Đề xuất một số giải pháp khoa học công nghệ giảm thiểu các tác nhân gây biến đổi khí hậu phát sinh từ các hoạt động sản xuất công nghiệp

Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2013 31 Kt qu nghiên cu KHCN Mở đầu Việt Nam đã và đangchịu ảnh hưởng củabiến đổi khí hậu (BĐKH). Theo Uỷ ban Liên Chính Phủ về BĐKH (Intergovernmental Panel on Climate Change – IPCC), nếu không có các biện pháp mạnh mẽ để giảm lượng khí thải toàn cầu thì đến năm 2100, nhiệt độ trái đất có thể tăng đến 4,80C so với năm 1990. Nhận thức rõ những tác động nghiêm trọng của BĐKH đến sự phát triển bền vững của đất nước, Chính phủ Việt Nam đã sớm tham gia và phê chuẩn Công ước khung của Liên hợp quốc về BĐKH và Nghị định thư Kyoto, đồng thời đã sớm phê duyệt Chiến lược quốc gia về BĐKH, Chương trình mục tiêu quốc gia ứng phó với BĐKH, Chương trình quốc gia về phòng chống và giảm nhẹ thiên tai, và tham gia nhiều hoạt động quốc tế khác. Bài viết này nhằm cung cấp một số thông tin liên quan đến các giải pháp khoa học công nghệ để giảm thiểu sự phát sinh của các tác nhân gây BĐKH trong một số ngành công nghiệp vào môi trường. 1. Nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng cho các lò hơi và lò đốt Các tác nhân chính gây BĐKH bao gồm khí CO2, clofloruacacbon (CFCs), metan, N2O, ozone, hơi nước, v.v., trong đó khí CO2 là khí nhà kính quan trọng nhất đối với sự biến đổi khí hậu, chiếm tỷ trọng khoảng 55%. Trong sản xuất công nghiệp, các tác nhân này chủ yếu phát sinh từ việc đốt nhiên liệu hoá thạch trong các lò hơi và lò đốt. Do đó, việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng cho các loại lò này là giải pháp công nghệ đầu tiên góp phần giảm thiểu sự phát thải các chất này. Sau đây là một số giải pháp công nghệ nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng cho các lò hơi và lò đốt khuyến cáo và đã được sử dụng ở Việt Nam. 1.1. Sử dụng thiết bị gia nhiệt sơ bộ không khí Cải thiện hiệu suất nhiệt nhờ quá trình gia nhiệt sơ bộ khí đốt bằng lượng nhiệt thải ra trong khói lò. Lượng nhiệt thải ra trong khói lò có thể thu hồi bằng 3 loại thiết bị thu hồi nhiệt chính, tuỳ thuộc vào loại ĐÊ XUÂT MƠT SƠ GIAI PHAP KHOA HOC CƠNG NGHÊ GIAM THIÊU CAC TAC NHÂN GÂY BIÊN ĐƠI KHI HÂU PHAT SINH TƯ CAC HOAT ĐƠNG SAN XUÂT CƠNG NGHIÊP lò đốt, là thiết bị thu hồi nhiệt bằng kim loại nói chung, thiết bị thu hồi nhiệt bằng thép đặc biệt và thiết bị thu hồi nhiệt bằng gốm. Ứng với mỗi loại thiết bị thu hồi nhiệt, gia nhiệt sơ bộ được thực hiện ở các dải nhiệt độ khác nhau. - Thiết bị thu hồi bằng kim loại: Gia nhiệt sơ bộ ở nhiệt độ 3500C, phù hợp với các lò hơi cỡ lớn, các lò đốt nhỏ. - Thiết bị thu hồi bằng thép đặc biệt: Gia nhiệt sơ bộ ở nhiệt độ 7000C, phù hợp với các lò đốt, bể ngâm, lò đốt thuỷ tinh, lò gốm. - Thiết bị thu hồi bằng gốm: Gia nhiệt sơ bộ ở nhiệt độ 7000C, phù hợp với các khu liên hợp gang thép, các lò thuỷ tinh. 1.2. Mỏ đốt khí dư thấp (0-5% x khí hút) Nâng cao hiệu suất hệ thống, phù hợp với các lò hơi và đốt công nghiệp. 