TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA: KỸ THUẬT HOÁ HỌC
BỘ MÔN: QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN QUÝ
SINH VIÊN THỰC HIỆN: NGUYỄN THÁI HOÀNG
MSSV: 60900926
CHUYÊN NGÀNH: QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ

TP.HCM. 2013


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ XI MĂNG ĐỐT CHẤT THẢI RẮN TRÊN
THẾ GIỚI ................................................................................................................................ 1
1.1.

Giới thiệu.................................................................................................................... 1

1.1.1.

Chất thải rắn đô thị .............................................................................................. 2

1.1.2.

Bùn thải ............................................................................................................... 3

1.1.3.


Các nguy cơ về sức khỏe và môi trường khi thực hiện đồng xử lí ................... 21

1.2.8.

Những rào cản chính đối với thực hiện đồng xử lí............................................ 22

1.3.

Những đặc điểm kĩ thuật của quá trình đồng xử lí................................................... 23

1.3.1.

Công nghệ tiền xử lí .......................................................................................... 23

1.3.2.

Hệ thống tồn trữ, vận chuyển và nạp ................................................................ 42

1.3.3.

Đồng xử lí chất thải rắn đô thị và bùn thải trong nhà máy xi măng .................. 46

1.3.4.

Hệ thống kiểm soát chất lượng sản phẩm ......................................................... 54

1.3.5.

Phát thải và ô nhiễm không khí ......................................................................... 54


2.3.

Đồng xử lí rác thải trong công nghiệp xi măng Việt Nam....................................... 72
i


2.3.1.

Định hướng đồng xử lí rác thải trong công nghiệp xi măng Việt Nam ............ 72

2.3.2.

Thách thức khi thực hiện đồng xử lí rác thải tại Việt Nam ............................... 73

CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÍ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH ĐỐT CHẤT THẢI TRONG LÒ
NUNG XI MĂNG ................................................................................................................. 75
3.1.

Cơ sở lí thuyết quá trình tạo thành xi măng ............................................................. 75

3.1.1.

Thành phần khoáng hóa của clanhke ................................................................ 75

3.1.2.

Các quá trình trong sản xuất xi măng ................................................................ 76

3.1.3.


4.1.

Quy trình công nghệ ................................................................................................. 92

4.1.1.

Phân xưởng sản xuất xi măng ........................................................................... 92

4.1.2.

Phân xưởng sản xuất RDF ................................................................................. 93

4.2.

Tính toán phối liệu ................................................................................................... 93

4.2.1.

Tính chất, thành phần của nguyên liệu và nhiên liệu ........................................ 93

4.2.2.

Tính thành phần phối liệu.................................................................................. 97

4.3.

Tính toán cân bằng vật chất – năng lượng ............................................................. 102

4.3.1.




CHƯƠNG 5. TÍNH TOÁN LÒ NUNG VÀ THIẾT BỊ NẠP LIỆU RDF .......................... 146
5.1.

Tính toán thiết bị nạp liệu RDF ............................................................................. 146

5.1.1.

Tổng quan về thiết bị nạp liệu RDF sử dụng .................................................. 146

5.1.2.

Thiết kế vít nạp liệu RDF ................................................................................ 146

5.1.3.

Chọn các chi tiết máy cho trục vít ................................................................... 151

5.1.4.

Tính toán hệ thống vận chuyển khí động ........................................................ 157

5.2.

Tính toán hệ thống lò nung .................................................................................... 161

5.2.1.

