
về lợi ích của việc sử dụng tro bay cho các sản phẩm khác nhau [27]. Tro bay là một
nguyên liệu tiềm năng tuyệt vời cho sản xuất vật liệu xây dựng như xi măng pha
trộn, gạch tro bay, gạch ốp lát và các khối rỗng trong xây dựng. Chúng được ứng
dụng một lượng lớn để rải đường, xây dựng và lấp hầm mỏ. Sản phẩm tro bay có
nhiều lợi thế hơn so với các loại sản phẩm thông thường.
Lượng xi măng sử dụng trong sản xuất sản phẩm xây dựng có thể giảm bằng
cách thay thế bằng tro bay và lượng tro bay thay thế có thể lên đến 50%. Những sản
phẩm chứa tro bay có độ bền cao, hiệu quả hơn và tiết kiệm đáng kể nguyên liệu.
 Tro bay sử dụng trong lĩnh vực xây dựng
Tro bay dùng làm vật liệu lấp: Tro bay có thể dùng để phục hồi và cải tạo các
vùng đất yếu bởi các hoạt động khác. Tro bay được sử dụng cho phát triển các công
trình công cộng như công viên, bãi đậu xe, sân chơi,... Tro bay có độ bền tương
đương hoặc lớn hơn đất nên thường được sử dụng trong các lĩnh vực bồi đắp đất
Tro bay trong bê tông: Tro bay cải thiện độ bền và kết cấu của bê tông dẫn
đến tăng tuổi thọ của đường. Thông thường, tro bay có thể thay thế từ 15 đến 30%
xi măng portland [16]. Hiện nay, tro bay được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng với
các mục đích khác nhau như làm phụ gia cho bê tông xi măng [28] làm chất độn
cho bê tông asphalt [39]. Một số công trình xây dựng nổi tiếng trên thế giới đã sử

12


dụng tro bay trong bê tông như đập Puylaurent ở Pháp, cây cầu Great Belt East nối
Copenhagen (Đan Mạch) với những vùng đất của trung tâm châu Âu,... [19].
Gạch không nung từ tro bay: Gạch không nung từ tro bay được tạo thành từ
tro bay, cát và xi măng, trong đó tro bay là chất độn chính và cát là chất độn thứ hai.

phun ở 2100C. Theo các tác giả, trong điều kiện khí quyển, nhóm OH hoặc ion trên
bề mặt kim loại hoặc oxit kim loại như tro bay có vai trò quan trọng trong hình
thành các liên kết vật lý giữa bề mặt tro bay với nền polyme [29].
Vật liệu compozit 10% tro bay có độ bền kéo đứt, modul đàn hồi cao hơn hạt
nhựa tái sinh (LDPE) và vật liệu compozit 10% CaCO3. Tro bay cải thiện tính chất
cơ học của LDPE cao hơn so với CaCO3 vì tro bay có khả năng liên kết với polyme
nền tốt hơn CaCO3. Vật liệu compozit/tro bay đã được các hãng chế tạo ô tô
General Motor dùng để chế tạo một số chi tiết như kẹp định vị, mắc dây điện bên
trong thân ô tô [29].
Vật liệu polyme compozit sử dụng tro bay làm chất độn và vải đay làm chất
gia cường. Sau khi xử lý, vải đay được chuyển vào chất nền để cán thành tấm. Các
tấm được sấy khô ở nhiệt độ và áp suất cụ thể. Số lượng tấm được sử dụng theo độ
dày yêu cầu. Vật liệu polyme/tro bay compozit sử dụng vải đay gia cường để thay
thế vật liệu gỗ trong nhiều sản phẩm như cửa chớp, vách ngăn, gạch lát nền, tấm
tường, trần,… [33].
Tro bay cùng với các phụ gia khác như bột kim loại và với chất dẻo đưa vào
cao su tái sinh để chế tạo tấm lát đường ngang xe lửa [33]. M. Hossain và các cộng
sự nghiên cứu của trường Đại học Kansas đã công bố kết quả sử dụng cao su tái chế
từ lốp ô tô để làm lớp asphalt trải đường có sử dụng phụ gia tro bay [38]. Đây là
công trình rất có giá trị về khoa học môi trường, khi công trình này được áp dụng
thì một lượng lớn lốp ô tô phế thải được sử dụng để thay thế nhựa đường và như
vậy sẽ làm giảm giá thành xây dựng.

14


1.1.3.2. Các nghiên cứu tái sử dụng tro đáy trên Thế giới
Trên thế giới việc nghiên cứu sử dụng tro xỉ nhiệt điện đốt than phun chưa
khử khí sulfur SO2, công nghệ tương tự như tại các Nhà máy nhiệt điện Phả Lại,
Uông Bí đã tiến hành từ lâu. Theo tiêu chuẩn của nước Mỹ (ASTM C618), tro xỉ

Tro đáy được sử dụng làm cốt liệu mịn để làm nền, móng cho các công trình
đường bộ và các bãi đậu xe. Tro đáy được sử dụng rộng rãi làm vật liệu đắp nền từ
đầu những năm thập niên 1970. Báo cáo của Hiệp hội tro than Mỹ (American Coal
Ash Association) cho thấy trong năm 2006, 815.000 tấn tro đáy đã được sử dụng
làm nền cho các công trình xây dựng [19].
 Tro đáy làm phụ gia cho sản xuất xi măng Portland và geopolimer:
Xi măng Portland (OPC), là loại vật liệu được sử dụng phổ biến nhất trên
toàn thế giới, nó là thành phần cơ bản của bê tông, vữa, hồ. Có thành phần chủ yếu
là clinke Portland chiếm tỉ lệ 95 - 96% và thạch cao chiếm tỉ lệ 4-5%. Ngoài ra, khi
thêm các chất phụ khác vào thành phần của xi măng Portland (xỉ lò cao, tro than,
pozzolan tự nhiên, v.v., nhưng hàm lượng phụ gia kể cả thạch cao không quá 40%
và trong đó phụ gia đầy không quá 20%), thì những loại xi măng Portland này được
gọi là xi măng Portland hỗn hợp.
Tro đáy có thể được sử dụng như pozzolan hoặc như nguyên liệu thay thế
của xi măng Portland .Các nghiên cứu cho thấy tro đáy có khả năng làm tăng hoạt
tính của pozzolan, tăng cường độ 28 ngày lên tới 27%. Hỗn hợp xỉ quặng cùng với
tro đáy được sử dụng làm nguyên liệu thay thế xi măng portland. Hỗn hợp vữa sử
dụng 10% tro đáy có cường độ nén lên tới 45,1 N mm-2, cường độ này phù hợp với
các công trình xây dựng [34].
Geopolymer hay còn gọi là polymer vô cơ được nhà khoa học người Pháp
Joseph Davidovits đặt tên năm 1970, là một loại vật liệu rắn tổng hợp từ nguyên
liệu aluminosilicate với một dung dịch kiềm để tạo ra sản phẩm bền và có cường độ.
Như vậy, nguyên liệu để chế tạo vật liệu geopolymer gồm hai thành phần chính là
16


nguyên liệu ban đầu và chất hoạt hóa kiềm. Nguyên liệu ban đầu thường ở dạng
aluminosilicate nhằm cung cấp nguồn Si và Al cho quá trình geopolymer hóa. Chất
hoạt hóa kiềm phổ biến nhất là các dung dịch NaOH, KOH và thủy tinh lỏng natri
silicat nhằm tạo môi trường kiềm và thực hiện phản ứng geopolymer hóa.