Giảm tỷ lệ clinker là một trong những hướng quan trọng để giảm phát thải của ngành xi măng. Tuy nhiên, phần clinker vẫn được sản xuất tiếp tục tạo ra phát thải từ quá trình nung và phân hủy đá vôi, thúc đẩy việc nghiên cứu những công nghệ mới tác động trực tiếp vào quá trình tạo chất kết dính.
Phát thải trong sản xuất clinker chủ yếu đến từ nhiên liệu cung cấp nhiệt cho quá trình nung và phản ứng hóa học khi đá vôi phân hủy. Vì vậy, bên cạnh giảm tỷ lệ clinker trong sản phẩm, một số hướng công nghệ đang tìm cách thay đổi nguyên liệu, nguồn năng lượng và chính quá trình phản ứng để giảm phát thải ngay từ khâu tạo chất kết dính.
Công nghệ sản xuất chất kết dính carbon thấp mở thêm hướng giảm tỷ lệ clinker và giảm phát thải trong ngành xi măng.
Giảm tỷ lệ clinker chưa phải là hướng duy nhất
Giảm tỷ lệ clinker trong xi măng giúp giảm nhu cầu sản xuất clinker, qua đó hạn chế lượng nhiên liệu tiêu thụ và phát thải gắn với quá trình nung. Tuy nhiên, đối với phần clinker vẫn được sản xuất, phát thải từ phản ứng phân hủy đá vôi vẫn tồn tại.
Điều này mở ra một hướng tiếp cận khác. Thay vì chỉ thay đổi thành phần của sản phẩm cuối cùng, các công nghệ mới tập trung vào chính quá trình tạo chất kết dính. Mục tiêu có thể là thay đổi phương thức cung cấp năng lượng, sử dụng nguồn nguyên liệu chứa canxi khác đá vôi hoặc tận dụng CO₂ trong quá trình tạo vật liệu.
Điểm khác biệt của hướng tiếp cận này nằm ở việc tác động trực tiếp vào các nguồn phát thải của quá trình sản xuất chất kết dính. Nếu giảm tỷ lệ clinker chủ yếu làm giảm lượng clinker cần sản xuất, thì các công nghệ mới hướng tới thay đổi cách tạo ra vật liệu có khả năng liên kết, từ đó mở thêm khả năng giảm phát thải ngay trong quá trình sản xuất.
Các công nghệ mới đang thay đổi cách sản xuất chất kết dính
Một số hướng công nghệ đang được phát triển theo những cách khác nhau. Có công nghệ thay đổi phương thức cung cấp năng lượng và thực hiện phản ứng hóa học, có công nghệ khoáng hóa CO₂ để tạo chất kết dính, trong khi một số hướng khác thay đổi nguồn nguyên liệu chứa canxi nhằm tránh phát thải từ quá trình phân hủy carbonate.
Sublime Systems là một ví dụ về hướng sản xuất chất kết dính bằng điện hóa. Công nghệ của doanh nghiệp này sử dụng điện để thực hiện các phản ứng hóa học, tách canxi và silicate từ nguyên liệu đầu vào để tạo thành các thành phần có khả năng tạo chất kết dính. Quy trình được vận hành ở điều kiện nhiệt độ thấp hơn đáng kể so với sản xuất clinker truyền thống, qua đó giảm sự phụ thuộc vào lò nung sử dụng nhiên liệu hóa thạch.
Sublime đã vận hành cơ sở thí điểm với công suất hơn 250 tấn/năm và đang phát triển cơ sở tại Holyoke, Massachusetts với công suất dự kiến lên tới 30.000 tấn/năm. Công nghệ này hướng tới sản xuất chất kết dính có thể sử dụng thay thế xi măng portland thông thường.
Một hướng khác là khoáng hóa CO₂ trong quá trình tạo chất kết dính. Công nghệ ReCarb của Fortera thu giữ CO₂ từ khí thải, sau đó sử dụng CO₂ cùng nguồn canxi để tạo ra vật liệu chứa carbonate có tính phản ứng, được sử dụng để sản xuất chất kết dính ReAct.
Cách tiếp cận này cho phép đưa CO₂ trở lại quá trình tạo vật liệu thay vì chỉ xem đây là dòng khí thải cần thu giữ và xử lý. Nhà máy ReCarb tại Redding, California hiện có công suất khoảng 15.000 tấn ReAct/năm và thu giữ khoảng 6.000 tấn CO₂. Fortera cũng đang phát triển một cơ sở thương mại có công suất trên 300.000 tấn ReAct/năm.
