KHÍ THẢI TỪ QUY TRÌNH LUYỆN CỐC TRONG NHÀ MÁY THÉP LIÊN HỢP

25-05-2017
Trần Tam
Professor
Department of Energy & Resources Engineering
Chonnam National University
South Korea

Người viết có hơn 35 năm làm việc trong ngành chế biến và xử lý tài nguyên khoáng sản và từ chất thải công nghiệp tại công ty thép BHP (1980-1987), nguyên GS Đại Học New South Wales (Úc) (làm việc trong khoảng 1987-2008) và GS Khoa Công Nghệ Năng Lượng và Tài Nguyên CNU (2008-hiện tại). Ông hiện cũng đang là Executive Director công ty Ecomag (www.ecomagnesium.com) triển khai dự án thu hồi magnesium (Mg) từ nước thải (bitterns) sau khi sản xuất muối biển tại Tây Úc (WA, Australia). 

Bài viết đưa ra những yếu tố khoa học cơ bản của chất thải từ khâu Luyện Cốc trong quy trình sản xuất thép liên hợp.

Trong nhà máy gang thép liên hợp, khâu luyện cốc gây tác động môi trường cao nhất. Chất thải từ luyện cốc (gồm chất thải dạng khí hay nước thải) phải được xử lý qua nhiều quy trình chặt chẽ trước khi xả thải ra môi trường. Trong thành phần thải, đáng chú ý nhất là các chất hydrocarbon phức vòng/thơm thuộc nhóm polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) vì rất độc hại và có thể gây ung thư. Trong nhóm này benzo(a)pyrene (BaP) là chất độc hại nhất, mà Mỹ, EU đặt chuẩn rất gắt gao theo khuyến cáo từ WHO, dưới 1,0 ng/Nm3 cho không khí gần nhà máy.

1. Quy trình công nghệ thép

Quy trình nhà máy thép liên hợp (integrated steel mills) như hình 1.1 dưới đây [1] cho thấy các tác động môi trường trong lúc sản xuất thép có thể từ: (a) nước thải (liquid effluents), (b) khí thải (atmospheric emissions) và (c) xỉ gang/thép (iron/steel slags). Hai loại chất thải đầu gây ảnh hưởng nhiều nhất, vì xỉ gang/thép có thể được tái sử dụng như đá làm đường hoặc chế biến xi măng.

Để sản xuất 1 tấn gang cần 1,5 tấn quặng sắt, 0,5-0,65 tấn than đá và than, 0,25 tấn đá vôi (limestone) hoặc dolomit. Sau đó, nhà máy gang sẽ thải 0,2-0,4 tấn xỉ, và một lượng lớn chất thải lỏng và khí.

Khâu chế biến quặng sắt thỏi (sintering/pelletising), luyện cốc (coking), luyện sắt (iron making dùng blast furnace) và luyện thép (steel making dùng basic oxygen furnace-BOF) đều có chất thải chứa hydrocarbon cần xử lý. Các khâu sau như cán, cuộn và rửa thép thường không xả nhiều chất thải độc hại ngoài chromium (Cr), acid (phosphoric, sulphuric hoặc hydrochloric) dùng để rửa thép.

Khâu luyện/chế tạo cốc (coking) sẽ thải khí gồm bụi hạt (particulates), CO/CO2, ammonia (NH3), NOx (NO/NO2), SOx (SO2/SO3), chất hữu cơ vòng/polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), phenol, benzene, v.v. Nước thải từ khâu này cũng chứa COD/BOD (chemical and biological oxygen demands, các chất làm giảm oxy trong nước), chất rắn lơ lửng (suspended solids, SS), xyanua (CN), ammonia (NH3), phenol, PAH, v.v..Các chất hữu cơ độc hại (toxics) như PAH, benzene thường được tạo ra trong khâu luyện cốc này (Hình 1.2).


Hình 1.1: Quy trình sản xuất thép từ nhà máy liên hợp [1] với vác khâu chính gồm nung đá vôi (lime burning), luyện cốc (coking), luyện sắt (iron making) dùng Blast Furnace và luyện thép (Steel making) dùng Basic Oxygen Furnace (BOF).


