Sản xuất CO2 lỏng từ khí thải các lò vôi công nghiệp ở Việt Nam

CO₂ liquid production from waste gas of lime kiln industries in Vietnam

TS NGHIÊM GIA 
Hội KHKT Đúc-Luyện kim Việt Nam 
Email: nghiemgia53@gmail.com

Vôi là mặt hàng quan trọng và không thể thiếu trong cuộc sống, vì thế việc khai thác đá vôi để sản xuất vôi được hình thành và phát triển từ lâu trên thế giới và ở Việt Nam. Công nghệ sản xuất vôi ở Việt Nam chủ yếu bằng lò nung vôi thủ công lạc hậu, nên đã gây tác động xấu đến môi trường. Vì thế, Chính phủ đã có quyết định (số 1469/QĐ-TTg ngày 22/8/2014) đến năm 2020 phải loại bỏ toàn bộ các lò vôi thủ công trên phạm vi toàn quốc [1] và hướng tới đầu tư công nghệ sản xuất vôi công nghiệp bằng Lò đứng (loại Parallel Plow Regenerative EOD Kilns ofer..). Dù cho các lò vôi công nghiệp có trang bị đầy đủ hệ thống lọc bụi, thì quá trình sản xuất vôi vẫn phát ra lượng khí thải khá lớn, trong đó có khí CO2 (một trong loại khí nhà kính là tác nhân gây biến đổi khí hậu trên toàn cầu [2]). Vì thế, việc triển khai Dự án đầu tư sản xuất CO2 lỏng từ khí thải các lò vôi công nghiệp sẽ là một giải pháp hữu hiệu mang lại lợi ích cho doanh nghiệp, góp phần bảo vệ môi trường và đạt mục tiêu xóa bỏ lò vôi thủ công theo yêu cầu của Chính phủ. 

Từ khoá: Sản xuất lò vôi thủ công; lò vôi công nghiệp; vật liệu xây dựng; CO2 lỏng và rắn 

1. NHU CẦU SỬ DỤNG VÀ THỰC TRẠNG SẢN XUẤT VÔI CỦA VIỆT NAM 

Vôi là mặt hàng thiết yếu để sử dụng cho các ngành tùy theo mục đích như sau: 

i) Với ngành xây dựng, vôi được dùng để sản xuất gạch silic và vật liệu xây dựng; 
ii) Với ngành nông nghiệp, vôi dùng làm phân bón và cải tạo đất (khi đất nhiễm axit dùng vôi để tăng độ pH; tăng hàm lượng canxi và magiê sẽ làm tăng chất hữu cơ và dinh dưỡng cho đất; 
iii) Với ngành thực phẩm, vôi dùng để sản xuất đường (từ mía và củ cải đường). Vôi là một thành phần trong baking soda giúp giữ trái cây và rau tươi; 
iv) Với ngành sản xuất giấy và thuộc da, vôi dùng để phục hồi soda trong quá trình tạo bột giấy, tẩy giấy và tẩy bỏ lông khi thuộc da; 
v) Với ngành luyện kim, vôi được sử dụng cho luyện gang và luyện thép và bôi trơn khi cán thép dây. Trong sản xuất sản xuất alumina và nhôm, vôi dùng để loại bỏ silica từ quặng bauxit; 
vi) Với ngành khai thác mỏ, vôi bột dùng trong các mỏ than để làm giảm bụi than và giảm nguy cơ cháy nổ. Vôi còn được sử dụng vào khai thác đồng, thủy ngân, kẽm, niken, vàng, chì và bạc; 
vii) Với ngành môi trường, vôi dùng để xử lý và làm sạch nước tại các nhà máy cấp nước sinh hoạt (làm mềm nước bằng cách loại bỏ độ cứng bicacbonat và tẩy uế chống lại vi khuẩn). Vôi dùng để xử lý nước thải công nghiệp (loại bỏ silic, mangan, florua, sắt và các tạp chất trong nước trước khi thải ra môi trường). Vôi được sử dụng để hấp thụ lưu huỳnh đioxit từ khí thải trong các nhà máy nhiệt điện... 

