Chương 1 Luận án. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học của đề tài: Kết quả nghiên cứu của luận án góp phần làm sáng tỏ thêm những lý luận khoa học về việc sử dụng tro, xỉ nhà máy nhiệt điện than làm vật liệu xây dựng trong mối quan hệ với xu hướng phát triển mô hình kinh tế tuần hoàn hiện nay. - Ý nghĩa thực tiễn: + Kết quả nghiên cứu của luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho ngành xây dựng trong việc hoạch định chính sách thúc đẩy sử dụng tro, xỉ nhà máy nhiệt điện 5 than làm vật liệu xây dựng tại Việt Nam. + Kết quả nghiên cứu của luận án góp phần phát triển kinh tế tuần hoàn đang trở thành một xu hướng tất yếu hiện nay đối với Việt Nam.
Những đóng góp khoa học mới của tác giả luận án Thứ nhất, hệ thống hóa và làm phong phú thêm một số vấn đề lý luận về quản lý tro, xỉ NMNĐT làm vật liệu xây dựng. Trong đó làm rõ thêm cơ sở pháp lý và thực tiễn sử dụng tro, xỉ NMNĐT ở trong nước cũng như ở nước ngoài. Thứ hai, nghiên cứu ứng dụng mô hình kinh tế tuần hoàn trong phân tích sử dụng tro, xỉ NMNĐT làm vật liệu xây dựng ở Việt Nam. Thứ ba, nhận diện, phân tích, tổng hợp nguyên nhân của các thuận lợi và khó khăn, rào cản trong sử dụng tro, xỉ NMNĐT làm vật liệu xây dựng; làm rõ những tồn tại về pháp lý cần giải quyết.
Dự báo lượng phát thải tro, xỉ sau năm 2021 ở các kịch bản khác nhau phù hợp với xu thế phát triển nhiệt điện than. Thứ tư, đề xuất thống nhất các mục tiêu chính sách liên quan đến quản lý sử dụng tro, xỉ NMNĐT làm vật liệu xây dựng tại Việt Nam. Đề xuất các nhóm giải pháp nhằm thúc đẩy sử dụng tro, xỉ làm vật liệu xây dựng tại Việt Nam để đạt được các mục tiêu chính sách đề ra trong 10 năm tới và các năm tiếp theo. Trong đó có đề xuất Nhà nước phải xem xét, bổ sung các quy định pháp lý để tháo gỡ các rào cản và mở ra các quy định thuận lợi hơn cho việc thúc đẩy sử dụng tro, xỉ NMNĐT làm vật liệu xây dựng; vận dụng mô hình KTTH trong phân tích - đánh giá lợi ích, đưa ra phương pháp tính toán lợi ích khi sử dụng tro, xỉ NMNĐT làm VLXD.
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU CÓ LIÊN QUAN ĐẾN SỬ DỤNG TRO, XỈ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN THAN LÀM VẬT LIỆU XÂY DỰNG 1. Tổng quan các công trình nghiên cứu ngoài nước Tăng trưởng kinh tế có tương quan với việc sử dụng năng lượng. Năng lượng sạch với các tác động môi trường tối thiểu là điều cần thiết cho sự phát triển kinh tế xã hội, đặc biệt là các nước đang phát triển [86]. Ngày nay, nhiên liệu hóa thạch đang là nguồn sản xuất năng lượng chính.
Điện là xương sống của thế giới hiện đại, đặc biệt là đối với máy móc, là động lực phát triển cho các nền kinh tế toàn cầu [69]. Nhà máy nhiệt điện than điển hình [94] Việc sử dụng than trong các nhà máy nhiệt điện sản sinh ra một lượng lớn tro bay và tro đáy (còn gọi là xỉ đáy). Thông thường khi đốt 15 – 18,75 tấn than sẽ tạo ra 1 megawatt điện và 4.3 - 11 tấn xỉ và tro bay [86]. Ở một nghiên khác cho thấy việc tạo ra 1 kWh điện sẽ tiêu thụ 1,290kg than và tạo ra 0,194 kg tro bay và 0,013kg xỉ; có 85% là tro bay và <15% xỉ được tạo ra trong tổng số phế thải được tạo ra.