Hình 1.2: Khu luyện cốc (coking) – nguyên liệu chính cùng chất thải (dựa theo tham khảo [3]). Hình từ nguồn [3], [11] (ClimatetechWiki)

2. Quy Trình sản xuất cốc

Theo Wikipedia, than cốc là sản phẩm cứng và xốp có màu xám, thu được nhờ quá trình luyện cốc của than mỡ (metallurgical/coking coal, loại than có thể tự tạo ra chất kết dính khi được nung ở môi trường yếm khí). Tính theo hàm lượng thì than cốc chứa >90% С, phần còn lại là НSNO. Độ xốp đạt 49-53%, tỷ trọng riêng khoảng 1,80-1,95 g/cm³, tỷ trọng biểu kiến khoảng 1 g/cm³, còn tỷ trọng khi ở dạng rời là khoảng 400–500 kg/m³, độ tro 8-9%, tỷ lệ các chất dễ bay hơi khoảng 1%. Độ ẩm tương đối khoảng 2-4% và không lớn hơn 0,5% khối lượng. Giới hạn sức bền khi bị nén là 15-25 MPa, khi bị cắt (đặc trưng cho tính bền vững đối với sự cắt) 6-12 MPa, năng suất tỏa nhiệt 29-30 MJ/kg [1-3].

Than mỡ được nung (luyện cốc) trong môi trường yếm khí ở nhiệt độ 1000-1100 oC, sau đó được làm nguội qua quy trình dập cốc ướt – DCU bằng nước (Coke Wet Quenching) hay dập cốc khô – DCK (Coke Dry Quenching) dùng khí trơ (nitrogen/nitơ), để giảm nhiệt độ xuống dưới 300 oC, trước khi đưa vào lò luyện gang.

So sánh 2 công nghệ DCK và DCU cho thấy DCK sẽ thải ít chất độc hại ra môi trường và còn thu hồi được nhiệt để dùng trong nhà máy.

Bảng 1: So sánh hai công nghệ Dập Cốc Khô và Dập Cốc Ướt (Nguồn [5, 16])

 

Công nghệ dập cốc ướt

Công nghệ dập cốc khô

Cách thức làm nguội

Làm nguội cốc bằng nước

Làm nguội cốc bằng khí trơ nito

Thời điểm phát triển công nghệ

Công nghệ trước những năm 1980

Từ đầu thập niên 1990’s - phát triển nhanh nhờ Nippon Steel Corp (Nhật); từ năm 2000 sang Trung Quốc (43 nhà máy đến năm 2006), Ấn Độ (14 nhà máy từ 2006), EU (Ba Lan, Phần Lan từ 1998, v.v)

Quốc gia sử dụng

Việt Nam, EU, Mỹ trước 1980, ngoại trừ được cập nhật 

Korea, Nhật, 40% nhà máy ở Trung Quốc, những nhà máy mới xây

Năng lượng thu hồi

Không

- Điện: 150 GWh/năm + Hơi nước (steam): 450 Gwh/năm cho công suất 1 triệu tấn thép/năm (450.000 tấn cốc/năm).
- Khoảng 1,5 GJ nhiệt/tấn cốc (400 - 500 kg hơi nước/tấn cốc) + 0,55 GJ điện/tấn cốc. 

Giảm năng lượng sản xuất thép

 

Từ 5,6 GJ/tấn cốc xuống 4,6 GJ/tấn cốc (tương đương giảm khoảng 2 GJ/tấn thép thô)

Nước

Dùng từ 2-3 m3 nước/tấn cốc. Mất qua bốc hơi từ 15-20%

Không dùng nước làm nguội cốc

Khí CO2

>0,1 m3 CO2/tấn cốc

Khoảng 0,04 m3 CO2/tấn cốc

Nguy cơ ô nhiễm và chất ô nhiễm chính

- Tạo nhiều nước thải (dầu hắc ín, PAH, các chất hữu cơ, v.v)
- 10-15 mg/Nm3 bụi cốc theo hơi nước khó thu hồi

- Bụi cốc 5 mg/Nm3 khí thải, nhiều PM 2,5 (hạt nhỏ 2,5 microns) chứa PAH, các chất hữu cơ, v.v
- Hắc ín từ khí lúc luyện cốc phải được thu hồi và chế biến giống như công nghệ dập cốc ướt

Mức độ an toàn với môi trường

- Khó xử lý nước thải

- Thu hồi, xử lý chất thải đơn giản hơn
- Bụi cốc có thể tái sử dụng để đốt

Chi phí khi xây dựng nhà máy

Thấp hơn 110 USD/tấn cốc

110 USD/tấn cốc 

 

3.  Chất Thải từ Luyện Cốc

Khâu luyện cốc thải khí phần lớn từ lò luyện, nhất là khí rò rỉ từ lò hoặc khuếch tán trong khi chuyển cốc sau khi luyện sang phần dập cốc. Các chất thải lỏng (liquid waste) và nước thải (wastewater) cũng có nhiều trong lúc luyện cốc.

