NGHIÊN CỨU GÓP PHẦN HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ
SẢN XUẤT PHỤ GIA TRO TRẤU Ở VIỆT NAM
TS. ĐÀO VĂN ĐÔNG
Viện Khoa học & Công nghệ XDGT
Trường Đại học Giao thông Vận tải
Tóm tắt: Bài báo trình bày tóm tắt công nghệ để sản xuất phụ gia tro trấu với quy mô thử
nghiệm trong điều kiện Việt Nam. Vỏ trấu được đốt có khống chế trong lò thử nghiệm, đảm
bảo nhiệt độ đốt từ 500 đến 700 C. Quá trình đốt đảm bảo không khí được tuần hoàn để tạo
điều kiện cho phản ứng cháy xảy ra triệt để. Tro trấu sau khi đốt được nghiền ở 3 chế độ,
gồm: a) nghiền nước bằng máy nghiền má; b) nghiền khô bằng máy nghiền bi 3000 vòng; và
c) nghiền khô bằng máy nghiền bi 6000 vòng. Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu lý - hoá của sản
phẩm thu được cho thấy loại tro trấu sản xuất thử nghiệm hoàn toàn đáp ứng được các yêu
cầu kỹ thuật đối với phụ gia pozzolan hoạt tính dùng cho bê tông xi măng. Kết quả nghiên cứu
cho phép đề xuất công nghệ đốt phù hợp cho các nhà máy nhiệt điện chạy trấu ở Việt Nam để
từ đó vừa tận dụng được nhiệt lượng phục vụ cho các ngành công nghiệp khác, vừa tận thu
được tro trấu đảm bảo chất lượng nhằm thay thế cho các phụ gia khoáng hoạt tính nhập ngoại
đắt tiền. Đồng thời, đây cũng là cơ sở để giảm thiểu ô nhiễm môi trường do vỏ trấu gây ra.
o
Summary: This paper presents briefly a technical process to manufacture rice husk ash
in a pilot scale in condition of Vietnam. Rice husk was burned in controlled condition in an
experimental combustion furnace at a temperature range from 500 to 700 C. The burning
process also maintains air circulating to support fully burning reactions. Rice husk ash after
burning was ground in three regimes, namely: a) water grinding; b) ball milling of 3000
revolutions; and c) ball milling of 6000 revolutions. Experimental results of physical-chemical
properties shown that the rice husk ash product satisfied requirements of a reactive pozzolanic
admixture for cementituos concretes. The results also alow suggesting a suitable burning
technology to rice husk power plants in Vietnam to utilise both released energy and high
performance rice husk ash to replace for costly imported pozzolanic admixtures. In addition,
this is a fundamental approach to reduce environmental pollution due to rice husk waste.
o
Từ khoá: RHA; phụ gia khoáng hoạt tính; nhiệt điện chạy trấu.
CT 2
I. GIỚI THIỆU
Lúa được trồng ở hầu hết các châu lục và chiếm trên 1% diện tích bề mặt trái đất để tạo ra
nguồn lượng thực nuôi sống hàng tỷ người, chỉ đứng sau lúa mì cả về diện tích và sản lượng [1].
Ngành nông nghiệp trồng lúa thế giới trong những năm gần đây đã đạt được những tiến bộ vượt
bậc trong việc áp dụng công nghệ sinh học nhằm nâng cao năng suất góp phần tạo ra tổng sản
lượng lúa toàn cầu ước tính 640 triệu tấn năm 2007 [2]. Ở Việt Nam, thành tựu này còn nổi bật
hơn với tổng sản lượng lúa hàng năm đạt 36 triệu tấn và dự kiến đến năm 2020 con số này sẽ
tăng lên 40 triệu tấn năm [3].
Khi chế biến, cứ mỗi tấn lúa tạo ra khoảng 200 kg vỏ trấu và lượng vỏ trấu này sau khi đốt
tạo ra khoảng 40 kg tro [4]. Như vậy, trung bình hàng năm thế giới tạo ra khảng 130 triệu tấn vỏ
trấu. Hiện tại, hầu hết lượng vỏ trấu tạo ra chưa được tận dụng mà bị vứt bỏ như là một dạng
chất thải nông nghiệp. Chất thải này tập trung phổ biến ở các quốc gia nông nghiệp. Riêng Việt
Nam, khối lượng chất thải vỏ trấu trung bình là 8 triệu tấn năm. Do chưa có giải pháp xử lý hiệu
quả nên vỏ trấu sau khi bị thải thẳng ra môi trường đã gây hậu quả nghiệm trọng về ô nhiễm
môi trường, nhất là nguồn nước và các nguồn lợi gắn liền với nguồn nước [5, 6].