Các giá trị khác nhau là do hiệu quả của từng nhà máy nhiệt điện than [94]. Ước tính tổng lượng tro, xỉ phát sinh hàng năm là khoảng 600-800 triệu tấn, trong đó tro bay chiếm khoảng 65-95% và tro đáy, xỉ chiếm khoảng 5-35% [86]. Một nghiên cứu khác cho thấy, tro, xỉ thu được từ các lò đốt than bột thì tro bay chiếm thành phần chính (70- 90%) và tro đáy, xỉ chiếm khoảng 10-30% [92]. Tro, xỉ thải bỏ yêu cầu một diện tích đất lớn để chứa đựng [69] và gây áp lực lên môi trường.
Việc xử lý tro, xỉ một cách thiếu khoa học sẽ gây ảnh hưởng đến các hệ sinh thái địa phương do ô nhiễm kim loại nặng [69], các kim loại nặng này có thể bị rò rỉ ra ngoài môi trường ở các độ pH 7 khác nhau. Một số ion có xu hướng rò rỉ ra trong môi trường axit trong khi một số nguyên tố oxyanionic như As, B, Cr, Mo, V và W có xu hướng bị tách ra trong môi trường kiềm [86]. Ngoài việc chiếm đi diện tích đất lớn, nếu như không được bảo quản tốt, chúng có thể gây ô nhiễm không khí bởi các hạt tro bay rất dễ phát tán ra không khí. Việc thải bỏ tro, xỉ gây ô nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm, đất và thảm thực vật do tác động của các kim loại nặng độc hại có tro tro bay.
Vì vậy, có hai vấn đề lớn hiện nay đối với các nhà máy nhiệt điện than đó là (1) nhu cầu đất để xử lý tro, xỉ và (2) kiểm soát sự ô nhiễm [69]. Các nghiên cứu liên quan thuật ngữ, nguồn gốc hình thành và đặc tính cơ, hóa lý cơ bản của tro, xỉ nhà máy nhiệt điện than Tro bay (Fly Ash) là một chất dạng bột mịn “bay lên” từ buồng đốt than (lò hơi) và được thu giữ bởi các bộ phận kiểm soát khí thải [70;74;86;99]. Các ứng dụng thường gặp của tro bay là làm nguyên liệu thô cho các sản phẩm bê tông và vữa, làm nguyên liệu sản xuất xi măng, làm vật liệu đắp, nền đường [70;98], làm các loại gạch/khối các loại trong xây dựng [68]. Sử dụng tro bay, đặc biệt là trong bê tông, có những lợi ích môi trường đáng kể bao gồm: (1) tăng tuổi thọ của đường và kết cấu bê tông bằng cách cải thiện độ bền của bê tông, (2) giảm sử dụng năng lượng, khí nhà kính và khí thải bất lợi khác khi tro bay được sử dụng để thay thế hoặc thay thế một phần xi măng, (3) giảm lượng phế thải bỏ tại các bãi chôn lấp, và (4) bảo tồn các nguồn tài nguyên thiên nhiên và vật liệu khác [70].
Các ứng dụng sử dụng tro đáy là làm vật liệu đắp, vật liệu làm nền đường, làm nguyên liệu trong sản xuất xi măng, làm cốt liệu trong sản phẩm bê tông nhẹ [99]. Xỉ (Slag) là tro dưới đáy nóng chảy thu được ở đáy lò. Xỉ là các hạt cứng, màu đen, có góc cạnh, bề ngoài trông giống thủy tinh [99]. Xỉ được sử dụng như một chất độn khoáng trong nhựa đường, vật liệu đắp, nguyên liệu thô trong các sản phẩm bê tông [99].