3.1 Khí thải

Lò luyện cốc tạo rất nhiều chất khí khi than được nung đến 1100 oC, gồm methane, hydrogen, các chất hữu cơ vòng/thơm PAH-polyunsaturated aromatic hydrocarbon, chất dung môi BTX (benzene, toluene, xylene), NH3, H2S, v.v.
Theo báo cáo Phương Pháp Tốt Nhất trong Ngành Sản Xuất Gan Thép - 2012 (Best Available Techniques-BAT-Refererence Document for Iron/Steel production) từ EU, khí từ lò luyện cốc và lượng thải từ các nhà máy thép ở Châu Âu gồm những chất sau:
Bảng 2: Khí chưa xử lý từ lò luyện cốc (theo hình 1.2) trong các nhà máy gang thép EU [3].


Thành phần

Thông số (3)

Đơn vị

Lượng khí sản xuất

280 - 450

m3/t than

Tỷ trọng

0,42 – 0,65

Kg/Nm3

Hydrogen - H2

39 - 65

Vol%

Methane - CH4

20 - 42

Vol%

Chất hữu cơ – CxHy(1) và PAH(2)

2,0 – 8,5

Vol%

CO

4,0-7,0

Vol%

CO2

1 - 3

Vol%

Benzene-Toluene-Xylene (BTX)

20 - 30

g/Nm3

NH3

6 - 8

g/Nm3

H2S

4 - 12

g/Nm3

Chú thích:

  • CxHy gồm các chất hữu cơ: khí ethane, propane, butane, acetylene, ethylene – các hữu cơ lỏng, dầu hắc ín (tar),

  • PAH – Polycyclic aromatic hydrocarbon (hydrocacbon vòng/thơm) – gồm 16 chất hữu cơ vòng chính độc hại như anthracene, phenanthrene và nhất là benzene(a)pyrene (BaP) là chất có thể gây ung thư cao nhất. Danh sách 16 PAH này do US-EPA khuyến cáo (xem chi tiết phần 3.5)

  • Thông số cao là từ các nhà máy cũ.

Khí từ lò luyện cốc phải qua khâu xử lý bằng nước ammoniac (NH4OH, 2-4 m3/t than cốc) để giảm nhiệt độ khí xuống 25-30 oC.  Quy trình này sẽ loại bỏ hoặc thu hồi các chất độc hại như H2S, CxHy, PAH. Các chất BTX cũng được thu hồi để chế biến các thành phẩm dung môi như benzene, toluene và xylene. Nước ammoniac sau khi thu hồi ammonia (NH3) sẽ được tái sử dụng và phần nước thải sẽ được xử lý chung với các chất thải lỏng khác trong nhà máy gang thép. Sau xử lý, khí than cốc sạch (cleaned coke oven gas) sẽ được tái sử dụng trong các khâu khác của nhà máy gang thép.

Khí thải sau khi xử lý từ khâu luyện cốc gồm các chất độc hại theo bảng thống kê sau [3] từ nhiều nhà máy, cả cũ và mới ở EU (Bảng 3, với các thông số cao là từ nhà máy cũ hơn vài chục năm).

Bảng 3: Thành phần của khí thải từ lò luyện cốc sau khi xử lý (theo hình 1.2) của các nhà máy ở EU [3].


Thành phần

Đơn vị

Thông Số

Bụi hạt

g/t cốc

15,7 - 298

SOx (SO2/SO3)

g/t cốc

80 - 900

NOx

g/t cốc

336 - 1783

NH3

g/t cốc

0,5 – 24,7

HCN

g/t cốc

0,05 – 1,87

H2S

g/t cốc

12 -  100

CO

g/t cốc

200 - 4460

CH4

g/t cốc

1 - 80

Tổng carbon hữu cơ (TOC)

g/t cốc

12 - 24

Benzene

g/t cốc

0,1 - 45

PAH (từ danh sách 16 PAH, US-EPA)(1)

mg/t cốc

115 - 1091

Chú thích:

  • PAH từ một nhà máy (1,23 triệu tấn cốc/năm) ở Mỹ có trước 1980:  2,72 mg/tấn cốc, Benzo(a)pyrene: 0,15 mg/tấn cốc [4] dùng quy trình DCU và nồng độ PAH cao hơn nhiều so với nhà máy dùng DCK.

