Giải pháp giảm phát thải khí nhà kính trong quá trình sản xuất gang-thép ở Việt Nam

Solutions to reduce greenhouse gas emissions in the production process of cast iron and steel in Vietnam

TS NGHIÊM GIA - Hội KHKT Đúc-Luyện kim Việt Nam KS VŨ TRƯỜNG XUÂN - Hội KHKT Đúc-Luyện kim Việt Nam KS PHẠM BÁ KIÊM  - TT KHCN Kim loại Email: nghiemgia53@gmail.com

1. KHÁI QUÁT VỀ PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH TRONG SẢN XUẤT GANG-THÉP

Các nghiên cứu về khoa học khí hậu và hệ thống quan trắc khí hậu toàn cầu (GCOS) đã chỉ ra rằng, hoạt động của các ngành công nghiệp và hoạt động của con người đã phát thải ra nhiều loại khí thải nhà kính (CO₂, CH4, N2O, PFCs, SF6). Trong đó, sản xuất gang-thép đã sử dụng nguồn tài nguyên thiên nhiên (quặng sắt, than, đá vôi, khí thiên nhiên…) và sử dụng nhiệt năng, điện năng từ việc đốt cháy nhiên liệu hoá thạch (than, dầu, khí thiên nhiên) đã tạo nên nguồn phát thải khí nhà kính (KNK) khá lớn [1]. Những năm gần đây, ngành thép Việt Nam và các ngành công nghiệp đã thực hiện thí điểm các “Chương trình kiểm toán năng lượng và sử dụng năng lượng hiệu quả” ở một số cơ sở sản xuất gang-thép (Công ty CP gang-thép Thái Nguyên - TISCO, CTy CP thép Đà Nẵng...) nhằm đạt mục tiêu chung là “sản xuất bền vững, giảm thiểu phát thải KNK, cải thiện sản xuất nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất thép ở Việt Nam” [2-4]. 2. TÁC NHÂN GÂY Ô NHIỄM KHÍ TRONG SẢN XUẤT GANG-THÉP Sản xuất gang-thép qua các công đoạn nung sấy, thiêu kết, nấu chảy nguyên liệu để tạo ra gang, đúc phôi từ gang và cán đều tạo ra 3 dạng chất thải (nước thải, khí và bụi thải, chất thải rắn) với mức độ ô nhiễm khác nhau được mô tả ở hình 1). Các quá trình hóa lý xảy ra trong lò luyện hết sức đa dạng và phức tạp. Kết quả không chỉ tạo ra sản phẩm gang như mong muốn mà còn phát ra khí thải, trong đó CO₂ là nhiều nhất. Quá trình nấu luyện đã làm xuất hiện chuyển đổi pha (rắn → biến mền → chảy → đông đặc → nung → gia công áp lực → làm nguội) và được đặc trưng bởi các quá trình sau đây: - Đốt cháy nhiên liệu để nung, nấu chảy nguyên liệu trong lò gồm: Cháy cacbon (C); Cháy ôxít cacbon (CO); Cháy hydrô (H₂); Cháy khí metan (CH₄) và các cacbua hydrô khác: - Hoàn nguyên kim loại trong sản xuất gang gồm: hoàn nguyên trước, hoàn nguyên trực tiếp, hoàn nguyên nóng chảy từng phần hoặc toàn phần quặng sắt. - Quá trình  oxy hóa trong luyện thép đã hình thành các pha khí, pha lỏng gồm: oxy hóa cacbon, oxy hóa silic và oxy hóa photpho. Quá trình khử tạp chất (lưu huỳnh, photpho). Tất cả các công đoạn của sản xuất gang-thép đều phát sinh ra lượng khi thải. Đặc biệt, công nghệ luyện gang truyền thống (gồm các công đoạn: thiêu kết, luyện cốc, luyện gang bằng lò cao) do tiêu thụ và sử dụng một lượng than khá lớn (than mỡ luyện cốc và than antraxit phun thổi) làm nhiên liệu nên đã phát ra lượng khí thải (CO₂) lớn nhất so với các công đoạn luyện