Trấu đã được tận dụng làm nhiên liệu đốt tro các nhà máy phát điện, phát nhiệt nhỏ, hay
đốt để sấy khô thóc như ở Ấn Độ, Thái Lan, Inđônêsia và Việt Nam [7]. Đồng thời, việc tận
dụng tro đốt từ vỏ trấu đã được xem xét từ đầu những năm 1970 [8]. Kể từ đó, nhiều nghiên cứu
về quy trình sản xuất, bao gồm công nghệ đốt và nghiền, đã được tiến hành nhằm tạo ra các loại
tro trấu có chất lượng cao. Tro trấu (Rice Husk Ash - RHA) đã được sử dụng có hiệu quả trong
các ngành công nghiệp như: công nghiệp thép để sản xuất các loại thép tấm chất lượng cao và
để sản xuất các vật liệu cách nhiệt [7]. Một số loại RHA chất lượng cao đã được sản xuất thành
công ở Ấn Độ, Thái Lan để làm phụ gia hoạt tính nhằm nâng cao chất lượng cho bê tông xi
măng [9, 10, 11, 12]. RHA cũng đã được sản xuất thử nghiệm ở Việt Nam trong những năm gần
đây [13]. Tuy nhiên, mới chỉ có một nhà sản xuất có thể cung cấp RHA ở mức độ sản phẩm
thương mại. Hơn nữa, chất lượng của RHA này vẫn còn cần được xem xét.
CT 2
Việt Nam đang triển khai xây dựng nhà máy Đường Hải ở Cần Thơ sử dụng việc đốt vỏ
trấu để đồng thời phát nhiệt và điện với quy mô tương ứng 20 tấn hơi/giờ và 70 MW điện. Một
số dự án nhà máy nhiệt điện, hơi khác sử dụng trấu đang được dự kiến xây dựng ở các tỉnh Cần
Thơ, An Giang và Kiên Giang.
Tuy nhiên, những nhà máy chạy trấu cả trên thế giới và ở Việt Nam, mới chỉ quan tâm đến
hiệu quả tận thu nguồn nhiệt khi đốt trấu. Việc điều chỉnh chế độ đốt để vừa tận dụng được
nhiệt lượng khi đốt trấu vừa thu được RHA có hoạt tính pozzolan cao vẫn chưa được quan tâm.
Bài báo trình bày tóm tắt cơ sở khoa học của công nghệ sản xuất RHA và cơ chế các loại lò
đốt trấu. Từ đó xây dựng lò đốt trấu quy mô thử nghiệm để sản xuất RHA đảm bảo chất lượng
của phụ gia khoáng hoạt tính dùng cho bê tông xi măng. Đồng thời kiến nghị công nghệ đốt phù hợp
cho các nhà máy nhiệt điện chạy trấu ở Việt Nam để thu được phụ gia RHA pozzolan hoạt tính.
II. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT TRO TRẤU
Vỏ trấu có kích thước trung bình khoảng 8 - 10 mm dài, 2 - 3 mm rộng và 0.2 mm dày.
Khối lượng thể tích của vỏ trấu khi nén trong bao đựng khoảng 122 kg/m3 [14]. Thành phần hoá
học của vỏ trấu thay đổi theo loại thóc, mùa vụ canh tác, điều kiện khí hậu và đặc trưng vùng
miền. Tuy nhiên, hầu hết các loại vỏ trấu có thành phần hữu cơ chiếm trên 90% theo khối
lượng. Các hợp chất chính có cấu trúc xốp dạng cellulo và lignin [15]. Những hợp chất này khi
cháy sẽ chuyển hoá thành tro chứa chủ yếu SiO2 và các khí CO2, CO thoát ra môi trường.
Bảng 1. Thành phần hữu cơ của vỏ trấu [15]
Thành phần chủ yếu Tỷ lệ theo khối lượng (%)
∝-cellulose
Lignin
D-xylose
I-arabinose
Methylglucuronic axít
D-galactose
43.30
22.00
17.52
6.53
3.27
2.37
Tổng cộng 94.99
Tổng sản lượng thóc là khá ổn định trên toàn cầu nhằm duy trì lương thực cho nhân loại.
Do vậy, vỏ trấu có thể được xem là một nguồn sinh khối quan trọng, khá ổn định và có tính tái
tạo trên thế giới. Khi đốt vỏ trấu tạo ra nhiệt lượng khoảng 15 MJ/kg [7]. Như vậy, với tổng
khối lượng vỏ trấu toàn cầu là 130 triệu tấn thì hàng năm nguồn sinh khối này có thể tạo ra xấp
xỉ 2×109 GJ năng lượng (tương đương 556×106 MWh). Đối với Việt Nam, con số này tương
ứng sẽ là 0.12×109 GJ năng lượng (tương đương 33×106 MWh).
