Nghiên cứu

Nghiên cứu xử lý tro đáy nhiệt điện trong sản xuất xi măng portland PCB 40

22/07/2024 - 02:58 CH

Bài viết nhằm nghiên cứu tận dụng các nguồn phế phẩm tro đáy tạo ra những sản phẩm thân thiện với môi trường. Các kết quả nghiên cứu cho thấy, tro đáy là nguyên liệu phù hợp làm phụ gia trong sản xuất xi măng portland PCB 40 với hàm lượng sử dụng 4% khối lượng clinker đạt cường độ sau 28 ngày 40,3 MPa. Tro đáy giúp giảm sử dụng clinker, tài nguyên khoáng sản đá vôi, đất sét, nhiên liệu than đá, điều này đồng nghĩa với việc giảm lượng khí thải trong quá trình sản xuất clinker và bảo vệ các nguồn tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường.

1. Đặt vấn đề

Trong bối cảnh công nghiệp hóa đất nước, Việt Nam phải đối mặt với những vấn đề do ngành công nghiệp phát triển gây ra như ô nhiễm môi trường từ phế thải công nghiệp. Các sản phẩm sinh ra từ việc đốt than tỷ lệ thuận với chủng loại than và lượng than tiêu thụ. Khí nóng sau khi đi qua dãy ống lò hơi được xả 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 thông thường chiếm 80 - 90%, còn tro đáy được hình thành khi các hạt tro mềm hoặc chảy và bám chặt vào tường lò và ống nồi hơi. Những hạt lớn hơn tích tụ và rơi xuống phễu nằm ở đáy lò, nơi chúng được thu thập và thường chứa chủ yếu các hạt kích thước phân cấp.

Thành phần hóa học chính của tro đáy là CaO, Fe₂O₃, MgO, MnO₂, SiO₂ và Al₂O₃… ở các phức bền vững, trong đó thành phần chính là SiO₂, Al₂O₃, CaO và Fe₂O₃ chiếm trên 80% trọng lượng của tro đáy.

Do đó, nghiên cứu xử lý vật liệu môi trường tro đáy nhiệt điện trong sản xuất xi măng portland PCB40 rất cần thiết. Nghiên cứu tro đáy giúp giảm sử dụng clinker, tài nguyên khoáng sản đá vôi, đất sét, nhiên liệu than đá, điều này đồng nghĩa với việc giảm lượng khí thải trong quá trình sản xuất clinker và bảo vệ các nguồn tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường.

2. Nguyên liệu sử dụng

Các nguyên liệu sử dụng: clinker, đá vôi, puzolan, thạch cao, tro đáy Nhiệt điện Vĩnh Tân. Các nguyên liệu được kiểm tra chất lượng theo tiêu chuẩn và thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật trước khi sử dụng.

2.1. Clinker

Clinker được lấy từ nguồn clinker của nhà máy Xi măng Kiên Lương (Công ty CP Vicem Hà Tiên), dạng viên tròn kích thước 1 - 2cm. Chất lượng clinker đáp ứng yêu cầu kỹ thuật TCVN 7024: 2013.

Bảng 1: Kết quả thành phần hóa clinker

Thành phần hóa (%)								Thành phần khoáng (%)
SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	SO₃	K₂O	TiO₂	C₄AF	C₃A	C₂S	C₃S
17,20	4,28	3,55	71,20	1,88	0,35	0,93	0,30	10,80	5,33	8,48	69,28

2.2. Tro đáy

Tro đáy dùng để nghiên cứu là loại tro nhiệt điện đốt than tầng sôi được lấy từ nhà máy Nhiệt điện Vĩnh Tân - Bình Thuận.

Bảng 2: Thành phần hóa của tro đáy

MKN	SiO₂	Fe₂O₃	Al₂O₃	MgO	SO₃	K₂O	Na₂O	TiO₂
%	%	%	%	%	%	%	%	%
1,87	53,32	3,89	20,21	1,91	6,50	2,33	0	0,69

Các oxit chủ yếu có trong tro đáy: SiO₂, Al₂O₃, CaO, Fe₂O₃… Sự có mặt của SiO₂, Al₂O₃ cho thấy, tro đáy có thể tạo phản ứng pozzolanic giúp tăng độ hoạt tính của xi măng.

