Công nghệ đốt oxyfuel và tuần hoàn khí thải: Hướng đi mới giảm phát thải cho ngành Xi măng

Ngành Xi măng hiện là một trong những nguồn phát thải CO₂ lớn nhất thế giới, chiếm khoảng 7 - 8% tổng lượng phát thải toàn cầu. Nếu chỉ dừng lại ở các giải pháp cải thiện hiệu quả năng lượng hoặc thay thế một phần clinker bằng phụ gia khoáng, ngành khó có thể đạt mục tiêu giảm phát thải theo cam kết khí hậu quốc tế. Do đó, các công nghệ thu giữ carbon đang nổi lên như lối đi tất yếu. Trong số đó, 2 giải pháp thu giữ carbon bằng dung môi amin và công nghệ đốt oxyfuel kết hợp tuần hoàn khí thải được đánh giá là có tính ứng dụng cao và mở ra triển vọng khả thi cho việc chuyển đổi xanh của ngành Xi măng.

Các lộ trình công nghệ giảm phát thải CO₂

Các giải pháp khử carbon cho ngành Xi măng.

Hiện nay có nhiều công nghệ thu giữ carbon ứng dụng trong sản xuất xi măng, được chia thành hai hướng tiếp cận. Hướng thứ nhất là các giải pháp “đuôi lò” (tail-end), nghĩa là có thể lắp đặt thêm mà không cần thay đổi quy trình sản xuất clinker. Hướng thứ hai là các công nghệ tích hợp, đòi hỏi sự điều chỉnh lớn trong dây chuyền.

Hiện nay có nhiều công nghệ thu giữ carbon ứng dụng trong sản xuất xi măng, được chia thành hai hướng tiếp cận. Hướng thứ nhất là các giải pháp “đuôi lò” (tail-end), nghĩa là có thể lắp đặt thêm mà không cần thay đổi quy trình sản xuất clinker. Hướng thứ hai là các công nghệ tích hợp, đòi hỏi sự điều chỉnh lớn trong dây chuyền.

Trong số đó, công nghệ đốt oxyfuel được xem là nổi bật nhờ khả năng gia tăng nồng độ CO₂ trong khí thải ngay từ khâu đốt nhiên liệu, giúp việc thu giữ trở nên hiệu quả hơn. Tuy nhiên, để đánh giá toàn diện, cần đặt oxyfuel cạnh một công nghệ đã được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực dầu khí và đang thí điểm cho xi măng: hấp thụ CO₂ bằng dung môi amin.

Thu giữ carbon đuôi lò bằng dung môi amin

Dung môi amin vốn là công nghệ quen thuộc trong lĩnh vực dầu khí, dùng để tinh chế khí trong gần một thế kỷ qua. Ưu điểm lớn của công nghệ này là khả năng thu giữ CO₂ ngay cả khi nồng độ trong khí thải thấp, khiến nó dễ dàng tích hợp vào các nhà máy xi măng hiện hữu mà không cần thay đổi lớn.

Tuy nhiên, việc áp dụng vào sản xuất xi măng gặp phải một số thách thức đặc thù. Khí thải từ lò nung clinker thường chứa nhiều bụi, SOₓ và NOₓ là những thành phần dễ làm suy giảm hiệu quả hấp thụ của amin. Do vậy, để đảm bảo hiệu quả vận hành, hệ thống phải bổ sung các khâu xử lý khí như hệ thống lọc ướt hoặc lọc bụi. Ngoài ra, bản thân amin có xu hướng phân hủy nhẹ theo thời gian, đòi hỏi cung cấp định kỳ dung môi mới để duy trì hiệu suất.

