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.

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), thép Đà Nẵng…). Mục tiêu chung là "sản xuất bền vững, giảm thiểu phát thải KNK đổi mới thiết bị công nghệ, cải thiện sản xuất để nâng cao hiệu quả của từng nhà máy sản xuất thép ở Việt Nam".

Sự phát thải khí tác nhân gây ô nhiễm 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.

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 xuất hiện chuyển đổi pha (rắn → biến mền → chảy → đông đặc → nung → gia công áp lực → làm nguội …) và được đặc trưng bằng 4 quá trình sau đây:

Đốt cháy nhiên liệu để nung, nấu chảy nguyên liệu trong lò gồm: Cháy cácbon (C); Cháy ôxít cácbon (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 ôxy hóa trong luyện thép đã hình thành các pha khí, pha lỏng gồm: ôxy hóa các bon, ôxy hóa silic và ôxy hóa phốt pho. Quá trình khử tạp chất (lưu huỳnh, phốt pho).

Tất cả các công đoạn của sản xuất gang thép đều phát sinh ra lượng khí 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/T HMT và than phun là 135 kg/T HMT. Ở Việt Nam mức tiêu hao than cốc 700÷800 kg/T HMT và than phun: 90÷100 kg/T HMT. Vì thế, hiện đang tìm mọi biện pháp để hạ dần xuống mức: 500 ÷ 600 (kg cốc/T HMT).

Luyện thép bằng lò điện hồ quang có sử dụng một lượng nhỏ than (để tạo xỉ bọt, tăng cácbon trong thép…). Quá trình đốt cháy, nung chảy nguyên vật liệu trong lò EAF đã phát khí thải (0,5÷1 tấn/T 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 ôxy hóa cácbon 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/T thép thô.

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/Tsp), ở các nước phát triển tiêu hao dầu trong cán thép thấp (15 ÷ 21 lít/Tsp).

Các giải pháp giảm KNK trong sản xuất gang thép ở Việt Nam

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 là:

Trong luyện gang giảm tiêu hao than cốc tới mức 500 ÷ 600 kg cốc/T HMT và than phun tới mức 90÷100 kg/T HMT; Cán thép giảm tiêu hao dầu dưới 20 lít/Tsp.

Đổi mới công nghệ và thay đổi nhiên liệu để 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…); Sử dụng nhiên liệu sạch và tiết kiệm năng lượng trong sản xuất gang, phôi thép và cán thép ở Việt Nam. 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…).

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.

Xử lý nguyên, nhiên liệu cho quá trình luyện gang: 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 và BĐKH.

Tiết kiệm năng lượng trong sản xuất gang thép: 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:

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.

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 ôxy để giảm tiêu hao than coke…

Sử dụng khí thải và nhiệt dư trong sản xuất gang và luyện coke cho sản xuất phôi thép: Trong khí thải lò luyện coke, luyện gang, luyện thép lò chuyển chứa lượng các chất (như: CO, H₂, CnHm …) có thể sử dụng làm nhiên liệu cho quá trình nung, đốt, tái sinh ra năng lượng mới bằng các giải pháp sau:

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…).

Nâng cao hiệu quả đầu tư các dự án trong ngành thép Việt Nam phù hợp với BĐKH và nước biển dâng: Ngoài những tiêu chí lựa chọn đầu tư các dự án trong ngành thép cần phải tính đến những thách thức về BĐKH, BVMT và TKNL. Vì thế cần thực hiện đồng bộ và chú trọng đầu tư các dự án theo trình tự sau: Đầu tư công nghệ trong khai thác và chế biến khoáng sản tiên tiến và hiện đại nhằm đạt được năng suất cao, hiệu quả kinh tế lớn, an toàn lao động và BVMT.

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 nhà máy thép của Việt Nam phù hợp với BĐKH và nước biển dâng. Trong bối cảnh phát triển sản xuất bền vững và xu thế BĐKH, việc lựa chọn địa điểm nhà máy sản xuất gang thép 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 lựa chọn địa điểm hợp lý, kiến trúc nhà xưởng phải đáp ứng các yếu tố ảnh hưởng của BĐKH. Công nghệ phải đảm bảo phát triển bền vững và tiết kiệm năng lượng, giảm thiểu lượng KNK phát thải từ các lò luyện kim, 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.

Từ các phân tích nêu trên, ngành thép Việt Nam cần tiếp tục hoàn thiện chiến lược, chương trình hành động nhằm mục tiêu phát triển ngành sản xuất gang thép và BVMT bền vững phù hợp với các kịch bản BĐKH và nước biển dâng. Trước tiên, phải chú trọng đến việc đào tạo nguồn nhân lực, nâng cao hiểu biết, không chỉ trong lĩnh vực chuyên môn, chuyên ngành mà còn phải kết hợp với các giải pháp kỹ thuật thuộc ngành khác có liên quan như: khoa học khí hậu, năng lượng, giao thông, môi trường… Lựa chọn giải pháp công nghệ mới phù hợp cho sản xuất gang thép, sử dụng tiết kiệm và hiệu quả năng lượng, giải pháp phát triển kinh tế với BVMT nhằm giảm lượng phát thải KNK, ứng phó kịp thời với sự BĐKH trong giai đoạn 2015 - 2015.

TS. Nghiêm Gia; KS. Vũ Trường Xuân

Tổng Công ty thép Việt Nam