1.3. Mỏ đốt tái sinh Nhiệt đốt cao hơn và quá trình trao đổi nhiệt được cải thiện. Phù hợp với các lò đốt công nghiệp. GS.TS. Lê Vân Trình , ThS. Nguyễn Trinh Hương Viện Nghiên cứu KHKT Bảo hộ lao động 32 Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2013 Kt qu nghiên cu KHCN được gia nhiệt sơ bộ. Có thể sử dụng trong các lò hơi và lò đốt như khí đốt sơ bộ. Ngoài ra, để tiết kiệm năng lượng, các lò đốt khi vận hành còn cần chú ý mấy điểm sau: đốt cháy hoàn toàn với lượng khí thừa tối thiểu, phân phối nhiệt hợp lý, vận hành ở nhiệt độ lý tưởng, giảm thất thoát nhiệt qua các khe hở của lò, điều khiển hợp lý thông gió của lò, v.v. 2. Áp dụng một số giải pháp sản xuất sạch hơn Theo định nghĩa của UNEP (chương trình môi trường Liên Hiệp Quốc), Sản xuất sạch hơn là việc áp dụng liên tục chiến lược phòng ngừa tổng hợp về môi trường vào các quá trình sản xuất, sản phẩm và dịch vụ nhằm nâng cao hiệu suất và giảm thiểu rủi ro cho con người và môi trường. Như vậy sản xuất sạch hơn (SXSH) là một giải pháp tiếp cận nhằm tác động ngay vào các khâu của dây chuyền sản xuất để chủ động hệ thống hơi và khí nén. Phù hợp với các ngành sản xuất liên tục, nhà máy điện. 1.9. Sợi gốm Giảm nguồn trữ nhiệt và phát tán bức xạ do tổng nhiệt thấp. Phù hợp với các lò đốt, lò xử lý nhiệt, máy sấy đốt, v.v. 1.10. Lò quang Lớp chịu lửa có độ phát xạ cao – một phát triển của chương trình không gian Hoa Kỳ – có khả năng ngăn nhiệt độ của lớp chịu lửa lò đốt quá cao, tiết kiệm được 10- 15% nhiên liệu, tăng tính bức xạ trong kết cấu lò đốt, cải thiện khả năng phân bố nhiệt đồng đều và tăng tuổi thọ của các thành phần chịu lửa và kim loại. 1.11. Lớp bảo ôn động Khí hay chất lỏng được đưa qua lớp bảo ôn để ngăn hay tăng khả năng truyền nhiệt theo yêu cầu. Nó còn có lợi ích khác như tạo lớp bảo ôn và một lượng khí sạch đã 1.4. Nồi hơi nhiệt thải Sản sinh hơi nước bằng nhiệt thải trong khói lò. Phù hợp với các nhà máy sản xuất axit sunfuaric, hoá chất, hoá dầu, phân bón và gang thép. 1.5. Hệ thống tận thu nước ngưng khép kín Hệ thống tận thu nước ngưng hiệu quả. Sử dụng phù hợp với tất cả các ngành sử dụng nguồn hơi nước gián tiếp. 1.6. Tuabin hiệu suất cao Tuabin hơi xung lực 5MW hoặc thấp hơi đã được nâng cấp đạt hiệu suất 70%. Lớp phản lực của tuabin có thể sử dụng trong thiết kế hệ thống đồng phát cho các ngành khác nhau. Điều này không những giúp làm giảm năng lượng tiêu thụ mà còn cung cấp điện cho các ngành khác trong trường hợp mất điện. 1.7. Cải tiến trong hệ thống đồng phát Hệ thống đồng phát dựa trên hơi nước (chu trình đáy) có thể sử dụng trong điều kiện tỷ lệ hơi nước so với lượng điện cao. Nếu tỷ lệ này thấp, hệ thống đồng phát dựa trên tuabin khí (chu trình đỉnh hay chu trình kết hợp) sẽ phù hợp hơn. Hệ thống này sẽ cho phép sản sinh lượng điện tối đa mà không cần cung cấp thêm hơi nước hay năng lượng, đồng thời cũng tạo ra hơi nước cho toàn bộ quá trình. 