thép và cán thép. Các nhà máy luyện gang theo công nghệ lò cao ở Nhật Bản tiêu hao than cốc là 382 kg/tấn gang và than phun là 135 kg/tấn gang. Ở Việt Nam mức tiêu hao than cốc là 700÷800 kg/tấn gang. Vì thế, hiện nay các nhà máy đang tìm mọi biện pháp để hạ dần mức tiêu hao cốc xuống mức: 500 ÷ 600 (kg cốc/tấn gang). Luyện thép bằng lò điện hồ quang có sử dụng một lượng nhỏ than (để tạo xỉ bọt, tăng cacbon trong thép...). Quá trình đốt cháy, nung chảy nguyên vật liệu trong lò EAF đã phát sinh lượng khí thải (0,5÷1 tấn/tấn thép thô). Luyện thép bằng lò chuyển   với nguyên liệu đầu vào chủ yếu là gang lỏng (hot metal) và phế thép  (scrap).  Quá  trình  oxy  hóa  cacbon  trong gang lỏng (3,5÷4 %) có lượng CO₂ phát thải ra ngoài. Theo nghiên cứu và đánh giá của OECD và  IEA  lượng  CO₂   phát  thải  là:  3,6÷3,7  tấn CO₂/tấn thép thô. [caption id="attachment_1996" align="aligncenter" width="500"] Hình 1. Các chất ô nhiễm và phát thải trong công nghệ sản xuất gang-thép[/caption] Các lò nung trong công nghệ cán nóng hiện nay phần lớn sử dụng 3 loại nhiên liệu: than, khí than, dầu (FO/DO), khí thiên nhiên (NG) đã phát thải KNK gây ô nhiễm môi trường. Ở Việt Nam phổ biến dùng nhiên liệu trong các lò nung phôi là dầu FO, DO với lượng tiêu hao dầu FO lớn (từ 25÷36 lít/tấn sản phẩm), ở các nước phát triển tiêu hao dầu trong cán thép thấp (15÷21 lít/tấn sản phẩm). 3. GIẢI PHÁP GIẢM PHÁT THẢI KNK TRONG SẢN XUẤT GANG-THÉP Ở VIỆT NAM GP 1-Giảm tiêu hao nhiên liệu trong sản suất gang-thép Những năm qua với sự hỗ trợ của Chính phủ và các tổ chức quốc tế ngành thép Việt Nam đã có nhiều giải pháp giảm tiêu hao nhiên liệu với mục tiêu đặt ra: trong luyện gang giảm tiêu hao than cốc tới mức 500÷600 kg cốc/tấn gang và than phun tới mức 90÷100 kg/tấn gang), cán thép giảm tiêu hao dầu dưới 20 lít/tấn sản phẩm). GP2-Đổi mới công nghệ, sử dụng nhiên liệu sạch và tiết kiệm năng lượng trong sản xuất gang, phôi thép và cán thép nhằm giảm phát thải khí CO₂ - Đầu tư chiều sâu đổi mới công nghệ (lựa chọn công nghệ tiêu hao ít nhiên liệu, năng lượng, phát thải ít, thân thiện với môi trường, nâng cao tuổi thọ thiết bị, rút ngắn chu kỳ tạo sản phẩm…). - Thay đổi nhiên liệu (từ dùng than sang dùng khí) và tăng cường sử dụng năng lượng có hiệu quả (sử dụng nhiệt dư, khí dư tái tạo năng lượng, bố trí hợp lý các thiết bị truyền động...). - Tiết kiệm năng lượng (TKNL) là mục tiêu quan trọng của hầu hết các lĩnh vực sản xuất công nghiệp, nông lâm nghiệp và dịch vụ kinh tế... của mỗi quốc gia, nó không những mang ý nghĩa kinh tế mà còn ý nghĩa BVMT và ứng phó với những thách thức về BĐKH toàn cầu. TKNL tỷ lệ thuận với việc giảm phát thải KNK (CO₂). Các giải pháp TKNL trong sản xuất gang-thép đã được áp dụng như sau: i) Nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng (nhiệt năng, điện, khí…) giảm thiểu các tổn thất, lãng phí năng lượng trong từng công đoạn sản xuất luyện