Tính thông số công nghệ lò nung .................................................................... 161

liệu thay thế [25] .................................................................................................................... 21
Hình 1. 15 Một ví dụ về quản lí MSW tích hợp [29] ............................................................ 25
Hình 1. 16 Một ví dụ MBT để sản xuất RDF [28] ................................................................ 26
Hình 1. 17 Sơ đồ khối cho những phương pháp MBT chính [30] ....................................... 26
Hình 1. 18 Phần rác có nhiệt trị cao sau xử lí cơ – sinh học [31] ......................................... 27
Hình 1. 19 Sàng trống quay [32] ............................................................................................ 29
Hình 1. 20 Sơ đồ máy nghiền búa nằm ngang [34] ............................................................... 31
Hình 1. 21 Sơ đồ một máy xé MSW [33] .............................................................................. 31
Hình 1. 22 Sơ đồ qui trình cho một quá trình sấy hầm nhiệt độ thấp [35] .............................. 33
Hình 1. 23 Sơ đồ tiền xử lí bùn thải [21] ............................................................................... 34
Hình 1. 24 Qui trình tiền xử lí và đồng xử lí bùn thải từ một dự án ở Úc ............................... 34
Hình 1. 25 Sử dụng khí lò xi măng để sấy bùn [42] .............................................................. 37
Hình 1. 26 Xử lí bùn bao gồm phân hủy kị khí [43] .............................................................. 38
Hình 1. 27 Sản xuất bột bùn tại Nhật Bản [21] ...................................................................... 40
Hình 1. 28 Sơ đồ sấy bùn bằng năng lượng mặt trời, thông gió tự nhiên [44] ...................... 40
Hình 1. 29 Hệ thống nghiền bùn khô [45] ............................................................................. 41
Hình 1. 30 Xử lí rác thải làm nhiên liệu tại nhà máy xi măng [47] ........................................ 43
Hình 1. 31 Những hệ thống vận chuyển bằng cơ học [48] ..................................................... 44
Hình 1. 32 Ví dụ về hệ thống cân chỉnh và nạp RDF vào precalciner [50] .......................... 44
Hình 1. 33 Ví dụ hệ thống vận chuyển và cân chỉnh để nạp RDF vào béc đốt chính của lò
[42] ......................................................................................................................................... 45
Hình 1. 34 Thiết bị nạp roto (trái) và thiết bị nạp vít (phải) để cân chỉnh nhiên liệu rác [51]
............................................................................................................................................... 45
iv


Hình 1. 35 Công nghệ phun nhiên liệu vào giữa lò của Cadence [49] .................................. 46
Hình 1. 36 Các vùng phản ứng với nhiệt độ tương ứng trong các công nghệ lò khác nhau
[52] ......................................................................................................................................... 48
Hình 1. 37 Những điểm nạp chất thải thông thường [24]...................................................... 49

Hình 3. 7 Van chặn liệu [98] ................................................................................................. 89
Hình 3.8 Thiết kế cho các xyclon ở các tầng khác nhau [98] ................................................ 89
Hình 3. 9 Các mẫu thiết kế xyclon có tổn áp thấp (LP) ........................................................ 89
Hình 3. 10 Một số cách bố trí precalciner trong hệ thống lò [98] ......................................... 91
Hình 4. 1 Qui trình công nghệ sản xuất xi măng sử dụng RDF từ MSW ............................. 92
Hình 4. 2 Sự giảm cường độ xi măng theo thời gian bảo quản [101] ................................. 102
Hình 4. 3 Biên dạng nhiệt độ dòng khí và dòng liệu trong hệ thống lò nung ..................... 137
v