1.8. Bịt kín các điểm rò rỉ Ngăn các điểm rò rỉ trong Hình 1. Các nội dung cơ bản của sản xuất sạch hơn Công nghệ sản xuất mới Cải tiến thiết bị Tạo ra sản phẩm phụ Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2013 33 Kt qu nghiên cu KHCN ngăn ngừa, giảm thiểu chất thải tại nguồn phát sinh, qua đó giảm được ô nhiễm môi trường, đồng thời giảm định mức tiêu hao nguyên liệu năng lượng cho một đơn vị sản phẩm và giảm chi phí cho xử lý chất thải. Do đó, SXSH thực sự mang lại hiệu quả kinh tế cho các cơ sở sản xuất và bảo vệ môi trường một cách tích cực, chủ động. Các giải pháp ngăn ngừa, giảm thiểu chất thải không chỉ đơn thuần là thay đổi thiết bị, mà còn là các thay đổi trong vận hành và quản lý của một doanh nghiệp. Các thay đổi được gọi là "giải pháp sản xuất sạch hơn" có thể được chia thành các nhóm chỉ ra trong Hình 1. Như vậy, với mục tiêu giảm và kiểm soát khí thải có chứa các tác nhân gây BĐKH, một số giải pháp SXSH có thể thực hiện được trong một số ngành công nghiệp được tóm tắt như sau: 1. Trong ngành sản xuất xi măng (Bảng 1). 2. Trong ngành sản xuất gạch nung (Bảng 2). 3. Trong ngành đúc kim loại (Bảng 3). 4. Trong công nghiệp luyện thép điện hồ quang Trong ngành này, một số giải pháp SXSH có thể được áp dụng như sau: - Loại bỏ chất phi kim loại, băm chặt nhỏ nguyên liệu, thậm chí đóng bánh để tăng tỷ trọng của thép phế, giảm số lần nạp liệu, tăng năng suất sử dụng thiết bị và đặc biệt là giảm phát thải ra môi trường. - Vận hành lò điện chế độ siêu cao công suất nhằm nâng cao công suất, giảm thời gian luyện, giảm tiêu hao điện cực, giảm lượng khí thải, tăng tuổi thọ gạch chịu lửa. - Làm nguội tường lò và nắp lò bằng nước nhằm tăng tuổi thọ gạch chịu lửa, có thể sử dụng công nghệ chế độ siêu cao công suất và thu hồi nhiệt. Bảng 1. Một số giải pháp SXSH giảm và kiểm soát khí thải trong sản xuất xi măng Dòng thải chính/ vấn đề quan tâm Nguyên nhân Giải pháp sản xuất sạch hơn Bụi, khói lò tại công đoạn sấy nguyên liệu và nung Clinke. Thiết bị hở, bao che không tốt Che chắn, bít kín những điểm phát sinh bụi. Quạt hút và thiết bị xử lý bụi không hiệu quả. Tăng công suất quạt hút. Cải tạo hệ thống thiết bị tách bụi để giảm bụi, giảm tiêu thụ nguyên liệu, tăng sản phẩm. Sử dụng nhiên liệu có hàm lượng S cao. Sử dụng nhiên liệu có S thấp (Than Quảng Ninh, dầu DO). Chế độ cháy của lò chưa tốt. Điều chỉnh đủ lượng không khí cấp vào lò, bố trí cửa cấp gió hông lò và vận hành đúng