Nếu sử dụng vỏ trấu làm nguyên liệu cho các nhà máy điện (nông - điện) thì cứ với công
suất của nhà máy là 1 MW yêu cầu 10000 tấn trấu năm. Như vậy, với khối lượng trấu hàng năm
của Việt Nam xấp xỉ 8 triệu tấn năm cho phép tận dụng làm nguyên liệu cho các nhà máy điện
với công suất gần 800 MW, tương đương với công suất của 8 nhà máy nhiệt điện Ninh Bình
hiện tại.
CT 2
Các quá trình đốt trấu thành tro được thực hiện bằng nhiều công nghệ khác nhau và tạo ra
sản phẩm RHA có chất lượng khác nhau. Tuy nhiên, điển hình nhất hiện nay là một trong số
những phương pháp sau [7]:
• Đốt tự do: vỏ trấu được đổ thành đống và đốt tự do ngoài không khí. Phương pháp
này không điều chỉnh được nhiệt độ và sự đối lưu của không khí nên không quản lý được chất
lượng của tro.
• Đốt không tận thu năng lượng: vỏ trấu được đốt trong các loại lò có khống chế nhiệt
độ nhưng không thiết kế các bộ phận để tận thu nhiệt năng. Phương pháp này thu được sản
phẩm RHA có chất lượng đảm bảo nhưng nhiệt năng bị phát tán ra môi trường.
• Đốt sử dụng cho lò hơi: nhiệt thu được từ quá trình đốt trấu được tận dụng để đun
nóng nước trong các lò hơi. Các loại lò này hiện nay chưa quan tâm đến công nghệ đốt để đạt
được RHA đảm bảo chất lượng mà mới chỉ quan tâm đến việc tận dụng nhiệt lượng.
• Đốt trong lò đốt tầng sôi: đây là loại lò đốt có điều khiển nhiệt cho phép chuyển hoá
nhanh vỏ trấu thành nhiệt lượng và tro ở điều kiện nhiệt độ không đổi định trước. Trong quá
trình hoạt động, hỗn hợp không khí và nhiên liệu đốt được thổi áp lực vào buồng đốt của lò.
Dưới tác động của nhiệt độ và lưu tốc dòng khí, trấu được đốt cháy để chuyển hoá thành nhiệt
và tro. Sau đó, nhiệt năng và tro nhẹ sẽ được thu theo những thiết bị được thiết kế trước.
• Đốt trong lò đốt hoá hơi: trấu nhiên liệu được đốt ở chế độ nhiệt cao (trên 700oC) để
chuyển hóa thành các nhiên liệu khí thương mại như CO; H2 và metan. Tuy nhiên, do phải đốt ở
nhiệt độ cao nên RHA thu được không đạt được chất lượng pozzolan mong muốn
Hình 1. Cấu trúc xốp của vỏ trấu [15] Hình 2. Tro trấu (RHA) [16]
Từ những phân tích nêu trên cho thấy, lò đốt tầng sôi là kiểu lò phù hợp nhất cho việc đốt
trấu. Kiểu lò này một mặt vừa thu được năng lượng khi đốt trấu phục vụ cho các mục đích công
nghiệp, một mặt đảm bảo được chất lượng của RHA thu được.
CT 2
Khi trấu được đốt ở điều kiện khống chế nhiệt, SiO2 vô định hình với độ hoạt tính cao, kích
cỡ hạt mịn và tỷ diện tích bề mặt lớn có thể được tạo ra. Như vậy, các yếu tố ảnh hưởng đến
chất lượng của sản phẩm RHA sau khi đốt bao gồm: a) tốc độ tăng nhiệt độ trong quá trình đốt;
b) nhiệt độ cao nhất trong quá trình đốt; c) thời gian duy trì nhiệt độ cao nhất khi đốt; và d) mức
độ cung cấp oxy (không khí) cho phản ứng cháy khi đốt. Những yếu tố này ảnh hưởng đến chất
lượng của RHA thông qua những cơ chế sau:
• Tốc độ tăng nhiệt độ trong quá trình đốt: Yếu tố này quyết định đến quá trình oxy
hoá cácbon. Khi cháy với tốc độ nhanh, quá trình oxy hoá cácbon khó xảy ra do sự chảy bề mặt
diễn ra trước, dẫn đến hàm lượng các các hạt màu đen tăng lên. Khi đó lượng MKN sẽ cao.
Ngược lại, nếu trấu cháy với tốc độ chậm thì quá trình oxy hoá cácbon diễn ra trước khi sự chảy
bề mặt của SiO2, làm giảm đáng kể hàm lượng các hạt màu đen, đồng thời sẽ kích thích quá
trình oxy hoá cácbon xảy ra để giải phóng khí CO2.