Hình 4. 4 Phân bố kích thước MSW sau nghiền sơ cấp ...................................................... 143
Hình 5. 1 Phân bố kích thước RDF sau nghiền thứ cấp ...................................................... 147
Hình 5. 2 Các kích thước cơ bản của trục vít [109] ............................................................. 151
Hình 5. 3 Bu-lông nối vít với trục truyền động [109] ......................................................... 151
Hình 5. 4 Trục truyền động lắp tiêu chuẩn [109] ................................................................ 152
Hình 5. 5 Máng vít loại ống kín [109] ................................................................................. 153
Hình 5. 6 Chân đỡ nối qua mặt bích [109] .......................................................................... 153
Hình 5. 7 Nắp cuối máng có mặt chân đế [109] .................................................................. 154
Hình 5. 8 Gioăng làm kín trục Guardian Seal [109] ............................................................ 155
Hình 5. 9 Ổ bi chặn lắp bằng mặt bích [109] ...................................................................... 155
Hình 5. 10 Cửa nạp liệu cơ bản [109].................................................................................. 156
Hình 5. 11 Bích nối máng vít loại ống kín [109] ................................................................. 157
Hình 5. 12 Lớp lót nối trục [109]......................................................................................... 157
Hình 5. 13 Hệ thống vận chuyển khí động RDF vào precalciner [110] .............................. 158
Hình 5. 14 Độ nhớt không khí phụ thuộc vào nhiệt độ [110].............................................. 159
Hình 5. 15 Giản đồ Moody tra hệ số ma sát trượt [110] ..................................................... 160
Hình 5. 16 Giản đồ tra hệ số ma sát cục bộ của đoạn uốn 90o [110]................................... 160
Hình 5. 17 Chọn đường kính lò quay [93]........................................................................... 162
Hình 5. 18 Ứng suất tiếp xúc giữa vành đai và con lăn [114] ............................................. 164
Hình 5. 19 Phân tích lực và mô men tác dụng lên vành đai [114] ...................................... 165

Bảng 3. 1 Các thành phần chính của clanhke [88] ................................................................ 75
Bảng 3. 2 Thành phần hóa các nguyên liệu thô và nguyên liệu đem nung clanhke [89] ...... 76
Bảng 3. 3 Biến đổi hóa học trong quá trình nung nguyên liệu XMP [90]............................. 77
Bảng 3. 4 Tiêu chuẩn quốc gia về chất lượng Xi măng Pooc lăng [92] ................................ 79
Bảng 3. 5 Phân loại các loại nhiên liệu thay thế [93] ............................................................ 80
Bảng 3. 6 Các tính chất cần kiểm tra của nhiên liệu thay thế [93] ........................................ 81
Bảng 3. 7 Nhiệt trị các loại nhiên liệu thay thế và nhiên liệu truyền thống [93] (*= nhiên liệu
truyền thống) .......................................................................................................................... 82
Bảng 3. 8 Điều kiện đồng xử lí chất thải trong lò xi măng [94] ............................................ 83
Bảng 3. 9 Đặc điểm các vị trí nạp nhiên liệu thay thế vào lò NSP [93] ................................ 85
Bảng 3. 10 Mức phát thải cho phép khi đồng xử lí chất thải ở các nước Châu Âu [94] ....... 86
Bảng 4. 1 Yêu cầu kĩ thuật đối với đá vôi sản xuất xi măng Pooc lăng (TCVN 6072:1996) 93
Bảng 4. 2 Yêu cầu kĩ thuật đối với đất sét sản xuất xi măng Pooc lăng (TCVN 6071:1995)
............................................................................................................................................... 93
Bảng 4. 3 Thành phần hóa của đá vôi và đất sét [72] ............................................................ 94
Bảng 4. 4 Thành phần hóa cấu tử điều chỉnh quặng sắt và cát đen [72] ............................... 94
Bảng 4. 5 Thành phần than cám 3 [72] .................................................................................. 95
vii


Bảng 4. 6 Thành phần làm việc của than ............................................................................... 95
Bảng 4. 7 Thành phần hóa của tro than [72] ......................................................................... 95
Bảng 4. 8 Thành phần của RDF căn bản khô (ECN) ............................................................ 96
Bảng 4. 9 Thành phần làm việc của RDF (độ ẩm 5%) .......................................................... 96
Bảng 4. 10 Thành phần tro RDF (ECN) ................................................................................ 97
Bảng 4. 11 Thành phần nguyên liệu chưa nung quy về 100% .............................................. 97
Bảng 4. 12 Thành phần nguyên liệu khô đã nung quy về 100% ........................................... 97
Bảng 4. 13 Thành phần hóa học của từng cấu tử trong clanhke ............................................ 99
Bảng 4. 14 Thành phần nguyên vật liệu chưa nung ............................................................ 101
Bảng 4. 15 Thành phần hóa của phối liệu khô chưa nung................................................... 101