chế độ cấp than . Tiêu hao nhiên liệu cao làm phát sinh nhiều chất thải. Xây dựng kho có bao che để chứa nhiên liệu, nguyên liệu nhằm giảm độ ẩm than khi sấy, nung. Tận dụng tiềm năng nhiệt khói lò để sấy sơ bộ nguyên liệu. Bảo ôn lò sấy và lò nung tốt để tiết kiệm nhiệt, giảm tiêu hao nhiên liệu. Sử dụng chất thải hữu cơ làm nhiên liệu phụ (lốp ôtô, bùn hữu cơ). Khí độc thoát ra khi sử dụng các loại phụ gia để hạ nhiệt độ nung (ví dụ CaF2). Sử dụng phế thải của ngành luyện kim ít độc hại (như xỉ lò cao, xỉ luyện kẽm). 34 Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2013 Kt qu nghiên cu KHCN hoá nhiệt độ và thành phần giúp tiết kiệm năng lượng, giảm thời gian tinh luyện một mẻ thép, tăng năng suất, giảm tiêu hao điện cực, tiết kiệm các yếu tố hợp kim và đặc biệt là giảm phát thải ra môi trường. - Tự động hoá cũng góp phần tăng năng suất, giảm tiêu hao năng lượng và giảm phát thải ra môi trường. - Nung sơ bộ thép phế làm giảm thời gian nấu luyện và giảm phát thải bụi khoảng 20% do khí thải đi qua liệu bụi được giữ lại như qua một phin lọc. - Sử dụng hệ thống nước làm mát khép kín để tiết kiệm nước và giảm năng lượng cho bơm. - Sử dụng lại xỉ lò điện cho các ngành công nghiệp khác. - Tái sử dụng bụi lò điện, thu hồi kẽm và kim loại nặng. - Sử dụng công nghệ cháy sau kết hợp với xử lý khói, tận dụng tối nhiệt hoá học của khí CO và H2, tránh các phản ứng không kiểm soát được của thiết bị xử lý khí thải, giảm phát thải các chất hữu cơ, thậm chí giảm phát tán các hạt hữu cơ dạng mịn như PCB hay PCDD/F. 3. Các giải pháp kiểm soát chất lượng khí thải Nhìn chung, bên cạnh các giải pháp công nghệ và SXSH, các nguồn khí thải của các ngành công nghiệp phát thải khí nhiều như đã kể ở trên bắt buộc vẫn phải sử dụng các thiết bị xử lý khí thải. Các khí gây BĐKH như đã trình - Phun ôxy-nhiên liệu và phun ôxy giúp quá trình nóng chảy thép phế được đều dặn, ổn định, đồng thời giảm tiêu hao năng lượng điện nhờ nhiệt do quá trình cháy nhiên liệu toả ra, gián tiếp làm giảm KNK. - Hệ thống ra thép ở đáy lò giúp giảm lượng xỉ ôxy hoá, giảm tiêu hao vật liệu chịu lửa và giảm mất mát năng lượng. - Công nghệ xỉ bọt trong lò giúp ổn định hồ quang tốt hơn, bức xạ nhiệt giảm nên giảm tiêu hao năng lượng, điện cực graphit, tiếng ồn và tăng năng suất thiết bị. - Tinh luyện thùng đối với một số bước công nghệ không cần sử dụng lò hồ quang như khử lưu huỳnh, hợp kim hoá, đồng đều Bảng 2. Một số giải pháp SXSH giảm và kiểm soát khí thải trong sản xuất gạch tunnel Dòng thải chính/ Vấn đề quan tâm Nguyên nhân Giải pháp sản xuất sạch hơn Bụi phát sinh trong quá trình vận chuyển nguyên liệu (than, đất sét) gạch mộc và xếp dỡ gạch sản phẩm. Nguyên liệu bị khô sẽ sinh bụi trong quá trình vận chuyển, cán, nhào nguyên liệu. Phun nước giữ độ ẩm đất trong