3.2 Chất thải lỏng

Nhà máy luyện cốc thải chất lỏng (1 kg/tấn cốc) gồm nhiều chất hữu cơ (gồm cả PAH, benzene) [3] theo bảng 4.

Bảng 4: Chất thải lỏng (theo hình 1.2) từ khâu luyện cốc [3].


Loại thải

Số lượng (kg/tấn cốc)

Tổng dầu hắc ín (tar)

0,71

Dầu (light oil)

0,20

Napthalene

0,02

Nước thải

0,10

Tổng cộng

1,02

Khâu luyện cốc dùng rất nhiều nước để làm nguội khí (6-10 m3/tấn cốc) và cốc (nếu dập cốc ướt), hoặc để khử bụi, v.v. Hơi nước cũng được tạo ra từ lò luyện (0,04-0,06 m3/ tấn cốc) [3]. Phần lớn nước được tái sử dụng và phần nước thải từ các khâu khác nhau (tổng cộng 0,31-0,69 m3/ tấn cốc) chứa phenol, PAH, ammonia (NH3) và xyanua (CN), v.v. [3] phải qua khâu xử lý trước khi xả ra môi trường (bảng 5). Tổng lượng nước thải ra môi trường (effluent) có thể lên đến 2-3 m3/ tấn cốc.

Bảng 5: Nước thải trước và sau khi xử lý của các nhà máy ở EU (các thông số cao là từ nhà máy cũ) [3].


Thành phần

Đơn vị

Nước thải trước xử lý

Nước thải sau xử lý (2)

pH

 

8,5 – 9,5

7,6 – 8,0

Chất lơ lửng (Suspended Solids)

mg/L

30 – 40

<30

COD

mg/L

200 – 6500

45 - 800

Tổng carbon hữu cơ (TOC)

mg/L

835 – 1215

30 - 60

BOD

mg/L

800 - 3000

<20

Phenol

mg/L

500 - 1500

0,1 - <2

SCN

mg/L

150 - 380

<4,0

Total N (Kjendahl)

mg/L

300

3 - 10

Ammonia NH3

mg/L

50 - 200

0,6 - 80

Nitrite

mg/L

-

<1,3

Nitrate

mg/L

-

0 - 27

Dầu & hắc ín (oil & tar)

mg/L

40

5 - 15

PAH (6 Borneff) (1)

mg/L

200

0,2 - <5

Chú thích:

  • 6 Borneff gồm fluoranthene, benzo[b]fluoranthene, benzo[k]fluranthene, benzo[a]pyrene, indeno[1,2,3-cd]pyrene và benzo[g,h,i]perylene.

  • Khuyến cáo của EU cho tiêu chuẩn thải (ppm, mg/L): COD (<220), Sulphide (<0,1), xyanua CN (<0,1), PAH (<0,05), phenol (<0,5) và total N (<15)

3.3 Chất Thải từ Khâu Dập Cốc

Cốc (~1100oC) từ lò luyện sẽ được làm nguội (xuống <300 oC) bằng khí trơ nitơ nếu cốc được dập khô. Qua cách này bụi than/cốc cỡ hạt nhỏ đến 2,5 microns (PM 2,5) sẽ phải được thu hồi để thải hoặc tái sử dụng để đốt trong khâu sintering quặng sắt. 
Công nghệ Dập Cốc Khô (DCK) được các nhà máy gang thép ở Nhật, Korea áp dụng nhiều vì đơn giản hơn trong khâu xử lý chất thải, nếu bụi cốc được thu hồi hoàn toàn. Bụi cốc chứa >80% C (cùng hydrocarbon) có nguồn năng lượng cao có thể tái sử dụng. DCK cũng sẽ thu hồi được nhiệt từ khâu làm nguội này để chế hơi nước dùng trong nhà máy. Khâu DCK sẽ không tạo nước thải nhiều như quy trình DCU-Dập Cốc Ướt. Ngược lại nếu bụi hạt thoát ra ngoài sẽ gây hại nhiều vì PAH và các chất hữu cơ khác sẽ theo bụi hạt làm ô nhiễm môi trường. Công nghệ DCK thường đắt hơn ($US 110/tấn cốc) khi xây nhà máy so với DCU [5].


