TÓM TẮT:

Hiện nay, các nhà máy nhiệt điện đang thải ra lượng tro đáy lớn, tro này gây ô nhiễm môi trường nhưng hiện tại chưa có biện pháp xử lý triệt để. 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 PCB40 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.

Từ khóa: tro đáy, xi măng, PCB40, bảo vệ môi trường, tài nguyên.

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 Vicem Hà Tiên Kiên Lương, 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

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

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

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 CaCO3, có 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 - 4cm.

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

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 PCB40

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 PCB40

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 PCB40

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 PCB2, PCB4 có cường độ 28 ngày trên 40 MPa.

3.5. Phân tích cấu trúc vữa bằng phương pháp SEM

Mẫu vữa PCB4 sau 28 ngày có cường độ nén thỏa mãn tiêu chuẩn xi măng PCB40. Sau khi đo cường độ nén 28 ngày, ta lấy mẫu đem chụp SEM với các độ phóng đại khác nhau 2000, 5000, 10000, 15000 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 PCB4 phóng đại 2000; 5000; 10000;15000 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 PCB40. 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 40,3MPa, lượng nước tiêu chuẩn 26,45%; thời gian ninh kết bắt đầu 125 phút, kết thúc ninh kết 180 phút.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

5. 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.
6. Phùng Văn Lự (2006). Vật liệu xây dựng. NXB Giáo dục, Hà Nội.
7. Phạm Duy Hữu (2008). Bê tông cường độ cao và chất lượng cao. NXB Giáo dục, Hà Nội.
8. 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.
9. Phạm Văn Trình, Nguyễn Thúc Tuyên và Nguyễn Văn Thịnh (1986). Bê tông và vữa xây dựng. NXB Xây dựng, Hà Nội.
10. ASTM C618-03 Standard Specification for Coal Bottom Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete.
11. 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.

A study on the use of bottom ash to produce Portland PCB40 cement

Master. Le Minh Son

Ho Chi Minh City University of Technology

Vietnam National University - Ho Chi Minh City

ABSTRACT:

Currently, thermal power plants are emitting large amounts of bottom ash, which causes environmental pollution, but there is currently no thorough treatment for this waste. This study explored solutions to utilize the bottom ash to create environmentally friendly products. The study found that the bottom ash can be used as an additive in the production of Portland PCB40 cement with a usage rate of 4% of the clinker's mass. The product’s strength is 40.3 MPa after 28 days. The bottom ash helps reduce the amount of clinker, limestone mineral resources, clay, and coal. It means that it reduces emissions from clinker production and better protects the environment.

Keywords: bottom ash, cement, PCB40, environmental protection, resources.