Bảng 5. 10 Các đặc tính của ổ đỡ trục [109] ....................................................................... 156
Bảng 5. 11 Các đặc tính cửa nạp liệu cơ bản [109] ............................................................. 156
Bảng 5. 12 Các đặc tính của bích nối máng vít [109] ......................................................... 157
viii


Bảng 5. 13 Các đặc tính của lớp lót nối trục [109] .............................................................. 157
Bảng 5. 14 Kết quả tính toán mô men uốn ở từng tiết diện ................................................. 165
Bảng 5. 15 Các điều kiện cho các thông số công nghệ lò nung [93]................................... 167
Bảng 5. 16 Chọn loại gạch theo chiều dài lò ....................................................................... 168
Bảng 5. 17 Tính toán khối lượng vật liệu trong lò .............................................................. 168
Bảng 5. 18 Số liệu tính toán công suất lò quay [115] .......................................................... 170
Bảng 5. 19 Khối lượng riêng của các khí ở điều kiện chuẩn [93] ....................................... 173
Bảng 5. 20 Tính toán V và γt của dòng khí trong các xyclon .............................................. 173
Bảng 5. 21 Tính toán các kích thước của xyclon................................................................. 175
Bảng 5. 22 Số tấm ghi trong thiết bị làm nguội clanhke ..................................................... 178
Bảng 5. 23 Thông số tính toán công suất quạt thiết bị làm nguội clanhke .......................... 179

ix


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Thái Hoàng
Ngành: Quá trình và Thiết bị Hóa

(ký ghi rõ họ tên)

x


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................

.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
…………………., ngày…..tháng…..năm….
Giáo viên phản biện

xii


LỜI NÓI ĐẦU
Luận văn tốt nghiệp này là kết quả của quá trình nghiên cứu, tìm tòi, tính toán và thiết kế
hết sức nghiêm túc và chăm chỉ của tôi trong suốt ba tháng, cũng là đúc kết của những kiến
thức đã được tích lũy trong hơn bốn năm học tập và rèn luyện tại trường Đại học Bách
Khoa TP Hồ Chí Minh. Trong quá trình tính toán thiết kế, tôi đã áp dụng không những
những kiến thức lý thuyết trên trường mà còn xem xét những thiết kế từ thực tế sản xuất
đang sử dụng. Luận văn đã trình bày những tiến bộ và hướng phát triển mới trong ngành
công nghiệp xi măng. Đó là việc sử dụng loại lò nung hiện đại có precalciner hay việc đưa
đồng xử lí rác thải trở thành một giải pháp tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.
Trong quá trình thực hiện luận văn, nhờ sự giúp đỡ của các thầy và các bạn học, cùng với
nỗ lực hết mình tìm hiểu kiến thức mới, tôi đã học được rất nhiều điều về quá trình sản xuất

thể làm giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch và phát thải CO2 đi kèm của
ngành công nghiệp xi măng. Tro từ chất thải đồng xử lí sẽ bổ sung vào clanhke, nhờ đó sẽ
giúp tiết kiệm nguồn nguyên liệu thô. Thêm vào đó, xử lí chất thải trong sản xuất xi măng
làm dịu đi những vấn đề do sự gia tăng rác trên thế giới, đặc biệt ở những nước đang phát
triển có tốc độ đô thị hóa nhanh chóng. Ở nước ta, việc quản lí chất thải còn nhiều bất cập,
ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người và môi trường. Các quy định và hướng dẫn cho việc
xử lí chất thải cũng như đồng xử lí vẫn còn nhiều hạn chế, thiếu sót và cần được tiếp tục sửa
đổi, bổ sung.
Mục đích của luận văn này là cung cấp một cái nhìn tổng quát về công nghệ đồng xử lí chất
thải trong nhà máy xi măng và đưa ra một số tính toán thiết kế cho công nghệ này. Luận văn
được chia làm 5 chương. Chương 1 và 2 trình bày tổng quan về công nghệ này trên thế giới
và ở Việt Nam, theo thứ tự. Một dây chuyền công nghệ đồng xử lí chất thải trong nhà máy
xi măng năng suất 5000 tấn/ngày đêm được tính toán trong chương 3 và chương 4 đưa ra
một số thiết kế cho hệ thống vis tải nạp chất thải vào vùng precalciner của dây chuyền sản
xuất này.