Vì thế mà công nghiệp sản xuất vôi đã được hình thành phát triển từ lâu đời trên thế giới và ở Việt Nam. Sản xuất vôi ở Việt Nam chủ yếu bằng lò nung vôi thủ công rất lạc hậu so với nhiều nước trong khu vực. Với khoảng 1.000 lò vôi thủ công (gián đoạn và liên hoàn) công suất nhỏ (mỗi lò từ 15-20 tấn/ngày) tập trung nhiều ở các tỉnh Hải Phòng, Thái Bình, Bắc Giang, Hải Dương, Ninh Bình, Hà Nam, Nam Định, Thanh Hóa, Thừa Thiên Huế, Kiên Giang... 

Hiện tại ở Việt Nam chỉ có khoảng 10 cơ sở sản xuất vôi công nghiệp với công suất mỗi lò từ 150 tấn đến 200 tấn/ngày. Dự báo nhu cầu tiêu thụ vôi của Việt Nam được xác định tùy thuộc vào mục đích sử dụng trong nước và xuất khẩu phân theo các vùng nêu trong bảng 1.

Bảng 1. Nhu cầu tiêu thụ vôi từ 2010-2020, có xét đến 2030

Kết quả thống kê và dự báo nhu cầu tiêu thụ vôi [4] cho thấy: 

i) Năng lực sản xuất và tiêu thụ vôi tập trung chủ yếu tại khu vực Đồng bằng sông Hồng, Bắc Trung bộ và Duyên hải miền Trung. Đây là các khu vực tập trung nhiều mỏ đá vôi của Việt Nam; 
ii) Mức tăng nhu cầu tiêu thụ vôi giai đoạn năm 2010-2020 bình quân là 20 %/năm và giai đoạn 2021-2030 là 10 %/năm; 
iii) Đến năm 2030, dự báo nhu cầu vôi khoảng 10,8 triệu tấn; trong đó tiêu thụ trong nước khoảng 7,8 triệu tấn và xuất khẩu 3 triệu tấn. Số lượng vôi xuất khẩu giai đoạn 2010-2020 bình quân từ 0,5 - 1,5 triệu tấn/năm chủ yếu cho Hàn Quốc, Đài Loan, Ấn Độ, Thái Lan và Myanmar. 

Theo kết quả điều tra (Tổng cục Môi trường năm 2017), các lò vôi thủ công đã phát thải các loại khí bụi độc hại (khí, bụi và bụi siêu mịn...) gây ảnh hưởng trực tiếp đến người lao động tại khu vực sản xuất và cộng đồng dân cư vùng lân cận. Chỉ số bụi đã vượt từ 1,6 đến 1,8 lần, khí CO vượt 4,0 đến 4,2 lần so với QCVN 19:2009/BTNMT. Không chỉ gây ô nhiễm môi trường, các lò vôi  thủ công còn gây ra nhiều tai nạn lao động chết người do ngạt khí và sập lò. Quá trình khai thác mỏ đá vôi thủ công  đã tàn phá cảnh quan, gây lộn xộn trong quá trình khai thác [3]. Trước thực trạng đó, Chính phủ đã ban hành Quyết định số 1469/QĐ-TTg ngày 22/8/2014 và Bộ Xây dựng ban hành Quyết định số 507/QĐ-BXD ngày 27/4/2015 trong đó nêu rõ đến năm 2020, loại bỏ toàn bộ các lò thủ công gián đoạn và thủ công liên hoàn trên phạm vi toàn quốc. Thời hạn chỉ còn 6 tháng nữa sẽ rất khó đạt được mục tiêu đề ra trong các quyết định nêu trên nếu không có giải pháp hữu hiệu. 

