CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN 1. Tro bay và ứng dụng của nó 1. Khái niệm Trong các nhà máy nhiệt điện, sau quá trình đốt cháy nhiên liệu than đá, phần phế thải rắn tồn tại dưới hai dạng: phần xỉ thu được từ đáy lò và phần gồm các hạt rất mịn bay theo các khí ống khói thu hồi bằng các hệ thống thu gom của các nhà máy nhiệt điện. Việc này đã tạo ra một trữ lượng lớn các sản phẩm của quá trình đốt cháy được gọi là tro.
Tùy theo các phương pháp đốt cháy nhiên liệu, chất đốt và các kĩ thuật làm sạch khí cháy mà các loại tro thu được sau khi đốt cháy cũng khác nhau. Thông thường ở các nhà máy nhiệt điện nước ta cũng chỉ thu được hai loại tro đó là tro than bay và tro xỉ. Tro than bay: là các hạt vật liệu được tách ra từ khí ống khói của nhà máy nhiệt điện bằng các phương pháp khác nhau như: kết tủa, lọc, xoáy cuộn; Tro xỉ: là các dạng vật liệu thô được lấy ra từ đáy của các lò đốt hay gọi là xỉ than. Trước đây ở châu Âu cũng như ở Vương quốc Anh, phần tro này thường được cho là tro của nhiên liệu đốt đã được nghiền mịn[14].
Nhưng ở Mỹ, loại tro này được gọi là tro bay bởi vì nó thoát ra cùng với khí ống khói và “bay” vào trong không khí. Và thuật ngữ tro bay (fly ash) được dùng phổ biến trên thế giới hiện nay để chỉ phần thải rắn thoát ra cùng các khí ống khói ở nhà máy nhiệt điện. Ở nước ta, các nhà máy nhiệt điện ước tính hằng năm thải ra khoảng 1,3 triệu tấn tro bay. Riêng nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2 (Hải Dương) trung bình mỗi ngày thải ra khoảng 3.000 tấn tro xỉ, trong đó 30% là than chưa cháy hết, còn lại là tro bay rất mịn.
Theo dự báo, đến năm 2020 sẽ có thêm 28 nhà máy nhiệt điện đốt than đi vào hoạt động, lúc đó lượng tro xỉ thải ra hàng nằm sẽ vào khoảng 12 triệu tấn, đó là chưa kể lượng tro bay khá lớn thải ra từ hàng loạt các lò cao ở các khu công nghiệp gang thép sử dụng nhiên liệu đốt là than. Với khối lượng lớn như vậy việc có thể tái sử dụng tro bay đã trở thành một vấn đề vô cùng cấp bách. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Phân loại Ở một số nước, tùy vào mục đích sử dụng mà người ta phân loại tro bay theo các loại khác nhau.
Tro bay được phân làm hai loại là tro bay có hàm lượng canxi thấp và tro bay có hàm lượng canxi cao[30]. Theo cách phân biệt này thì tro bay có hàm lượng canxi cao có màu hơi vàng trong khi đó tro bay có hàm lượng canxi thấp có màu hơi xám. Theo cách phân loại của Canada [37], tro bay được chia làm ba loại: - Loại F: Hàm lượng CaO ít hơn 8% - Loại CI: Hàm lượng CaO lớn hơn 8% nhưng ít hơn 20% - Loại C: Hàm lượng CaO lớn hơn 20% Trên thế giới hiện nay, thường phân loại tro bay theo tiêu chuẩn ASTM C618. Theo cách phân loại này thì phụ thuộc vào thành phần các hợp chất mà tro bay được phân làm hai loại là loại C và loại F [6].