xiv


BẢNG DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
MSW
RDF
MBT
POP
PCDD
PCDF
I-TEQ
TOC
BAT
PCB

phần trăm trong toàn bộ lượng phát thải CO2 nhân tạo trên toàn thế giới [1] . Nhu cầu sử
dụng và sản xuất xi măng đang gia tăng; sản lượng xi măng hằng năm của thế giới được
dự đoán tăng từ khoảng 2.540 triệu tấn vào năm 2006 đến khoảng từ 3.680 đến 4.380
triệu tấn vào năm 2050. Phần lớn sự tăng trưởng này diễn ra ở Trung Quốc, Ấn Độ và các
nước đang phát triển ở Châu Á (Hình 1.1) [2]. Sự gia tăng sản lượng xi măng dẫn đến sự gia
tăng đáng kể lượng năng lượng sử dụng và lượng CO2 phát thải. Sử dụng nguồn nhiên liệu
thay thế có thể giúp giảm tốc độ tiêu hao nhiên liệu hóa thạch, và nếu nguồn nhiên liệu thay
thế có mức phát thải CO2 thấp hơn thì có thể giảm cả sự phát thải CO2 của ngành công nghiệp.
Bài viết tập trung vào nhiên liệu thay thế từ chất thải rắn đô thị và bùn thải, trong thực tế người
ta còn dùng nhiều loại chất thải công nghiệp và nông nghiệp khác.
Liên Minh Châu Âu

dự đoán nhu cầu cao

Ca-na-đa và Mỹ

dự đoán nhu cầu
thấp

Các Tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế Châu Âu
khác Dương
Tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế Thái Bình
Dương
Trung Quốc
Ấn Độ
Những nền kinh tế đang chuyển tiếp
Những nước Châu Á đang phát triển
Mỹ La-tinh
Châu Phi và Trung Đông


Chất thải rắn đô thị2 (MSW) bao gồm mọi thứ mà con người sử dụng và thải bỏ hàng
ngày, như là bao bì, đồ đạc, quần áo, chai lọ, thức ăn, báo, dụng cụ, sơn và pin [3]. Thành
phần MSW phụ thuộc vào nguồn gốc, mùa trong năm, lối sống và ý thức của người dân
địa phương. Nguồn MSW thô có hàm lượng ẩm cao, nhiệt trị thấp, kích thước dao động
lớn và hàm lượng tro cao. Vì những lí do này, sử dụng MSW thô khó khăn và không thu
hút được nhiều sự quan tâm. MSW có thể được xử lí trong nhà máy xử lí cơ học hoặc
trong nhà máy xử lí kết hợp cơ học và sinh học. Cả hai phương pháp xử lí đều tạo ra được
nhiên liệu có nguồn gốc từ chất thải3 (RDF) có nhiệt trị lớn hơn đáng kể so với nguyên
liệu ban đầu. Ngoài việc có nhiệt trị cao, RDF còn có ưu điểm là có thành phần vật lí và
hóa học đồng nhất hơn so với MSW; dễ dàng tồn trữ, thao tác và vận chuyển hơn; phát
thải ít chất ô nhiễm hơn; và cần ít lượng không khí dư hơn khi đốt [4]. Hình 1.2 cho thấy
các thành phần trong MSW ở Rawalpindi, Pakistan [5].
Bảng 1.1 cho thấy lượng MSW phát sinh ở một vài nước trên thế giới. Cả tổng lượng rác
và lượng rác tính theo đầu người phát sinh đã giảm khá ổn định trong những năm gần đây
ở một số nước phát triển (ví dụ, Mỹ ). Tuy nhiên, ở một số nước đang phát triển, những
con số này đang gia tăng (ví dụ, Trung Quốc) ). Thêm nữa, ở các nước phát triển tốc độ
tái sinh rác thường lớn hơn ở các nước đang phát triển [6]. Hình 1.3 cho thấy những biện
pháp tiêu hủy MSW ở Trung Quốc vào năm 2006 như một ví dụ.