Thách thức lớn hơn nằm ở nhu cầu năng lượng nhiệt cần thiết để tái sinh dung môi sau khi hấp thụ CO₂. Một phần nhiệt có thể tận dụng từ dòng nhiệt thừa trong nhà máy, nhưng phần lớn vẫn phải lấy từ hệ thống hơi phụ trợ. Điều này đặc biệt nan giải ở châu Âu, nơi nguồn nhiệt thừa hạn chế do công nghệ lò tích hợp và nguồn nhiên liệu carbon thấp khan hiếm. Để hệ thống thu giữ không làm tăng dấu chân carbon, nguồn năng lượng vận hành nồi hơi phải là sinh khối hoặc nhiên liệu tái tạo.

Dẫu vậy, nhờ tính linh hoạt và khả năng thích ứng với cấu hình nhà máy khác nhau, công nghệ amin vẫn là lựa chọn đáng cân nhắc cho những đơn vị muốn giảm nhanh lượng phát thải mà không cần đầu tư cải tạo dây chuyền quá lớn.

Chiến lược công nghệ đốt oxyfuel kết hợp tuần hoàn khí thải

Nguyên lý chính

Khác với đốt thông thường sử dụng không khí, công nghệ đốt oxyfuel đốt nhiên liệu trong môi trường oxy tinh khiết và một phần khí thải tái tuần hoàn (chủ yếu CO₂ và H₂O). Sự thay thế này giúp nồng độ CO₂ trong khí thải tăng cao và nhiệt độ cháy được kiểm soát tốt hơn. Điều đó đồng nghĩa với việc CO₂ tách ra dễ dàng hơn, không cần đến các bước xử lý sau tốn nhiều năng lượng như hệ thống hấp phụ biến áp suất (PSA) hay màng lọc chọn lọc CO₂.

Sơ đồ nguyên lý vận hành oxyfuel và vòng tuần hoàn khí thải.

Thử nghiệm tại Trung tâm nghiên cứu Fives FCB (năm 2016, phối hợp với ECRA) đã chứng minh rằng việc đốt oxyfuel không làm thay đổi đáng kể cấu trúc và chất lượng clinker, nhờ vậy không ảnh hưởng đến sản phẩm cuối cùng. Dẫu vậy, khi đưa vào vận hành thực tế, hệ thống vẫn cần tối ưu đồng bộ để thích ứng với đặc tính khí cháy mới.

Sau khi được làm nguội và xử lý tạp chất, khí thải sẽ đi qua hệ thống tinh chế CO₂ (CPU) để đạt chuẩn vận chuyển và lưu trữ. Nếu nồng độ CO₂ chưa đủ cao (dưới 65%), hệ thống phải bổ sung thêm bước tiền tập trung bằng PSA hoặc màng lọc trước khi đưa sang tinh chế CO₂ bằng công nghệ lạnh sâu (cryogenic).

Mô phỏng bố trí nhà máy với công nghệ đốt oxyfuel và thu giữ carbon.

Lợi ích chính

Một ưu điểm quan trọng của công nghệ đốt oxyfuel là tính linh hoạt. Nhà máy có thể chuyển đổi giữa chế độ đốt oxyfuel và chế độ đốt bằng không khí thông thường. Điều này đặc biệt cần thiết đối với nhà máy cải tạo hoặc nhà máy mới khi gặp sự cố dừng hoạt động ở hệ thống tách khí oxy (ASU) hay hệ thống thu giữ CO₂.

Hệ thống tuần hoàn khí thải (FGR) đóng vai trò giữ ổn định lưu lượng và tốc độ khí, đảm bảo quá trình vận hành không khác biệt nhiều so với chế độ đốt bằng không khí. Nhờ việc tái tuần hoàn hơi nước, nồng độ CO₂ trong buồng đốt được điều chỉnh hợp lý, tránh ảnh hưởng đến quá trình cháy và phân hủy đá vôi. Đồng thời, hơi nước này dễ dàng loại bỏ bằng phương pháp ngưng tụ đơn giản.