2.3. Thạch cao

Thạch cao của nhà máy được nhập từ nguồn thạch cao Thái Lan với thành phần chủ yếu là CaSO₄.2H₂O.

Bảng 3: Thành phần hóa của thạch cao

SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	SO₃	K₂O	SrO
%	%	%	%	%	%	%	%
2,04	0,74	0,42	56,20	0,28	39,8	0,21	0,24

2.4. Đá puzolan

Trong sản xuất xi măng, các nhà máy luôn tìm các nguồn nguyên liệu thay thế clinker để mang lại hiệu quả kinh tế. Đá puzolan là nguyên liệu mang lại lợi ích cao khi là một phụ gia hoạt tính cao. Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6260-1997 áp dụng cho xi măng portland hỗn hợp, tổng lượng phụ gia khoáng cho phép phối trộn trực tiếp vào clinker xi măng không qua khâu nung luyện với tỷ lệ lên tới 40% tùy thuộc chất lượng clinker.

2.5. Đá vôi

Đá vôi có công thức hóa học CaCO₃có nhiệm vụ cung cấp CaO. Độ cứng đá vôi 1,8 - 3,0 theo thang Mohs, khối lượng thể tích 2,6 - 2,8 tấn/m³. Dạng nguyên chất có màu trắng (đá phấn), khi lẫn tạp chất có màu. Tạp chất gây màu chủ yếu là oxit sắt, làm đá có màu xám, hồng. Đá vôi được khai thác tại mỏ được đập sơ bộ, tại trạm nghiền kích thước đá vôi cỡ 2 - 4 cm.

3. Kết quả và nhận xét

3.1. Tính cấp phối

Các cấp phối thay đổi theo hàm lượng tro đáy tăng từ 0%, 2%, 4%, 6%, 8%, 10% được thay thế lượng clinker tương ứng.

Bảng 4: Bảng cấp phối xi măng PCB 40

Bảng % cấp phối cho từng mẫu
Mẫu	Clinker	Thạch cao	Đá vôi	Puzolan	Tro đáy
Đơn vị	%	%	%	%	%
PCB 0	70	4,5	14	11,5	0
PCB 2	68	4,5	14	11,5	2
PCB 4	66	4,5	14	11,5	4
PCB 66	64	4,5	14	11,5	6
PCB 8	62	4,5	14	11,5	8
PCB 10	60	4,5	14	11,5	10

3.2. Kết quả lượng nước tiêu chuẩn

Các cấp phối trên thực hiện đo lượng nước tiêu chuẩn theo TCVN 6017 : 1995.

Hình 1. Biểu đồ kết quả lượng nước tiêu chuẩn cấp phối PCB 40.

Nhận xét: Dựa vào Hình 1 ta thấy, lượng nước tiêu chuẩn tăng dần theo hàm lượng tro đáy. Khi tăng hàm lượng tro đáy, lượng nước tiêu chuẩn cũng tăng lên. Do tro đáy khan có xu hướng hút nước mạnh mẽ, điều này lượng nước tạo độ dẻo cho hồ xi măng bị giảm xuống. Vì thế, ta cần phải thêm nước để bù lại lượng nước tro đáy đã hấp thụ.

3.3. Kết quả thời gian ninh kết

Để khảo sát thời gian ninh kết về bắt đầu và kết thúc ninh kết của các cấp phối. Thực hiện thí nghiệm theo TCVN 6017:1995.

Hình 2. Biểu đồ kết quả thời gian ninh kết của các cấp phối PCB 40.

Nhận xét: Dựa vào Hình 2 ta thấy, thời gian bắt đầu và thời gian kết thúc quá trình ninh kết tăng dần theo hàm lượng tro đáy thêm vào xi măng. Do thời gian ninh kết của xi măng chủ yếu phụ thuộc vào thành phần khoáng C₃A. Khi ta tăng lượng tro đáy, đồng thời giảm lượng clinker thì kéo theo khoáng C₃A cũng giảm. Điều này làm thời gian bắt đầu ninh kết và kết thúc ninh kết của các mẫu có tro đáy xảy ra trễ hơn.