Vì vậy, để đảm bảo mục tiêu vừa xóa bỏ lò vôi thủ công vừa phải đảm bảo nhu cầu vôi cho các ngành công nghiệp của Việt Nam đòi hỏi phải có giải pháp đồng bộ sau: i) Tuyên truyền nâng cao nhận thức cho cộng đồng doanh nghiệp, người lao động và cán bộ quản lý ở địa phương về sự cẩn thiết phải thực hiện chủ trương xóa bỏ lò vôi thủ công; ii) Đổi mới công nghệ và quy mô công suất. Đầu tư các dự án sản xuất vôi công nghiệp theo công nghệ tiên tiến và hiện đại; iii) Gấp rút hỗ trợ doanh nghiệp triển khai các dự án đầu tư thu hồi khí lò vôi để sản xuất CO₂ lỏng và rắn gắn với các dự án sản xuất lò vôi công nghiệp tại một số địa phương [4]. 

2. GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ DỰ ÁN SẢN XUẤT CO₂ LỎNG TỪ KHÍ THẢI LÒ VÔI (DỰ ÁN) 

2.1. Khái quát công nghệ sản xuất vôi công nghiệp bằng lò đứng 

Như đã nói ở trên, một trong các giải pháp hữu hiệu nhằm xóa bỏ lò vôi thủ công là phải gấp rút hỗ trợ các doanh nghiệp sản xuất vôi (DN) tiếp cận và làm chủ công nghệ sản xuất vôi công nghiệp bằng lò đứng (loại Parallel Plow Regenerative EOD Kilns ofer). Lò đứng loại này có kích thước Φ4,0×60m, công suất là 600 tấn/ngày, tiêu hao năng lượng là 5,75GJ/t và bao gồm các hệ thống thiết bị sau: thiết bị trao đổi nhiệt (hệ thống tiền gia nhiệt) Φ10,5×8,5m; thiết bị làm nguội (kiểu Grate loại tấm cố định); hệ thống điện điều khiển vận hành lò bằng chương trình PLC và quy trình vận hành bằng bộ biến tần; các thiết bị cảm biến giám sát tốc độ vòng quay, nhiệt độ, động cơ điện, dầu mỡ bôi trơn trong quá trình vận hành, độ ổn định của thân vỏ lò; hệ thống thiết bị thu lọc khí bụi... Khí bụi thải phát sinh trong quá trình sản xuất tại các lò vôi công nghiệp được xử lý bằng thiết bị lọc bụi túi vải. Đây là thiết bị được sử dụng rất phổ biến cho các loại khí bụi mịn, khô khó tách bằng lực quán tính và ly tâm. Luồng không khí có bụi sẽ được thổi qua các túi vải mịn, túi vải sẽ ngăn các hạt bụi lại và cho khí thoát qua. Sau khi lọc, khí thải được hút bằng quạt gió lên ống phóng không và thoát ra môi trường qua ống khói lò vôi. Mặc dù đã được xử lý qua hệ thống lọc khí bụi nói trên, khí thải lò vôi vẫn còn một số lượng lớn khi CO₂ cần được thu hồi và xử lý để sản xuất CO₂ lỏng và rắn cho nhu cầu của dự án nêu dưới đây. 

2.2. Khái quát về nhu cầu sử dụng CO2 dạng khí, lỏng và rắn 

Khí CO₂ (đioxít cacbon) có tên gọi khác là thán khí hay khí cacbonic là khí hợp chất (gồm 1 nguyên tử cacbon và 2 oxy) tồn tại tự nhiên trong khí quyển của trái đất, có nhiều tại các núi lửa và trong khí thải công nghiệp. Các nghiên cứu về khoa học khí hậu và hệ thống quan trắc khí hậu toàn cẩu (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 gây hiệu ứng nhà kính (CO₂, CH₄, N₂O₂, PFCs, SF₆...). Vì thế, mục tiêu và nhiệm vụ các quốc gia trên thế giới luôn đặt lên hàng đầu trong các diễn đàn hội nghị về chống biến đổi khí hậu trên phạm vi toàn cầu (gọi tắt COP) là giảm tối đa lượng phát thải các loại khí nhà kính [2], trong đó chú trọng thu hồi và sử dụng khí CO₂ cho mục đích dân sinh. CO₂ dạng khí, lỏng và rắn có những ứng dụng cho các mục đích sau đây [5]: 

- Khí CO₂ cần để quang hợp và kích thích sự tăng trưởng của thực vật, tiêu diệt sâu hại (rầy trắng, nhện); 
- Trong công nghiệp chế biến thực phẩm: Khí CO₂ được dùng để tạo khí cho các loại đồ uống và bột nở để sản xuất các loại bánh nướng (tạo khí CO₂ và lên men trong khối bột tạo độ xốp cho bánh); CO₂ chuyển rất cao. 

Nắm bắt được nhu cầu này, hiện nay nhiều doanh nghiệp (DN) và các nhà máy khí, điện, đạm và sản xuất vôi đã xây dựng hệ thống thu hồi khí thải để sản xuất CO₂ lỏng cung cấp cho nhu cầu trong nước. Nhưng do nhiều nguyên nhân (thiếu vốn, thiếu nguồn khí CO₂) nên nhiều DN sản xuất không ổn định, không đảm bảo công suất thiết kế nên sản lượng CO₂ lỏng không đáp ứng nhu cầu thị trường. 

2.3. Khái quát công nghệ sản xuất CO2 lỏng từ khí thải của các ngành công nghiệp 

Để hạn chế lượng khí CO₂ từ khí thải của các ngành công nghiệp (nhiệt điện, xi măng, phân đạm, sản xuất lò vôi công nghiệp, sản xuất cồn và hydro...) nhiều quốc gia trên thế giới đã nghiên cứu thành công và thực hiện có hiệu quả nhiều dự án lỏng hoặc CO₂ rắn (đá khô) là môi trường làm lạnh công nghệ san̉ xuât́ CO₂ lỏng phục vụ cho nhu cầu (ở nhiệt độ -79 °C) để bảo quản, lưu trữ và vận chuyển các loại kem và các thực phẩm đông lạnh...; 

- Trong y học: Với 5 %CO₂  lỏng được thêm vào oxy nguyên chất để trợ thở sau khi ngừng thở và để ổn định cân bằng O₂/CO₂ trong máu; dùng trong dược phẩm và một số ngành chế biến hóa chất khác; 

- Khí CO₂ được sử dụng làm khí điều áp, áo phao cứu hộ, súng hơi, hộp sơn xịt, bơm lốp xe...; CO₂ lỏng đã nén dùng để dập tắt lửa, dập cháy do sự cố điện; sử dụng cho công nghệ hàn hơi và trong các giếng khoan dầu mỏ (làm tác nhân nén và giảm độ nhớt của dầu thô); 

- CO₂ rắn (đá khô dạng viên) được sử dụng cho các ngành công nghiệp (thực phẩm, sản xuất giấy, điện, in ấn, lắp ráp ô tô, sản xuất phụ tùng ô tô, xà phòng, cảng biển, hàng không...); dùng để vệ sinh công nghiệp (các viên đá khô được bắn vào bề mặt để làm sạch dầu mỡ, sơn, cặn bẩn, vệ sinh turbin máy phát điện...); 

- CO₂ rắn (đá khô dạng khối) sử dụng như một chất làm lạnh cho các lĩnh vực: 

+ Làm lạnh thực phẩm, ướp lạnh kem, rau củ quả và các mặt hàng lạnh thủy hải sản giữ cho thực phẩm được tươi ngon và bảo quản lâu; 
+ Sử dụng bảo quản vacxin, máu, mẫu sinh học, lưu trữ mô, tế bào sống, lưu trữ mô (nội tạng, bộ phận cơ thể) và dùng để bảo quản thi thể, xác ướp; 
+ Sử dụng làm hiệu ứng sương mù trong lễ hội và tiệc cưới... 