Trong khi đó, Brimstone lựa chọn thay đổi nguồn nguyên liệu cung cấp canxi. Công nghệ của doanh nghiệp này sử dụng đá silicate chứa canxi thay cho đá vôi carbonate. Việc không sử dụng đá vôi làm nguyên liệu chứa canxi nhằm tránh lượng CO₂ được giải phóng trực tiếp khi carbonate bị phân hủy.
Quy trình của Brimstone hướng tới sản xuất xi măng portland thông thường cùng một số sản phẩm phụ có thể sử dụng làm vật liệu bổ sung cho xi măng và alumina cấp luyện kim. Dự án thương mại đầu tiên được đề xuất với công suất tới 140.000 tấn xi măng portland/năm, cùng các sản phẩm phụ.
Ba hướng trên cho thấy công nghệ giảm phát thải có thể tác động vào những khâu khác nhau của quá trình tạo chất kết dính. Điện hóa tập trung vào cách cung cấp năng lượng và thực hiện phản ứng, khoáng hóa CO₂ đưa carbon dioxide vào quá trình tạo vật liệu, còn sử dụng đá silicate thay đá vôi nhằm loại bỏ nguồn phát thải trực tiếp từ phân hủy carbonate.
Thách thức khi đưa công nghệ mới lên quy mô thương mại
Khả năng giảm phát thải về mặt kỹ thuật chưa đồng nghĩa với khả năng cạnh tranh trên thị trường. Với các công nghệ mới, thách thức lớn là chứng minh hiệu quả khi chuyển từ quy mô thí điểm sang sản xuất thương mại.
Quy mô nhà máy ảnh hưởng trực tiếp đến suất đầu tư, chi phí vận hành và khả năng cạnh tranh với các dây chuyền xi măng truyền thống đã được tối ưu hóa qua nhiều năm. Đối với công nghệ sử dụng điện, giá điện và cường độ phát thải của nguồn điện cũng ảnh hưởng lớn đến hiệu quả giảm CO₂. Nguồn điện càng ít carbon thì lợi ích môi trường của quá trình điện hóa càng rõ.
Khả năng tích hợp với hạ tầng hiện hữu cũng là yếu tố quan trọng. Công nghệ có thể tận dụng một phần cơ sở hạ tầng, thiết bị và nguồn nhân lực sẵn có sẽ có lợi thế nhất định về đầu tư và triển khai. Tuy nhiên, mức độ tích hợp cao đồng thời đòi hỏi thiết bị mới phải vận hành ổn định và liên tục trong điều kiện sản xuất công nghiệp.
Bên cạnh đó, các chất kết dính mới phải đáp ứng yêu cầu về cường độ, độ bền, tính ổn định và khả năng sử dụng trong hệ thống bê tông hiện có. Hoàn thiện tiêu chuẩn, chứng nhận và dữ liệu vận hành dài hạn sẽ là những điều kiện quan trọng để sản phẩm mới được thị trường chấp nhận.
Những công nghệ này vì vậy chưa thể được xem là phương án thay thế ngay lập tức cho toàn bộ hệ thống sản xuất xi măng hiện nay. Giá trị của chúng nằm ở việc mở rộng thêm các lựa chọn giảm phát thải, đặc biệt đối với phần phát thải khó cắt giảm bằng cách đơn thuần giảm tỷ lệ clinker.
Giảm tỷ lệ clinker vẫn giữ vai trò quan trọng, nhưng các công nghệ điện hóa, khoáng hóa CO₂ và sử dụng nguồn canxi không carbonate đang mở rộng phạm vi giảm phát thải sang chính quá trình tạo chất kết dính. Khả năng thương mại hóa sẽ phụ thuộc vào chi phí, năng lượng, nguyên liệu, hạ tầng và yêu cầu kỹ thuật của từng thị trường.
Điều này cho thấy giảm phát thải trong ngành xi măng không chỉ nằm ở thành phần sản phẩm mà còn ở công nghệ sản xuất. Những giải pháp chứng minh được hiệu quả ở quy mô thương mại sẽ có thêm cơ hội bổ sung vào hệ thống hiện hữu, bên cạnh các biện pháp giảm tỷ lệ clinker và sử dụng vật liệu bổ sung.
Nguồn tham khảo: The Search for New Low-Carbon Cement Replacements, Azocleantech.com.
Cem.Info