loại F là sản phẩm khi đốt than đá Antraxit, loại này có hàm lượng vôi thấp ( 7%), chứa nhiều SiO2, Al2O3, Fe2O3. Loại C thu được khi đốt than nâu, có hàm lượng vôi cao hơn (15 30%). 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Các đặc tính loại tro bay C và F Đơn Lớn nhất/ Nhóm Các yêu cầu theo tiêu chuẩn ASTM C618 vị nhỏ nhất F C Yêu cầu hóa học SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 % Nhỏ nhất 70 50 SO3 % Lớn nhất 5 5 Hàm lượng ẩm % Lớn nhất 3 3 Hàm lượng mất khi nung % Lớn nhất 5 5 Yêu cầu hóa học không bắt buộc Chất kiềm % Lớn nhất 1,5 1,5 Yêu cầu vật lý Độ mịn (+325) % Lớn nhất 34 34 Hoạt tính pozzolanic so với xi măng (7 ngày) % Nhỏ nhất 75 75 Hoạt tính pozzolanic so với xi măng (28 ngày) % Nhỏ nhất 75 75 Lượng nước yêu cầu % Lớn nhất 105 105 Độ nở trong nồi hấp % Lớn nhất 0,8 0,8 Yêu cầu độ đồng đều về tỷ trọng % Lớn nhất 5 5 Yêu cầu độ đồng đều về độ mịn % Lớn nhất 5 5 Phân loại theo tiêu chuẩn ASTM: Tro bay là loại F nếu tổng hàm lượng (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) lớn hơn 70%.
Tro bay là loại C nếu tổng hàm lượng (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) nhỏ hơn 70%. Thành phần và đặc tính của tro bay Tro bay có thể xem là một vậy liệu hỗn tạp, không đồng nhất. Thành phần tro bay phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như: nguyên liệu ban đầu, công nghệ đốt, công nghệ tách và thiết bị tách tro bay… 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Thành phần hóa học của tro bay chủ yếu là hỗn hợp các oxit vô cơ như SiO2, Al2O3, Fe2O3 ,TiO3, MgO, CaO, K2O. Trong đó SiO2 chiếm khoảng 40-65 %, Al2O3 chiếm khoảng 20-40% và còn có thể chứa một lượng than chưa cháy.
Ngoài ra tro bay còn chứa một số oxit kim loại khác như Fe2O3 ,TiO3, MgO, CaO, K2O,… Bảng 1. Thành phần hóa học của tro bay trên thế giới [7] Thành Khoảng (% khối lượng) phần Châu Âu Mỹ Trung Quốc Ấn Độ Australia SiO2 28,5-59,7 37,8-58,5 35,6-57,2 50,2-59,7 48,8-66,0 Al2O3 12,5-35,6 19,1-28,6 18,8-55,0 14,0-32,4 17,0-27,8 Fe2O3 2,6-21,2 6,8-25,5 2,3-19,3 2,7-14,4 1,1-13,9 CaO 0,5-28,9 1,4-22,4 1,1-7,0 0,6-2,6 2,9-5,3 MgO 0,6-3,8 0,7-4,8 0,7-4,8 0,1-2,1 0,3-2,0 Na2O 0,1-1,9 0,3-1,8 0,6-1,3 0,5-1,2 0,2-1,3 K2 O 0,4-4,0 0,9-2,6 0,8-0,9 0,8-4,7 1,1-2,9 P2O5 0,1-1,7 0,1-0,3 1,1-1,5 0,1-0,6 0,2-3,9 TiO2 0,5-2,6 1,1-1,6 0,2-0,7 1,0-2,7 1,3-3,7 MnO 0,03-0,2 - - 0,5-1,4 - SO3 0,1–12,7 0,1–2,1 1,0–2,9 - 0,1–0,6 MKN 0,8-32,8 0,2–11,0 - 0,5-5,0 - Tùy thuộc vào loại nhiên liệu mà thành phần hóa học trong tro bay thu được khác nhau. Các nhà khoa học Ba Lan tiến hành nghiên cứu thành phần hóa học của tro bay với hai nguồn nguyên liệu sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện của nước này là than nâu và than đen [25]: 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Thành phần hóa học của tro bay ở Ba Lan Thành phần (%) Loại tro bay SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 MgO CaO Than ZS-14 54,1 28,5 5,5 1,1 1,9 1,8 đen ZS-17 41,3 24,1 7,1 1,0 2,0 2,7 Than ZS-13 27,4 6,6 3,8 1,0 8,2 34,5 nâu ZS-16 47,3 31,4 7,7 1,6 1,9 1,7 Kết quả trên cho thấy, thành phần của các loại tro bay có được sau quá trình đốt cháy than đen (ZS-14 và ZS-17) và mẫu tro bay có được sau quá trình đốt cháy than nâu (ZS-16) là các nhôm silicat.
