Các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford (Mỹ) đang thử nghiệm phương pháp gia nhiệt plasma bằng điện để tạo clinker, thay thế nguồn nhiệt từ nhiên liệu hóa thạch. Kết quả ban đầu cho thấy nguyên liệu có thể hình thành clinker trong vài giây, đồng thời nâng cao hiệu suất sử dụng nhiệt và mở khả năng tận dụng chất thải xi măng làm nguyên liệu.
Phương pháp gia nhiệt plasma được nghiên cứu nhằm điện hóa công đoạn tạo clinker, qua đó giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và hạn chế tổn thất nhiệt. Các thử nghiệm ban đầu cũng cho thấy clinker tạo ra có những đặc tính cơ học tương đương với vật liệu sản xuất theo phương pháp truyền thống.
Sản xuất clinker hiện chủ yếu dựa vào việc nung đá vôi, đất sét và các nguyên liệu khác ở nhiệt độ khoảng 1.400°C. Quá trình này sử dụng lượng lớn năng lượng, trong đó một phần đáng kể đến từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch để cung cấp nhiệt cho lò nung. Theo nội dung nghiên cứu, sản xuất xi măng toàn cầu tạo ra hơn 1 tỷ tấn CO₂/năm, tương đương gần 8% tổng lượng phát thải toàn cầu.
Để thay thế nguồn nhiệt này, nhóm nghiên cứu do Qi Zheng, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Stanford, cùng các giáo sư Yi Cui và Paolo Monteiro và các cộng sự phát triển phương pháp sử dụng điện để gia nhiệt trực tiếp nguyên liệu. Thay vì đốt nhiên liệu để làm nóng không khí trong lò, điện được đưa qua khí ion hóa để tạo plasma, tạo ra nhiệt độ trên 2.400°C.
Nhiệt độ cao giúp thúc đẩy quá trình hình thành clinker nhanh hơn đáng kể. Trong thử nghiệm, nguyên liệu được nung bằng plasma và hình thành clinker chỉ trong vài giây, nhanh gần 100 lần so với quy trình sản xuất truyền thống, theo nhóm nghiên cứu. Việc rút ngắn thời gian gia nhiệt cũng góp phần hạn chế lượng nhiệt thất thoát trong quá trình sản xuất.
Hiệu suất sử dụng nhiệt là một kết quả đáng chú ý khác. Trong sản xuất xi măng truyền thống, hiệu suất nhiệt được nhóm nghiên cứu ước tính ở mức 30 - 40%. Với phương pháp plasma, gần 80% lượng nhiệt tạo ra được sử dụng cho quá trình tạo clinker.
Nhóm nghiên cứu cũng đánh giá các đặc tính của vật liệu thu được. Kết quả cho thấy xi măng tạo ra có các đặc tính cơ học như độ bền và khả năng thi công tương đương với xi măng truyền thống. Quan sát bằng kính hiển vi điện tử cho thấy quá trình gia nhiệt plasma tạo ra một số biến đổi ở cấp độ nano trong vật liệu. Các biến đổi này nhanh chóng hòa tan khi tiếp xúc với nước, góp phần thúc đẩy quá trình đông kết và được nhóm nghiên cứu ghi nhận có liên quan đến sự cải thiện cường độ so với vật liệu truyền thống trong các thử nghiệm.
Một hướng thử nghiệm khác là sử dụng chất thải xi măng thu hồi từ các cơ sở tái chế làm nguyên liệu đầu vào cho quá trình gia nhiệt plasma. Nếu có thể xử lý hiệu quả nguồn nguyên liệu này, phương pháp có thể hỗ trợ tăng cường sử dụng lại vật liệu và giảm lượng chất thải phát sinh trong quá trình sản xuất.
Nhóm nghiên cứu cũng đánh giá tiềm năng giảm phát thải khi sử dụng điện tái tạo. Theo đó, nếu toàn bộ năng lượng cung cấp cho quá trình gia nhiệt plasma đến từ các nguồn tái tạo, phần quá trình sử dụng nhiệt bằng điện có thể hướng tới không phát sinh phát thải carbon dioxide. Tuy nhiên, đây mới là tiềm năng được đặt ra từ phương pháp nghiên cứu và chưa phải kết quả được chứng minh ở quy mô sản xuất công nghiệp.
Các nhà nghiên cứu dự kiến tiếp tục hợp tác với doanh nghiệp và các đơn vị trong ngành xi măng để thử nghiệm, mở rộng quy mô phương pháp. Một vấn đề cần được đánh giá là khả năng xử lý các loại chất thải xi măng có thành phần khác nhau. Nguồn chất thải có thể thay đổi tùy địa điểm và thời điểm thu gom, do đó nhóm nghiên cứu sẽ xác định liệu hệ thống plasma có thể tiếp nhận trực tiếp nhiều loại nguyên liệu hay cần thực hiện phân loại trước khi đưa vào thiết bị.
Kết quả hiện tại cho thấy gia nhiệt plasma có tiềm năng rút ngắn đáng kể thời gian tạo clinker, nâng cao hiệu suất sử dụng nhiệt và mở rộng khả năng tận dụng nguyên liệu từ chất thải. Tuy nhiên, phương pháp vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu và thử nghiệm, cần thêm các đánh giá ở quy mô lớn trước khi có thể xác định khả năng ứng dụng trong sản xuất clinker công nghiệp.
Cem.Info (TH/ Techxplore)