Loại tro, xỉ và xỉ được tạo ra phụ thuộc vào loại than được đốt [76]. Tro 8 bay, tro đáy và xỉ đáy lò được gọi chung là tro, xỉ. Ngoài các thuật ngữ trên thì trên thế giới còn sử dụng tới thuật ngữ “Sản phẩm đốt than - CCP”, “tro than”, “phụ phẩm đốt than - CCBs”, “chất thải đốt than - CWRs” và các thuật ngữ khác được sử dụng để mô tả, về cơ bản là cùng một loại vật liệu. Sản phẩm đốt than (CCP) là nguyên liệu được tạo ra khi đốt than để tạo ra điện.
Chúng bao gồm tro bay, tro đáy, xỉ lò hơi, thạch cao khử lưu huỳnh trong khí thải và các sản phẩm phụ khác của nhà máy nhiệt điện than [77;99]. Thuật ngữ “sản phẩm” do Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ đặt ra để thúc đẩy việc tái chế những thứ này và các sản phẩm phụ công nghiệp khác [99]. Khái niệm “tro than” được sử dụng chung cho các loại tro khác nhau có nguồn gốc từ than [77]. Các tính chất vật lý và hoá học của tro bay nhà máy nhiệt điện than bị ảnh hưởng bởi nguồn than thô, đặc tính của loại lò đốt than, điều kiện vận hành [69;75;77;86], phương pháp thu gom [69] và dây chuyền kiểm soát ô nhiễm không khí tại nhà máy nhiệt điện than và các kỹ thuật được sử dụng để xử lý và lưu trữ [77].
Có 2 dạng lò cơ bản được sử dụng là: lò đốt than phun (than nghiền) (PC), lò đốt tầng sôi tuần hoàn (CFB) [70]. Công nghệ lò đốt tầng sôi tuần hoàn (CFB) xuất hiện rất lâu sau so với lò đốt than phun, với ưu điểm là tính linh hoạt của nhiên liệu so với công nghệ lò đốt than phun (PC), nó có thể đốt than có hàm lượng tro và lưu huỳnh cao và nhiệt độ thấp mà không ảnh hưởng đến việc phát thải khí nhà kính [88]; hơn nữa nó đốt cháy các loại nhiên liệu rắn khác như than chất lượng thấp, hỗn hợp than non và than đá [71;88], sinh khối và chất thải [84]. Quá trình đốt cháy của lò CFB ở nhiệt độ tương đối thấp là 700- 9500C. Trong khi đó lò PC sử dụng loại than nghiền mịn, có chất lượng cao đốt ở nhiệt độ 1300-17000C [84;101].
Điều này dẫn đến việc phát sinh chất thải rắn tăng 3-4 lần khi so sánh với lò PC [84]. Chính vì những điều này dẫn đến sự khác biệt về chất lượng tro, xỉ sinh ra từ 2 loại lò này, do đó có những “thách thức” nhất định khi sử dụng tro, xỉ lò CFB. 9 Tro bay từ lò CFB được tạo ra hàng năm ngày một tăng trên thế giới, lượng tro bay này được sử dụng một phần nào đó, còn lại phần lớn là được chôn lấp hoặc xử lý. Tuy nhiên việc thải bỏ ngày càng trở nên tốn kém và gặp nhiều cản trở.
Ví dụ, ở Phần Lan giá tính thuế cho một tấn tro bay CFB là 80 EUR. Còn ở nước đông dân như Ấn Độ thì việc giữ đất cho nông nghiệp và đất rừng là quan trọng hơn việc dùng cho thải bỏ tro bay [84]. Tro bay CFB, thu được từ máy hút bụi, từ lâu đã đặt ra những thách thức nghiêm trọng hơn so với tro bay từ lò PC để sử dụng trong các ứng dụng xây dựng, trong khi hầu hết tro bay PC có thể được tái chế sử dụng trong ngành công nghiệp xi măng và bê tông. Nhiệt độ cháy thấp 850oC - 950oC làm cho tro bay CFB khác biệt rất nhiều về tính chất vật lý và hóa học so với tro bay PC, nhiệt độ nung điển hình là 1200-1400oC.
Trên thực tế, nhiệt độ nung thấp có thể dẫn đến hoạt tính pozzolan thấp, đóng vai trò quan trọng đối với tro bay dùng trong ngành xây dựng.