Do nhu cầu CO₂ lỏng và rắn được sử dụng rộng rãi, nên trong giai đoạn vừa qua CO₂ lỏng chủ yếu phải nhập khẩu từ Trung Quốc với chi phí vận công nghiệp và dân sinh. Ngoài việc mang lại hiệu quả kinh tế cho các nhà đầu tư, sản xuất CO₂ lỏng đã góp phần giảm lượng khí thải CO₂ từ các nguồn phát sinh nêu trên. Quy trình công nghệ sản xuất CO₂ lỏng gồm 4 bước cơ bản sau đây [5]: 

- Thu hồi khí CO₂ từ nguồn phát thải, làm sạch đảm bảo độ tinh khiết yêu cầu 99,9 %CO₂; 
- Nén, ngưng tụ và làm lạnh trong các thiết bị chuyên dụng; 
- Bơm CO₂ lỏng vào các bể (bồn), kho chứa nổi hay kho ngầm. Quá trình này cần giám sát và đảm bảo CO₂ được cô lập hoàn toàn. 
- Đóng chai hoặc chứa vào bồn (tăng) để vận chuyển đến địa điểm lưu giữ thích hợp hay cung cấp cho các cở sở có nhu cầu sử dụng CO₂ lỏng với các mục đích khác nhau (hàn, sản xuất đồ uống có gas, sản xuất CO₂ rắn...). 

Công nghệ sản xuất CO₂ lỏng từ ống khói của nhà máy nhiệt điện, xi măng và lò vôi (có sử dụng các nhiên liệu hóa thạch.) nêu ở hình 1. 

2.4. Công nghệ sản xuất CO2 lỏng từ khí thải lò vôi 

Sơ đồ công nghệ của Dự án sản xuất CO₂ lỏng từ khí thải lò vôi nêu ở hình 2, gồm hệ thống thiết bị của 2 công đoạn sản xuất được mô tả tóm tắt như sau: 

- Công đoạn 1 (tách và làm giàu khí CO₂): 

+ Khói từ miệng ống khói lò vôi được quạt hút vào ống và đẩy vào Tháp rửa để loại bỏ các khí gây ăn mòn (như SO_x, H₂S...) và bụi bẩn; 
+ Sau đó chúng được đưa vào tháp hấp thụ khí CO₂ để tạo ra một dung dịch giàu CO₂. Dung dịch này được đưa vào tháp giải phóng CO₂ bằng cách tăng lên nhiệt độ cao và tách khí CO₂ cho thoát lên đỉnh tháp); 
+ Khí CO₂ sau đó đưa qua hệ thống tách ẩm để đạt độ tinh khiết cao (> 99,5 %CO₂), sau đó được làm mát và đưa vào hệ thống hóa lỏng CO₂. Dung dịch thừa sau quá trình hấp thụ làm giàu và tách ẩm sẽ được bơm ngược trở lại tháp hấp thụ để tiếp tục vòng tuần hoàn mới. 

- Công đoạn 2 (hóa lỏng để tạo ra sản phẩm CO₂ lỏng): 

+ Khí CO₂ tinh khiết từ hệ thống tách và làm giàu (tại Công đoạn 1) được chứa trong Balong và sau đó đưa qua hệ thống máy nén khí cao áp (áp suất nén từ 17 tới 18 barg) và tiếp tục đưa qua hệ thống khử mùi bằng than hoạt tính, qua cột sấy khô bằng sàn ZEONIT để loại bỏ nước; 
+ Cuối cùng khí CO₂ sẽ được hóa lỏng trong thiết bị ngưng ở nhiệt độ -30 tới -32 °C. 

Sản phẩm CO₂ lỏng có độ tinh khiết từ 99,95 - 99,98 %CO₂ sẽ được lưu trữ trong các bồn chứa chuyên dụng ở nhiệt độ -23 tới -25 °C đặt tại kho sản phẩm trong mặt bằng của dự án. CO₂ lỏng từ các bồn chứa này sẽ được chiết nạp vào chai (hình 3) hay bơm vào bồn chứa đặt trên xe chuyên dụng (hình 4) để vận chuyển đến nơi tiêu thụ. 