Hình 1. 2 Thành phần MSW ở Rawalpindi, Pakistan [5]
2
3

Chất thải rắn đô thị (Municipal Solid waste): viết tắt MSW; từ đây trở đi sẽ dùng từ MSW.
Nhiên liệu nguồn gốc từ chất thải (Refuse-derived fuel): viết tắt RDF; từ đây trở đi sẽ dùng từ RDF.

2


Bảng 1. 1 Lượng chất thải rắn đô thị ở một số nước trên thế giới năm [6]


2,03

Thụy Sĩ

4.855

1,78

Ba Lan

9.354

0,68

Bồ Đào Nha

5.009

1,29

Hungary

4.632

1,26

Mexico

36.088


Ở Mỹ vào năm 2007, 16.583 cơ sở xử lí nước thải tạo ra khoảng 6,5 triệu tấn bùn thải khô
(bùn sinh học) [8]. Hầu hết bùn thải tạo ra ở Mỹ và các nước khác được tái chế thành đất
hoặc đưa đi chôn lấp, không được thiêu đốt để thu hồi năng lượng trong lò xi măng [7].
Bùn thải được chuyển thành đất phải tuân thủ những tiêu chuẩn nghiêm ngặt về sức khỏe
con người và môi trường, và bùn thải bị ô nhiễm kim loại nặng từ nước thải công nghiệp
sẽ không thích hợp cho mục đích trồng trọt [9].
Những nước đang phát triển, như Trung Quốc và Ấn Độ, đang mở rộng nhanh chóng các
cơ sở xử lí nước thải, do đó chất lượng bùn thải cũng tăng lên nhanh chóng. Vào năm
2005, các nhà máy xử lí nước thải ở Trung Quốc tạo ra 9 triệu tấn bùn khô; trong vòng 10
năm, số lượng này được dự tính sẽ tăng lên 27 triệu tấn [9].
1.1.3. Đồng xử lí: Một phần giải pháp
Quản lí chất thải yếu kém vẫn còn là một vấn đề ở các nước đang phát triển và các nước
có nền kinh tế chuyển tiếp. Ở nhiều nước này, chất thải được thải ra cống rãnh, chôn, đốt
một cách không có kiểm soát, hoặc đổ bừa bãi bất hợp pháp, hay đưa đến các bãi chôn lấp
không đạt các yêu cầu tiêu hủy rác an toàn với môi trường. Những biện pháp này dẫn đến
ô nhiễm nguồn đất, nguồn nước và không khí, dẫn đến suy giảm dần điều kiện sống và
sức khỏe của các người dân xung quanh.
Đồng xử lí các dòng chất thải cụ thể trong lò nung xi măng có thể giúp giải quyết phần
nào vấn đề này [10]. Bùn thải, thường được chôn lấp hay sử dụng trong nông nghiệp, nay
được dùng như nguồn nguyên liệu và nhiên liệu thay thế trong qui trình sản xuất clanhke
và xi măng. Nhiều nước châu Âu đã bắt đầu áp dụng biện pháp này trong việc quản lí bùn
thải [11]. Cả chất thải rắn đã qua tiền xử lí và bùn thải đều có nhiệt trị cao, vào cỡ gigajun(GJ) trên một tấn vật liệu khô. Hai loại này đều có mức phát thải CO2 thấp hơn so với
than khi được đốt trong lò nung xi măng. Bảng 1.2 cho thấy những đặc tính tiêu biểu của
MSW và bùn thải được sử dụng làm nguồn nhiên liệu thay thế. Tuy vậy, mức năng lượng
chứa trong chất thải rắn của một số nước đang phát triển được báo cáo thấp hơn so với số
liệu trong bảng 1.2.