3.4. Kết quả cường độ nén

Đề tài khảo sát cường độ nén của các cấp phối ở các ngày tuổi 1, 3, 7, 28 ngày tuổi. Thực hiện thí nghiệm theo TCVN 6016:2011.

Hình 3. Biểu đồ cường độ nén 1,3,7,28 ngày của cấp phối xi măng PCB 40.

Nhận xét:

- Cường độ 1, 3 và 7 ngày của mẫu có tro đáy thấp hơn so với mẫu không có tro đáy. Hàm lượng tro đáy càng lớn thì cường độ mẫu càng thấp. Khi cho tro đáy vào xi măng, lượng clinker bị giảm, từ đó làm mẫu giảm cường độ. Ở những ngày đầu, cường độ mẫu chủ yếu phụ thuộc vào các phản ứng của các khoáng có trong clinker, tro đáy vẫn chưa có tác động nhiều đến cường độ của mẫu.

- Cường độ mẫu 28 ngày của mẫu có tro đáy vẫn thấp hơn so với mẫu không tro đáy nhưng chênh lệch không lớn như ở cường độ 1, 3, 7 ngày.

- Mẫu PCB 2, PCB 4 có cường độ 28 ngày trên 40 MPa.

3.5. Phân tích cấu trúc vữa bằng phương pháp SEM

Mẫu vữa PCB 4 sau 28 ngày có cường độ nén thỏa mãn tiêu chuẩn xi măng PCB 40. Sau khi đo cường độ nén 28 ngày, ta lấy mẫu đem chụp SEM với các độ phóng đại khác nhau 2.000, 5.000, 10.000, 15.000 lần để quan sát cấu trúc hình thành và phát triển bên trong ở các độ phóng đại khác nhau.

Hình 4. Ảnh SEM mẫu PCB 4 phóng đại 2.000, 5.000, 10.000,15.000 lần.

Nhận xét: Dựa trên hình ảnh SEM của mẫu vữa chụp ở các độ phóng đại khác nhau có thể 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 là khoáng C-S-H, khoáng giúp tăng cường độ cho vữa. Ngoài ra, còn xuất hiện khoáng monosunfat dạng tấm lục giác đan xen lẫn nhau và tinh thể ettringite hình kim.

5. Kết luận

Dựa vào các kết quả trên ta thấy, tro đáy là chất thải của nhà máy Nhiệt điện Duyên Hải được sử dụng làm phụ gia trong sản xuất xi măng portland PCB 40. Với hàm lượng 4% tro đáy thay clinker trong xi măng vẫn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật của xi măng có cường độ nén 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.

Tài liệu tham khảo:

1. Đỗ Quang Minh, Trần Bá Việt (2009). Công nghệ sản xuất xi măng PoocLăng và các chất kết dính vô cơ. NXB Đại học Quốc gia, Thành phố Hồ Chí Minh.

2. Phùng Văn Lự (2006). Vật liệu xây dựng. NXB Giáo dục, Hà Nội.

3. Phạm Duy Hữu (2008). Bê tông cường độ cao và chất lượng cao. NXB Giáo dục, Hà Nội.

4. Tuyển tập xây dựng Việt Nam (2004). TCXDVN 311:2004, Phụ gia khoáng hoạt tính cao dùng cho bê tông và vữa: Silicafume và tro trấu nghiền mịn. NXB Xây dựng, Hà Nội.

5. Phạm Văn Trình, Nguyễn Thúc Tuyên và Nguyễn Văn Thịnh (1986). Bê tông và vữa xây dựng. NXB Xây dựng, Hà Nội.

6. ASTM C618-03 Standard Specification for Coal Bottom Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete.

7. Caslos Leira F. etal (2003). Influence of the type of ash on the insulating capacity mortar used for passive protection against fire, Parer No.58, International Ash Utilizations Symposium.

Nguồn: ximang.vn (TH/ TC Công thương)