kim; ii) Cải tiến bổ sung các thiết bị phụ trợ, nguyên nhiên liệu phụ trợ nhằm tăng cường thúc đẩy nhanh các quá trình hoá lý luyện kim rút ngắn thời gian tạo sản phẩm bằng cách: bổ sung mỏ đốt cho lò điện EAF; sử dụng loại mỏ đốt tái sinh cho lò nung phôi kết hợp với hệ thống buồng tích/hoàn nhiệt; phun than antraxit bột vào lò cao, kết hợp với làm giầu gió bằng oxy để giảm tiêu hao than coke… GP3-Xử lý và nâng cao chất lượng nguyên liệu đầu vào - Do chất lượng khoáng sản ở các mỏ khai thác khác nhau và chứa nhiều tạp chất có hại cho công nghệ luyện kim nên việc xử lý nguyên, nhiên liệu đầu vào cho từng công đoạn sản xuất luyện kim là hết sức quan trọng, không những thuận tiện cho công nghệ mà còn ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến tiêu hao năng lượng cho quá trình công nghệ và giảm lượng phát thải KNK. - Nguyên, nhiên liệu đầu vào của công nghệ luyện gang chủ yếu là quặng sắt, than mỡ luyện cốc, than cám antraxit phun thổi vào lò cao cần phải được xử lý trước khi sử dụng. Tăng chất lượng quặng (hàm lượng Fe) lên 1 % thì giảm tỷ lệ than cốc được 2 % và tăng sản lượng gang lên 3 %. Như vậy, việc giảm tỷ lệ than cốc dùng cho luyện gang gián tiếp đã làm giảm phát thải KNK CO₂ trong công nghệ luyện gang. - Xử lý phôi thép và xử lý bề mặt cuộn cán nóng (HRC) cho công đoạn cán nguội cần được thực hiện và coi trọng nhằm mục đích nâng cao công suất nhà máy, hiệu suất sử dụng thiết bị, giảm tiêu hao nhiên liệu và năng lượng cho sản suất một đơn vị sản phẩm. Điều đó có ý nghĩa quan trọng trực tiếp hoặc gián tiếp đến việc giảm thiểu phát thải KNK là tác nhân gây biến đổi khí hậu (BĐKH) trên phạm vi toàn cầu. GP4-Sử  dụng  khí  thải  và  nhiệt  dư  trong sản xuất gang và luyện coke cho sản xuất phôi thép Khí thải lò luyện coke, lò cao luyện gang và lò luyện thép thường chứa lượng các chất CO, H2, CnHm,... Vì thế, khí thải này có thể sử dụng làm nhiên liệu cho quá trình nung, đốt, tái sinh ra năng lượng mới. Tận dụng nhiệt dư của khí thải với mục đích sấy nguyên vật liệu để rút ngắn các quá trình nâng nhiệt trong sản xuất luyện kim. Việc tận dụng nhiệt dư từ khí thải ở Việt Nam đã được một số nhà máy áp dụng (tại lò CONSTEEL của Công ty thép Việt, lò DANARC PLUS tại Công ty thép Miền Nam). Tái sử dụng khí thải trong quá trình luyện kim làm nhiên liệu (nung, đốt) cho các công đoạn nội bộ nhà máy hoặc cấp cho các hộ ngoài sử dụng. Việc sử dụng các loại khí thải thường được xem xét đánh giá thông qua kiểm toán năng lượng để lựa chọn phương án sử dụng phù hợp: sấy liệu, làm nhiên liệu cho các quá trình sản xuất luyện kim (đốt lò nung, lò hơi) hoặc sản xuất điện bằng turbin (TRT, TG-BL...). GP5-Nâng cao hiệu quả đầu tư các dự án trong ngành thép Việt Nam phù hợp với sự biến đổi khí hậu (BĐKH) Việc lưa chọn đầu tư các dự án trong ngành thép, đặc biệt là Dự án liên hợp thép  ngoài các tiêu chí về công nghệ và hiệu quả kinh tế cần phải xét đến