Hình 3.1:  Khâu Dập Cốc Khô – DCK: Cốc được thả xuống hệ thống làm nguội bằng khí trơ (Hình từ nguồn [3])

Công nghệ dập cốc ướt (DCU) dùng nước để làm nguội cốc từ 1100 oC xuống nhiệt độ <300 oC trước khi đưa cốc vào lò luyện gang. Một hệ thống xe đẩy đưa cốc từ lò luyện sang cột dập (hình 3.2) để làm nguội, với lượng nước dùng trong khoảng 1-3 m3/ tấn cốc. Một lượng nước khoảng 0,5-1 m3/ tấn cốc chuyển thành hơi nước và phải được thay thế bằng lượng nước sạch mới [3].


Hình 3.2: Dập Cốc Ướt (DCU) - Cốc được đưa sang cột dập cốc và làm nguội bằng nước [6].

Công nghệ DCU sẽ tạo nhiều chất thải lỏng gồm dầu hắc ín (tar), PAH và các chất hữu cơ như benzene, phenol, v.v. tương tự như từ khâu làm nguội khí thải.

3.4 Xử lý chất thải từ khâu luyện cốc

Khâu luyện cốc sẽ thải khí, chất thải rắn và nước thải, được xem là khó xử lý nhất trong nhà máy gang thép liên hợp.

Khí thải phần lớn từ lúc luyện cốc trong lò. Tuy nhiên một phần không nhỏ khí thoát ra từ rò rỉ (fugitive emission) hoặc trong lúc chuyển cốc từ khâu này sang khâu khác (ví dụ từ lò luyện sang khâu làm nguội), nhất là với các nhà máy loại cũ hay đã qua sản xuất nhiều năm.

Khí thải gồm nhiều chất hữu cơ độc hại nhóm PAH, cùng với SOx, NOx, CO, H2S, NH3 phải được xử lý trước khi thải. Khó nhất trong khâu xử lý khí thải là làm sao giảm PAH, nhất là chất benzene(a)pyrene (BaP) được xem là độc hại nhất có thể gây ung thư với lượng nhỏ thải ra môi trường. Do vậy nhiều nhà máy thép ở EU chỉ được phép thải trong phạm vi nào đó để vùng 1-2 km quanh nhà máy chỉ chứa 1 ng BaP/Nm3 không khí (1miligram, mg = 1 triệu nanogram, ng).

Đối với các công nghệ tiên tiến như của công ty ThussenKrupp (Đức) [6] khí thải được thu hồi, tách phần hắc ín (tar) để chế biến thành phẩm phenol, BTX (benzene-toluene-xylene), dầu nhẹ (light oil), naphthalene, v.v. Các khí SOx, NOx, NH3, H2S được thu hồi xong chế biến thành phẩm NH4SO4 hoặc S, NH4NO3.

Các chất thải rắn, kể cả bụi cốc (coke breeze) chứa nhiều benzene, phenol, PAH thường được đưa về lò luyện hoặc đốt trong các lò nung riêng.

Nước thải được xử lý bằng phương pháp sinh học để giảm BOD, xyanur CN, Tổng N, phenol, PAH, v.v. Bùn thải sau khi xử lý nước thải từ khâu luyện cốc cũng sẽ hoặc được đốt hoặc chôn ra môi trường. Khuyến cáo của EU cho tiêu chuẩn thải (ppm, mg/L): COD (<220), Sulphide (<0,1), xyanua CN (<0,1), PAH (<0,05), phenol (<0,5) và total N (<15).

3.5 Chất thải PAH từ nhà máy sản xuát thép – Kinh nghiệm trên thế giới

Độc hại nhất trong thành phần các chất thải từ khâu luyện cốc là PAH (có hơn 500 chất PAH). Các quy định thải PAH thường theo 6 chất PAH chính (danh sách Borneff, bảng 5) hoặc 16 PAH từ US- EPA (Environmental Protection Agency/Cơ quan Bảo vệ Môi Trường).