• Nhiệt độ cao nhất trong quá trình đốt: Đây là yếu tố quan trọng nhất trong quá trình
đốt. Nếu nhiệt độ đốt thấp sẽ làm cho trấu không cháy triệt để và dẫn đến hàm lượng cácbon tồn
tại trong tro lớn, tương ứng với lượng MKN cao. Ngược lại, nếu nhiệt độ cháy quá cao sẽ hình
thành SiO2 dạng tinh thể, làm cho độ hoạt tính pozzolan của RHA thấp. Các nghiên cứu đã chỉ
ra nhiệt độ phù hợp để phản ứng cháy diễn ra triệt để và hình thành RHA có hàm lượng SiO2 vô
định hình cao nhất là vùng nhiệt từ 500 đến 700oC.
• Thời gian duy trì nhiệt độ cao nhất: Là yếu tố đảm bảo sự oxy hoá triệt để của các
phản ứng cháy của vỏ trấu. Nếu thời gian ngắn, một phần vỏ trấu chưa cháy hết sẽ để lại lượng
MKN lớn. Ngược lại, khi duy trì thời gian cháy dài sẽ làm cho hiệu suất của chu trình đốt thấp.
• Sự lưu thông của không khí: Đây là một yếu tố quan trọng để đảm bảo tỷ lệ oxy hoá
các thành phần vỏ trấu. Nếu lượng oxy không đủ cho các phản ứng oxy hoá khi cháy sẽ làm cho
hàm lượng cácbon trong tro lớn. Ngược lại, khi cung cấp đủ oxy trong quá trình cháy thì toàn bộ
các thành phần hoá học trong vỏ trấu có thể oxy hoá để tách phần cácbon và chuyển hoá thành
khí CO2 thoát ra khỏi lò đốt.
III. SẢN XUẤT TRO TRẤU Ở QUY MÔ THỬ NGHIỆM
Dựa trên kết quả phân tích cơ sở khoa học của quá trình đốt trấu và các phương pháp đốt
(loại lò đốt) để sản xuất RHA có chất lượng phù hợp làm phụ gia hoạt tính pozzolan như đã nêu
ở mục 2, một loại lò quy mô thử nghiệm đã được xây dựng (hình 3). Loại lò thử nghiệm dựa
trên nguyên lý của lò đốt tầng sôi ở những điểm sau:
• Khống chế nhiệt độ trong quá trình đốt đảm bảo vùng nhiệt độ trong khoảng 500 đến
700oC;
• Đảm bảo sự lưu thông không khí trong quá trình đốt với diện tích tiếp xúc giữa trấu và
không khí là lớn nhất. Yếu tố này đồng thời cũng đảm bảo được thời gian đốt phù hợp để oxy
hoá triệt để trấu;
CT 2
• Lò đốt phải dễ dàng xây dựng và sử dụng các vật liệu, thiết bị sẵn có trong nước.
Qua nhiều lần thử nghiệm, hiệu chỉnh dựa trên kết quả thực nghiệm hiện trường, một loại
lò quy mô thử nghiệm đã được tối ưu với các đặc điểm sau:
Vật liệu: sử dụng tôn đột lỗ loại inox dày 1.5 mm, chịu nhiệt, không rỉ. Đường kính lỗ
đột 2mm (đảm bảo vỏ trấu không bị lọt). Mật độ 4 lỗ/cm2.
Kích thước: cấu tạo và kích thước của lò đốt được thể hiện như hình 1. Với quy mô lò
như trên, mỗi mẻ đốt sử dụng khoảng 100 kg trấu và sản xuất được khoảng 20 kg RHA.
Đảm bảo mức độ cung cấp không khí cho phản ứng cháy: Để đảm bảo lưu thông
không khí trong quá trình đốt, trấu được đổ vào lò đốt và không nén. Đồng thời chiều dày của
mỗi lớp trấu theo phương ngang nên không lớn hơn 500 mm.
Quá trình đốt trấu: Tốc độ tăng nhiệt trung bình khoảng 5oC/phút. Sau khoảng 2 giờ,
nhiệt độ lò đốt đạt từ 550 đến 650oC. Nhiệt độ cực trị này duy trì trong khoảng 4 giờ, sau đó
nguội dần về nhiệt độ môi trường.
Điều chỉnh nhiệt trong quá trình đốt: Xung quanh lò đốt được quây bạt để điều chỉnh
tốc độ gió thổi vào lò và tốc độ toả nhiệt ra môi trường. Từ đó góp phần khống chế và điều
chỉnh tốc độ thay đổi nhiệt của trấu khi đốt. Quá trình này có thể kết hợp với việc đậy/mở nắp
đỉnh lò.