4


0,95 – 1,32

Bùn thải để
ráo nước

20

9 - 25

75

0,29

Bùn thải khô

20

9 - 25

20

0,88

Những nguyên tắc cơ bản khi đồng xử lí MSW và bùn thải trong ngành
công nghiệp Xi măng

Phần dưới đây mô tả qui trình sản xuất xi măng, tác động CO2 của nó, và nhiều vấn đề
liên quan đến việc đồng xử lí MSW và bùn thải trong ngành công nghiệp xi măng.
1.2.1. Sản xuất Xi măng
Qui trình chung sản xuất xi măng ngày nay đòi hỏi khai thác và đập nghiền nguyên vật

trình khô, nguyên vật liệu thô được nghiền đến dạng bột mịn trong máy nghiền bi, máy
nghiền con lăn đứng hay máy nghiền trục cán.Vật liệu có thể được sấy bằng cách tận
dụng nhiệt từ khí thoát ra khỏi lò nung hay khỏi vùng làm lạnh clanhke, hoặc bằng nhiệt
bổ sung từ lò đốt nóng không khí riêng biệt. Hàm lượng ẩm khi nạp liệu khô thông
thường khoảng 0,5 phần trăm nhưng có thể dao động từ 0 đến 0,7 phần trăm. Khi nguyên
vật liệu có độ ẩm quá lớn, như trong trường hợp ở một số nước và vùng miền, qui trình ướt
có thể được ưu tiên hơn. Trong qui trình ướt, nguyên vật liệu được nghiền trong máy
nghiền bi hay máy nghiền ống cùng lúc được bổ sung nước để tạo thành một dịch bùn có
hàm lượng nước từ 24 đến 48 phần trăm, thông thường là 36 phần trăm [14].
Sản xuất clanhke
Sản xuất clanhke là giai đoạn tiêu tốn nhiều năng lượng nhất trong sản xuất xi măng,
chiếm đến hơn 90 phần trăm tổng năng lượng tiêu thụ và sử dụng hầu hết nhiên liệu. Hệ
thống lò nung làm bay hơi nước gắn kết bên trong nguyên vật liệu, phân hủy (can-xin
hóa) các thành phần chứa cacbonat ,và tạo thành các khoáng của xi măng (clanhke hóa).
Loại lò nung phổ biến được sử dụng ngày nay là lò quay theo phương pháp khô. Một lò
quay nung khô sử dụng vật liệu vào có hảm ẩm thấp (0,5 phần trăm). Lò nung loại này
được phát minh ở Mỹ và ban đầu không có bộ phận gia nhiệt4. Những cải tiến sau này
thêm preheater phân tán (xyclon) hay preheater kiểu giếng đứng. Gần đây, công nghệ tiền
phân hủy5 vôi được phát triển, trong đó một buồng đốt thứ hai được thêm vào ở giữa lò
nung và preheater thông thường, cho phép làm giảm thêm lượng nhiên liệu tiêu thụ của lò
nung. Tiêu thụ năng lượng của lò nung khô với 4,5 hay 6 giai đoạn gia nhiệt thay đổi từ 2,9
đến 3,5 GJ/ tấn clanhke, và hầu hết các quá trình phát thải CO2 trong sản xuất xi măng đều
liên quan đến quá trình phân hủy đá vôi (can-xin hóa). Ngay sau khi tạo thành trong lò
nung, clanhke được làm nguội nhanh để làm giảm tối thiểu sự tạo thành pha thủy tinh và
đảm bảo đạt được tỉ lệ lớn nhất pha alit (tricanxi silicat), một thành phần quan trọng tạo nên
đặc tính hóa cứng cho xi măng. Các công nghệ làm nguội chính là công nghệ làm nguội
dạng ghi, dạng ống hay dạng hành tinh. Trong thiết bị làm lạnh dạng ghi, được sử dụng
4
5