Còn mẫu tro bay có được sau quá trình đốt cháy than nâu (ZS-13) là loại canxi silicat Hầu hết các hạt tro bay đều có dạng hình cầu với các kích thước hạt khác nhau, các hạt có kích thước lớn thường ở dạng bọc và có hình dạng rất khác nhau [9]. Các hạt tro bay được chia ra làm hai dạng: dạng đặc và dạng rỗng. Thông thường, các hạt tro bay hình cầu, rắn được gọi là các hạt đặc và các hạt tro bay hình cầu mà bên trong rỗng có tỷ trọng thấp hơn 1,0 g/ cm3 được gọi là các hạt rỗng. Tương phản hạt tro bay hình Hình 1.
Dạng hạt hình cầu thường cầu lớn và nhỏ thấy trong tro bay 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Các hạt tro bay đặc có khối lượng riêng trong khoảng 2,0 - 2,5 g/cm3 có thể cải thiện các tính chất khác nhau của vật liệu nền như độ cứng và độ bền xé. Các hạt tro bay rỗng có thể được sử dụng trong tổng hợp vật liệu compozit siêu nhẹ do khối lượng riêng rất nhỏ của chúng, chỉ khoảng 0,4-0,7 g/ cm3, trong khi các chất nền kim loại khác có khối lượng riêng trong khoảng từ 1,6-11,0 g/ cm3. Cả hai loại hạt này thường thấy có lớp vỏ không hoàn chỉnh (bị rỗ). Tính chất vật lý của tro bay được đánh giá dựa vào một số thông số sau: Sự phân bố kích thước các hạt; Độ ẩm; Tỷ trọng hạt; Diện tích bề mặt riêng.
Tro bay thường có kích thước rất hỗn tạp, trong khoảng từ hạt bùn đến kích thước hạt cát, giá trị của hệ số đồng nhất trong khoảng 2 đến 32. Diện tích bề mặt riêng của tro bay là rất quan trọng đối với các tính chất khác của tro than bay. Tro bay có diện tích bề mặt riêng càng lớn thì lực kết dính giữa các hạt tro càng lớn. Hơn nữa, diện tích bề mặt riêng càng lớn thì tốc độ phản ứng hóa học giữa các thành phần trong tro tăng lên nhanh chóng.
Tính thấm của tro bay là một trong số các tính chất quan trọng góp phần đánh giá việc xử lý và ảnh hưởng của nó tới môi trường, thông số này rất quan trọng khi tro bay được sử dụng làm vật liệu san lấp, làm nền. Nguồn chính phát thải tro bay và khả năng sử dụng tro bay Nhu cầu tiêu thụ điện năng trên thế giới không ngừng tăng lên theo tốc độ phát triển của nền kinh tế xã hội. Các nguồn cung cấp điện năng mới hiện nay đang phát triển nhanh chóng phải kể đến như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều,… Tuy có nhiều ưu điểm và được khuyến khích sử dụng nhưng các nguồn cung cấp điện năng này hiện nay mới chỉ đáp ứng được một lượng rất nhỏ nhu cầu điện năng toàn cầu và chỉ tập trung ở một vài nước phát triển. Nguồn cung cấp điện năng chủ yếu vẫn dựa trên các nguồn truyền thống và không ngừng phát triển hàng năm.
Trong đó các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch chiếm một tỷ trọng lớn Trên thế giới. Mỹ là một trong các quốc gia tiêu thụ điện năng hàng đầu thế giới và cũng là nước có sản lượng các sản phẩm từ quá trình đốt cháy than đá trong các nhà 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com máy nhiệt điện lớn của thế giới [33]. Năm 2007, Mỹ đã tạo ra hơn 125 triệu tấn các sản phẩm từ than đá bao gồm tro bay, tro đáy lò, xỉ lò, … Phần trăm sử dụng tro bay ở Mỹ đã giảm trong những năm 2007 - 2010, nhưng sau đó tỷ lệ sử dụng tro bay lại tăng. Trung Quốc là nước đứng đầu về sản xuất điện năng từ than đá, do vậy lượng tro bay tạo ra từ việc đốt than đá cũng rất lớn.
Năm 2009, công suất phát điện và điện năng của các nhà máy nhiệt điện đều tăng khoảng 7-8%.