Ngoài ra, FGR giúp kiểm soát nhiệt độ ngọn lửa ở mức an toàn, hạn chế tác động xấu đến tuổi thọ vật liệu chịu lửa trong lò. Các mô phỏng động lực học chất lưu (CFD) của Fives cũng cho thấy FGR còn cải thiện truyền nhiệt nhờ khả năng bức xạ tốt hơn của CO₂ và H₂O, từ đó giảm đáng kể tiêu hao nhiên liệu. Quan trọng hơn, việc điều chỉnh gió trục và gió xoáy ở đầu đốt cho phép nhà máy dễ dàng chuyển đổi trở lại chế độ đốt bằng không khí khi cần thiết.

Nghiên cứu tình huống - Đánh giá kinh tế

Để đánh giá khía cạnh kinh tế, Fives FCB đã hợp tác cùng một chuyên gia công nghệ thu giữ carbon thực hiện nghiên cứu so sánh trên cơ sở một nhà máy xi măng tại châu Âu với tỷ lệ thu hồi CO₂ trên 95%.

Kịch bản thứ nhất là oxyfuel một phần, kết hợp tiền tập trung và tinh chế, cho phép đạt nồng độ CO₂ khoảng 50%. Trường hợp này chỉ cần cải tạo vừa phải như tuần hoàn khí thải về ghi làm mát clinker, giảm khí lọt vào hệ thống, điều chỉnh đầu đốt, thay đổi tham số vận hành và bổ sung một số hạng mục như hệ thống lọc ướt và hệ thống tách khí oxy.

Hai biểu đồ trên trình bày chi tiết sự so sánh về cả mức tiêu thụ năng lượng và ước tính chi phí đầu tư (CAPEX).
Lưu ý: Các yếu tố đặc thù theo từng quốc gia - chẳng hạn như giá năng lượng và cơ chế định giá carbon - cần được tính đến để có mô hình tài chính chính xác. Việc vận chuyển và lưu trữ CO₂ không được xem xét trong nghiên cứu này.

Kịch bản thứ hai là oxyfuel toàn phần, sử dụng tinh chế CO₂ bằng công nghệ lạnh sâu (cryogenic), đạt nồng độ CO₂ trên 90%. Đây là giải pháp phù hợp với nhà máy mới hoặc cải tạo lớn, đòi hỏi nhiều thay đổi sâu như tuần hoàn khí từ lò về ghi làm mát clinker, bổ sung khí CO₂ khô để giảm khí lọt, tuần hoàn cả khí từ ghi làm mát clinker và mạch sấy nguyên liệu, điều chỉnh toàn bộ hệ thống đốt, đồng thời lắp đặt nhiều hạng mục bổ sung gồm hệ thống lọc ướt, lọc túi, quạt, bộ trao đổi nhiệt và hệ thống tách khí oxy.

Kết quả nghiên cứu cho thấy mức độ đầu tư, phức tạp trong cải tạo và thiết bị sẽ tăng dần từ kịch bản oxyfuel một phần đến oxyfuel toàn phần, nhưng đổi lại hiệu suất thu giữ CO₂ cũng tăng lên tương ứng.

Kết luận

Khử carbon trong ngành Xi măng không còn là lựa chọn, mà là con đường bắt buộc để đạt mục tiêu khí hậu toàn cầu. Những phân tích trên cho thấy công nghệ đốt oxyfuel kết hợp hệ thống tinh chế CO₂ đang dần chứng minh tính khả thi cả về kỹ thuật lẫn kinh tế.

Sự hợp tác giữa Fives FCB và các chuyên gia thu giữ carbon cũng chỉ ra rằng việc kết hợp chuyên môn có thể mang đến giải pháp tùy chỉnh, hiệu quả chi phí và mở rộng quy mô dễ dàng. Trong bối cảnh các nhà máy xi măng có thiết kế và vận hành đa dạng, cách tiếp cận theo từng bước, dựa trên công nghệ module và tích hợp dần, sẽ là chìa khóa để đạt mục tiêu giảm phát thải sâu và bền vững trong tương lai.

dịch từ Worldcement