Đồng nhất và
nghiền nguyên liệu
Đập thô

Khai thác
nguyên liệu

Hình 1. 4 Các bước sản xuất xi măng sử dụng công nghệ lò quay khô có
preheater/precalciner [1]

1.2.1.2.

Tác động CO2 của ngành sản xuất xi măng

Sản xuất 1 tấn xi măng thải ra 0,73 đến 0,99 tấn CO2 tùy thuộc vào tỉ lệ clanhke trong xi
7


măng và các yếu tố khác. Một sự khác biệt lớn giữa ngành công nghiệp xi măng với
những ngành công nghiệp khác đó là việc tiêu thụ nhiên liệu không phải là nguồn phát
thải CO2 chính. Hơn 50 phần trăm lượng CO2 phát thải trong quá trình sản xuất xi măng,
khoảng 540 kg mỗi tấn clanhke [15] là từ quá trình nung đá vôi (can-xin hóa), trong đó
CaCO3 được phân hủy thành vôi (CaO) theo phản ứng sau:
CaCO3 ➝CaO + CO2
Phần CO2 còn lại thải ra trong quá trình sản xuất xi măng là từ việc đốt nhiên liệu để cung
cấp năng lượng nhiệt cần thiết cho quá trình can-xin hóa. Lò quay trong đó quá trình canxin hóa diễn ra được nung nóng đến khoảng 1450oC. Trung bình 100 đến 110 kWh điện
năng tiêu thụ khi sản xuất 1 tấn xi măng [13]. Lượng CO2 phát thải từ lượng điện sử dụng
trung bình khoảng 5 phần trăm tổng lượng CO2 phát thải của ngành công nghiệp xi măng.
Tùy thuộc vào nguồn năng lượng và hiệu suất sử dụng điện, con số này có thể thay đổi từ
dưới 1 phần trăm đến hơn 10 phần trăm. Khoảng 5 phần trăm CO2 phát thải đến từ việc

hại

Vải
RDF
Bùn thải công nghiệp
Chất thải có nguồn gốc động vật/mỡ
Chất thải nông nghiệp
Dung môi
Khác

Gỗ, giấy, cac-tông
Nhựa
Cao su/Lốp xe
Bùn thải đô thị
Than/chất thải chứa cacbon
Mùn cưa độc
Dầu thải/chất thải có dầu

Hình 1. 5 Đồng xử lí chất thải nguy hại và không nguy hai trong lò xi măng ở Liên Minh
Châu Âu năm 2003 và 2004 [16]

Cơ quan kiểm soát và ngăn ngừa ô nhiễm Liên Minh Châu Âu (EIPPCB) đưa ra những
đặc tính sau đây của ngành công nghiệp xi măng cho phép quá trình đồng xử lí chất thải:
 Nhiệt độ tối đa khoảng 2000oC (nhiệt độ ngọn lửa, hệ thống đốt chính) trong lò
quay.
 Thời gian lưu của khí khoảng 8 giây ở nhiệt độ lớn hơn 1200 oC trong lò quay.
 Nhiệt độ vật liệu khoảng 1450oC trong vùng kết khối của lò quay.
 Oxi hóa không khí trong lò quay.
 Thời gian lưu của khí trong hệ thống đốt phụ nhiều hơn 2 giây ở nhiệt độ lớn
hơn 850°C; trong precalciner, giá trị nhiệt độ và thời gian lưu tương ứng còn