3. LỢI ÍCH CỦA DỰ ÁN SẢN XUẤT CO2 LỎNG TỪ KHÍ THẢI LÒ VÔI 

Kết quả phân tích hiệu quả kinh tế - tài chính của dự án [5] cho thấy: i) Dự án có hiệu quả cao và có khả năng hoàn trả được gốc và lãi vay theo đúng khế ước vay trong vòng 4 năm; ii) Hệ số hoàn vốn nội bộ (IRR) trung bình là 17,9 %; iii) Năm sản xuất thứ nhất dự án đã có lãi 2,45 tỷ đồng, năm thứ hai lãi 3,67 tỷ đồng và tổng lợi nhuận bình quân 10 năm là 6,4 tỷ đ/năm; iv) Nộp thuế hàng năm trên 3,3 tỷ đồng, thời gian thu hồi vốn đầu tư 5 năm; v) Tạo công ăn việc làm cho hàng trăm lao động trực tiếp tại dự án và lao động địa phương xung quanh dự án. Kết quả dự án không chỉ mang lại lợi ích kinh tế tài chính cho các DN tham gia đầu tư, mà còn mang lại những lợi ích thiết thực sau đây: 

- Dự án này tạo bước đột phá về công nghệ thu hồi và xử lý khí thải từ các lò vôi để sản xuất CO₂ long là công nghệ mà các doanh nghiệp sản xuất vôi tại các địa phương rất quan tâm; 

- Góp phần đảm bảo mục tiêu mà các DN đang thực hiện đến năm 2020, loại bỏ toàn bộ các lò thủ công gián đoạn và thủ công liên hoàn (thủ phạm phát ra khí thải gây ô nhiễm môi trường) trên phạm vi toàn quốc theo chỉ đạo của Chính phủ (tại Quyết định số 1469/QĐ-TTg ngày 22/8/2014) và Bộ Xây dựng  (tại  Quyết  định  số  507/QĐ-BXD  ngày 27/4/2015) 

- Góp phần giảm được lượng phát thải khí CO₂, bảo vệ tốt môi trường quanh khu vực dự án tại địa phương. 

Qua các phân tích nêu trên, việc triển khai các dự án đầu tư thu hồi khí lò vôi để sản xuất CO₂ lỏng gắn với các dự án sản xuất lò vôi công nghiệp tại một số địa phương chắc chắn sẽ là một giải pháp hữu hiệu mang lại lợi ích cho doanh nghiệp và góp phần bảo vệ môi trường chống tác động của biến đổi khí hậu ở Việt Nam và trên toàn thế giới. 

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Quy hoạch tổng thể phát triển vật liệu xây dựng Việt Nam đến năm 2020 và định hướng đến năm 2030 (theo Quyết định số 1469/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ ngày 22/8/2014)
2. TS Nghiêm Gia, ThS Nguyễn Đức Vinh Nam v.v...; Đánh giá tác động và đề xuất giải pháp ứng phó với biến đổi khí hậu và nước biển dâng của ngành thép Việt Nam, Đề tài NCKH cấp bộ, Hà Nội, năm 2010-2011
3. TS Lê Văn Thành, Hoạt động khoáng sản làm vật liệu xây dựng thông thường - Những bất cập và hệ lụy, Hội nghị KHCN Mỏ, Quảng Ninh, tháng 8/2018
4. TS Nghiêm Gia v.v...; Đề xuất giải pháp đồng bộ để xóa bỏ lò vôi thủ công, Tạp chí Môi trường, tháng 2/2019
5. TS Nghiêm Gia, ThS Nguyễn Quang Dũng v.v...; Báo cáo nghiên cứu khả thi Dự án đầu tư thu hồi khí lò vôi công nghiệp để sản xuất CO2 lỏng tại Thái Nguyên và Hà Nam, Tháng 12/2018.