Sản xuất xi măng với phụ gia từ tro đáy nhiệt điện

Tại các nhà máy nhiệt điện, khi các hạt than nghiền mịn bị đốt cháy, chúng bị hóa mềm hoặc chảy lỏng ở trạng thái lơ lửng. Tro than bay theo dòng khí nóng, sau khi đi qua dãy ống lò hơi được thải ra ngoài qua các thiết bị lọc bụi tĩnh điện hoặc lọc bụi túi, sản phẩm thu hồi từ các thiết bị này gọi là tro bay. Lượng tro bay thông thường chiếm 80 - 90% lượng tro xỉ do đốt cháy than tạo ra. Một phần tro than bị hoá mềm hoặc chảy lỏng ở nhiệt độ cao, bám vào tường lò và ống nồi hơi. Những hạt lớn hơn tích tụ và rơi xuống phễu nằm ở đáy lò và thải ra ngoài. Phần tro này gọi là tro đáy, chiếm 10 - 20% tổng lượng tro xỉ hình thành.

Thành phần hóa học chính của tro đáy là CaO, Fe2O3, MgO, MnO2, SiO2, Al2O3,… Trong đó, các thành phần chính - SiO2 , Al2O3, CaO và Fe2O3 - chiếm hơn 80% trọng lượng của tro đáy.

Hiện nay, các nhà máy nhiệt điện đang thải ra lượng tro đáy lớn, gây ô nhiễm môi trường nhưng chưa có biện pháp xử lý triệt để. Do đó, việc tận dụng vật liệu tro đáy nhiệt điện trong sản xuất xi măng Portland PCB40 có thể giúp giảm sử dụng lượng clinker, tài nguyên khoáng sản đá vôi, đất sét, nhiên liệu than đá. Từ đó cũng giảm được lượng khí thải trong quá trình sản xuất clinker và bảo vệ các nguồn tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường.

Trong đề tài “Nghiên cứu xử lý vật liệu môi trường tro đáy nhiệt điện trong sản xuất xi măng Portland PCB40", các nhà nghiên cứu ở Đại học Bách khoa TPHCM đã sử dụng các nguyên liệu clinker, đá vôi, puzolan, thạch cao, tro đáy để sản xuất xi măng.

Cụ thể, Clinker được lấy từ nguồn clinker của Nhà máy Xi măng Vicem Hà Tiên (Kiên Lương, Kiên Giang), dạng viên tròn kích thước 1-2cm. Chất lượng clinker đáp ứng yêu cầu kỹ thuật TCVN 7024: 2013. Tro đáy là loại tro nhiệt điện đốt than tầng sôi, lấy từ nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân (Bình Thuận). Sự có mặt của SiO2, Al2O3 cho thấy, tro đáy có thể tạo phản ứng pozzolanic giúp tăng độ hoạt tính của xi măng. Thạch cao nhập từ Thái Lan với thành phần chủ yếu là CaSO4.2H2O. Đá Puzolan là phụ gia hoạt tính cao trong sản xuất xi măng. Đá vôi có công thức hóa học CaCO3, có nhiệm vụ cung cấp CaO cho xi măng.

Để tìm ra công thức phối trộn tối ưu, nhóm nghiên cứu thực hiện các cấp phối thay đổi theo hàm lượng tro đáy tăng từ 0%, 2%, 4%, 6%, 8%, 10%, thay thế lượng clinker tương ứng. Khi tăng hàm lượng tro đáy, lượng nước tiêu chuẩn cũng tăng lên, do tro đáy có xu hướng hút nước mạnh mẽ.

Thời gian bắt đầu và kết thúc quá trình ninh kết (đông cứng) tăng dần theo hàm lượng tro đáy thêm vào xi măng, càng nhiều tro đáy, thời gian ninh kết càng lâu. Thời gian ninh kết của xi măng chủ yếu phụ thuộc vào C3A - loại khoáng quan trọng có trong clinker tạo ra cường độ ban đầu của đá xi măng. Lượng C3A càng ít thì thời gian ninh kết của xi măng càng nhiều. Khi tăng lượng tro đáy, đồng thời giảm lượng clinker thì khoáng C3A cũng giảm. Điều này làm thời gian bắt đầu và kết thúc ninh kết của các mẫu xi măng có tro đáy xảy ra lâu hơn.

Mẫu vữa PCB40 sau 28 ngày có cường độ nén thỏa mãn tiêu chuẩn xi măng PCB40. Hình ảnh SEM của mẫu vữa chụp ở các độ phóng đại khác nhau (2.000, 5.000, 10.000, 15.000 lần) cho thấy, mẫu vữa có cấu trúc đặc chắc, chứng tỏ khả năng thủy hóa và kết dính của xi măng và phụ gia xỉ đáy tốt. Mẫu có nhiều khoáng dạng tấm như khoáng CSH, monosunfat tạo cường độ cho phụ gia.

Từ các kết quả trên, nhóm nghiên cứu kết luận, tro đáy là nguyên liệu phù hợp làm phụ gia trong sản xuất xi măng Portland PCB40 với hàm lượng sử dụng 4% khối lượng clinker, đạt cường độ sau 28 ngày 40,3 Mpa, lượng nước tiêu chuẩn 26,45%; thời gian ninh kết bắt đầu 125 phút, kết thúc ninh kết 180 phút.

Xi măng PCB40 là một trong những loại xi măng được sử dụng phổ biến và rộng rãi trong các công trình xây dựng. Việc tận dụng nguồn tro xỉ tại các nhà máy nhiệt điện để sản xuất si măng PCB40 sẽ giúp tiết kiệm diện tích chứa bãi thải, giảm ô nhiễm môi trường, tăng nguồn thu cho các nhà máy nhiệt điện.

Nghiên cứu của nhóm tác giả được công bố trên Tạp chí Công thương (số 12/2024).