các tiêu chí TKNL, bảo vệ môi trường (BVMT) và những thách thức về BĐKH. Theo đó, cần thực hiện đồng bộ các công đoạn sản xuất của Dự án liên hợp thép theo hướng: i) Lựa chọn đầu tư công nghệ khai thác và chế biến khoáng sản tiên tiến và hiện đại nhằm đạt được năng suất cao, hiệu quả, an toàn lao động và BVMT; ii) Đầu tư dây chuyền sản xuất cốc theo phương pháp dập coke khô thay cho dập coke ướt nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường tại các nhà máy luyện coke. Việc “lựa chọn địa điểm và kết cấu nhà xưởng” cho các dự án sản xuất thép của Việt Nam phù hợp với BĐKH và nước biển dâng cũng cần được tính đến cả những ảnh hưởng về điều kiện tự nhiên và thách thức do BĐKH và nước biển dâng, bão, lụt... Ngoài việc đảm bảo tiêu chí công nghệ, thì địa điểm phải hợp lý và kiến trúc nhà xưởng phải đáp ứng các yếu tố ảnh hưởng của BĐKH và đảm bảo điều kiện tốt cho môi trường lao động. Diện tích các khu công nghiệp luyện kim cần bố trí khu trồng cây xanh (tối thiểu bằng 15 % tổng diện tích) để tạo môi trường xanh và hấp thụ một phần CO₂ tại khu vực nhà máy. 4. KẾT LUẬN Từ các phân tích nêu trên, ngành thép Việt Nam cần tiếp tục hoàn thiện chiến lược về “Bảo vệ môi trường” nhằm phát triển ngành thép bền vững và BVMT phù hợp với các kịch bản BĐKH và nước biển dâng. Trong quâ trình thực hiện các GP nêu trên phải tiến hành đồng bộ, không nên coi nhẹ GP nào. Trong đó cần phải chú trọng đến việc đào tạo nguồn nhân lực có trình độ hiểu biết lĩnh vực chuyên ngành và hiểu biết ngành khác có liên quan như: khoa học khí hậu, năng lượng, giao thông, môi trường. Lựa chọn công nghệ mới phù hợp cho sản xuất gang-thép, sử dụng tiết kiệm và hiệu quả năng lượng, phát triển gắn với BVMT. Mục tiêu giảm lượng phát thải KNK, ứng phó kịp thời với BĐKH là nhiệm vụ quan tâm hang đầu của ngành thép Việt Nam trong giai đoạn 2018-2030. TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Liên Hợp Quốc, Hiệp định khung về biến đổi khí hậu (UNFCCC), Rio de Janeiro, Brazil 6/1992
2. TS Nghiêm Gia và nhóm tác; Giải pháp nâng cao hiệu quả quản lý hoạt động khoáng sản và bảo vệ môi trường của Tổng công ty Thép Việt Nam đến năm 2020, Hội thảo Khoa học Mỏ toàn quốc lần thứ XV, TP Huế, 7/2003
3. KS Phạm Chí Cường và nhóm tác giả; Nghiên cứu định hướng phát triển KHCN ngành thép đến năm 2020, Hà Nội, 2006
4. TS Nghiêm Gia và nhóm tác giả; Giải pháp bảo vệ môi trường của Tổng công ty Thép Việt Nam giai đoạn năm 2008-2010 và định hướng đến năm 2020, Tạp chí CN, 2009
5. Nghị định Thư Kyoto, Kyoto, Nhật Bản, 12/1997
6. Reinoud Van Lear, Coke quality and hearth life
7. Chiến lược BVMT ngành công nghiệp Việt Nam đến năm 2010 và định hướng đến năm 2020, Viện NCCLCSCN, Bộ Công-Thương, Hà Nội, 2006
8. Quyết định số 4103/QĐ-BCT ngày 03/8/2010 của Bộ trưởng Bộ Công-Thương về ban hành Kế hoạch hành động ứng phó với biến đổi khí hậu của Bộ Công Thương giai đoạn 2010-2015 và xét đến 2030.