quá trình ngâm ủ tại cửa nạp liệu máy cán nhào Lắp hệ thống hút xử lý bụi tại khu phơi, xếp gạch mộc và dỡ gạch sản phẩm khi ra lò. Khói lò nung gạch gây ô nhiễm không khí: chứa bụi, khí độc và nóng SO2, CO... Do sử dụng than có hàm lượng S và độ tro cao Thay thế than có hàm lượng S và độ tro thấp. Thay đốt than bằng đốt dầu ở đỉnh lò. Không có hệ thống xử lý khí thải, thu hồi nhiệt. Cải tạo đường ống thu hồi nhiệt lò nung cấp cho lò sấy và lắp đặt hệ thống khử bụi và SO2 . Dùng quạt thổi ngược ở đầu lò ra gạch để thu hồi nhiệt, giảm nhiệt độ và bụi gạch ra lò. Bố trí phòng đệm có cửa chắn để giảm tổn thất nhiệt khi nạp goòng gạch mộc vào lò. Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2013 35 Kt qu nghiên cu KHCN bày chủ yếu là khí axit và hợp chất hữu cơ, do đó thiết bị xử lý khí thải trình bày dưới đây cũng tập trung vào hai nhóm đó. Riêng khí metan phát sinh trong công nghiệp khai khoáng và các bãi chôn lấp chất thải chỉ áp dụng các giải pháp thông gió, thu gom để sản xuất năng lượng. 3.1. Các thiết bị xử lý khí axit Đối với khí thải có tính axit, phương pháp xử lý thông dụng là phương pháp hấp thụ. Nguyên lý của phương pháp này là cho khí thải tiếp xúc với chất lỏng; khi đó các khí này hoặc được hoà tan trong chất lỏng hoặc biến đổi thành chất ít độc hơn. hiệu quả của phương pháp này phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc bề mặt giữa khí thải và chất lỏng, thời gian tiếp xúc, nồng độ môi trường hấp thụ và tốc độ phản ứng giữa chất hấp thụ và khí. Sau đây xin giới thiệu một số thiết bị phổ biến. a. Tháp sủi bọt: Nguyên lý làm việc: Lượng nước cấp vào đĩa vừa đủ để tạo một lớp nước có chiều cao thích hợp, dòng khí đi từ dưới lên trên qua đĩa đục lỗ, làm cho lớp nước sủi bọt. Có thể xử lý được một số loại khí như SO2, NOx, và bụi. Tuy nhiên hiệu quả xử lý khí lại không cao. Trong trường hợp xử lý SO2, người ta có thể thay dung dịch hấp thụ là nước bằng magie oxit. Ưu điểm của tháp hấp thụ là không cần lớp đệm bằng vật liệu rỗng, do đó thiết bị không bị tắc nhưng do dòng không khí phải sục qua lớp dung dịch nên sức cản khí động của hệ thống tương đối cao; Vì vậy vận tốc dòng không khí đi qua tiết diện ngang của thiết bị hấp thụ bị hạn chế. b. Tháp phun: Thiết bị này xử lý được khí thải chứa cả bụi và khí ô nhiễm. Trên Hình 2 là cấu tạo của thùng rửa khí rỗng, trong đó chất lỏng được phun từ trên xuống thành hạt nhỏ tiếp xúc với dòng khí cần xử lý đi ngược chiều từ dưới lên. Cũng có thể bố trí vòi phun ở 4 phía xung quanh và phun theo phương ngang vào dòng khí. Vận tốc dòng khí vào thiết bị 0,6-1,2 m/s. Thiết bị này chỉ phù hợp với những khí dễ hòa tan. Có những ưu điểm như: giá thành thiết bị nhỏ, trở lực bé nhất, kích thước tương đối nhỏ. Nhược điểm: hiệu quả thiết bị thấp khoảng 50%, chỉ hiệu quả với khí tan tốt trong chất lỏng hay dễ phản ứng với chất lỏng và cần tỷ lệ lỏng/khí lớn. c. Scrubber Venturi: Cấu tạo của thiết bị: ống thắt eo Venturi 1 nối theo phương tiếp tuyến vào thân hình trụ 2. Tại chỗ thắt của ống Venturi có lắp vòi phun nước 2. Nước phun cùng trục Bảng 3. Một số giải pháp SXSH giảm và kiểm soát khí thải trong đúc kim loại Dòng thải chính/ Vấn đề quan tâm Nguyên nhân Giải pháp sản xuất sạch hơn Khói lò nung kim loại gây ô nhiễm không khí: chứa bụi, khí độc và nóng SO2, CO, hơi kim loại,... Do sử dụng than có hàm lượng S và độ tro cao Thay thế than có hàm lượng S và độ tro thấp. Thay thế dần đốt than bằng đốt dầu và tiến dần sang đốt gas. Do sử dụng quặng hoặc phế liệu chất lượng thấp Lựa chọn quặng và phế liệu chất lượng tốt Tiền sấy phế liệu, tận dụng nhiệt thừa từ lò nung Chế độ bảo quản nguyên liệu tốt (Trong kho hoặc che phủ bãi chứa) Không có hệ thống xử lý khí thải, thu hồi nhiệt. Lắp đường ống thu hồi nhiệt lò nung cấp cho lò sấy phế liệu và lắp đặt hệ thống khử bụi và hơi khí độc. Tối ưu hóa chế độ đốt, lắp đặt các thiết bị kiểm soát tự động. 36 Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2013 Kt qu nghiên cu KHCN cùng chiều với dòng khí chuyển động với tốc độ cao trong chỗ thắt của ống Venturi, nước bị xé nhỏ thành những giọt mịn làm cho diện tích tiếp xúc giữa khí và nước tăng cao. Thiết bị Scrubber Venturi có thể xử lý được NOx, SO2, và một số loại khí khác ở dạng sương mù, đồng thời có hiệu quả tốt trong xử lý bụi. Hiệu quả xử lý của thiết bị đối với một số loại khí khác nhau cũng khác nhau. d Tháp đệm Tháp đệm là một dạng thiết bị trao đổi chất được sử dụng để thực hiện quá trình hấp thụ. Quá trình hấp thụ giữa chất khí (chất bị hấp thụ) và chất lỏng (chất hấp thụ) xảy ra trên bề mặt của vật liệu đệm. Theo cấu tạo người ta phân thành hai loại tháp đệm chính là: tháp đệm đứng và tháp đệm ngang (xem Hình 2). Theo chiều tiếp xúc giữa chất khí và dung dịch hấp thụ người ta chia tháp đệm làm 3 loại là thiết bị ngược chiều, thiết bị cùng chiều và thiết bị dòng cắt ngang. Thiết bị hấp thụ có lớp đệm có thể xử lý được nhiều loại khí khác nhau. Dung dịch hấp thụ được sử dụng có thể là nước, sữa vôi, amoniac, tùy theo chất khí cần xử lý. Tuy nhiên, tháp đệm chỉ có hiệu quả cao với các chất khí dễ hòa tan như: SO2, HF, Cl2, đồng thời có tác dụng lọc bụi trong khí thải, còn với NOx hiệu quả xử lý lại tương đối thấp. Nhược điểm của thiết bị là giá thành đầu tư và tổn hao áp lực còn cao, nước thải bị nhiễm bẩn và nhiều khi cũng cần có thiết bị xử lý nước kèm theo. 3.2. Thiết bị xử lý khí hợp chất hữu cơ Các hợp chất hữu cơ chỉ có hiệu quả cao khi được xử lý qua bằng phương pháp hấp phụ, tuy không phải là tất cả các chất đều có thể xử lý được. Hấp phụ là quá trình phân ly khí