Danh sách 16 PAH từ US-EPA gồm những chất độc hại chính thường tìm thấy trong chất thải từ nhà máy luyện cốc, bao gồm naphthalene (NAP), acenaphthylene (ACY), acenaphthene (ACE), fluorene (FLO), phenanthrene (PHE), anthracene (ANT), fluoranthene (FLA), pyrene (PYR), benz(a)anthracene (BaA), chrysene (CHR), benzo(b)fluoranthene (BbF), benzo(k)-fluoranthene (BkF), benzo(a)pyrene (BaP), dibenzo(a,h)anthracene (DahA).

Theo WHO, BaP là chất độc hại nhất (chiếm khoảng 50% các PAH thải từ nhà máy luyện cốc), thường được các nhà máy gang thép ở EU đo và công bố cho cơ quan giám sát môi trường. WHO [7] đề nghị mức độ rủi ro (Unit Risk) của BaP (từ 1987) là 0,87 x 10-6 (ng/m3)-1 cho 70 năm (trung bình cả đời người, average human life time) và hiện đang được áp dụng bởi nhiều nước trong EU. Mức BaP trong không khí theo khuyến cáo từ EU là 1,0 ng/Nm3. Để xác suất bị ung thư ở mốc 1/1.000.000 (an toàn nhất và không còn nguy hiểm), nồng độ BaP phải liên tục ở mức 0,012 ng/Nm3 theo WHO [7].

Ví dụ vùng không khí quanh khu công nghệ Rhine-Ruhr (Hình 3.3) chứa hơn 4 ng/Nm3 BaP từ 1985 cho đến 1997 mới xuống được dưới mức 1,0 ng/Nm3. Các nhà máy gang thép trong vùng phải đo BaP để đạt trung bình cho năm (Hình 3.4) dưới mức này [8].


Hình 3.3: Nồng độ BaP trong không khí quanh vùng Rhine-Ruhr từ 1985 đến 2010 [8].


Hình 3.4: Nồng độ BaP trong không khí quanh một nhà máy trong vùng Rhine-Ruhr trong năm [8].
Khi nồng độ gần một nhà máy trong vùng lên cao hơn mức 1,0 ng/Nm3, nhà máy này phải làm mô hình để xác định giới hạn nào cách xa nhà máy để nồng độ này sẽ giảm dưới 1,0 ng/Nm3.


Hình 3.5: Mô hình định giới hạn vùng quanh nhà máy ở các nồng độ BaP khác nhau, trong khoảng 1-4 ng/Nm3 [8].

Khảo sát cho 2 nhà máy ở Đức cho thấy với nhà máy mới A, nồng độ BaP 15 ng/Nm3 không khí ở khoảng cách 100 m chỉ xuống dưới 1 ng/Nm3 cách nhà máy 1 km. Ở nồng độ 40 ng/Nm3 BaP cao hơn (nhà máy C), khoảng cách cần thiết phải hơn 1.5 km.

Năm 2006, nhóm nghiên cứu từ trường TUB (Technical University of Bari, Ý) trình thông số của một nhà máy gang thép vùng Taranto (Ý) cho thấy nồng độ BaP trong chu vi 100-200 m nhà máy có thể lên đến gần 1000 ng/Nm3. Nồng độ BaP lên đến 400.000 ng/Nm3 (400 microgram/Nm3) trong vùng không gian ngay trên lò luyện. Để đạt được giới hạn 1 ng/Nm3 BaP cho dân cư sinh sống khoảng cách xa nhà máy phải từ 2 đến 5 km, tùy lưu lượng xả khí và nồng độ BaP trong khí từ lò luyện cốc. BaP đo được trong khoảng 2–25 ng/Nm3 ở khoảng cách 1 km tính từ nhà máy vượt xa mức 1 ng/Nm3 của Ý và WHO [9].


Hình 3.6: Mô hình khuếch tán BaP từ một nhà máy thép ở vùng Taranto, Ý cho thấy sự thay đổi của nồng độ BaP với khoảng cách từ nhà máy thép (Hình từ [9]).

Cần lưu ý là nhà máy gang thép Taranto ở Ý được xem là một trong những nhà máy lớn nhất EU, sản xuất 11 triệu tấn thép/năm và thải 530 triệu m3 khí mỗi năm [9]. Mô hình trên sẽ khác nhiều nếu lưu lượng khí thải thay đổi. Nếu lượng thải hoặc nồng độ thải tăng cao, chắc chắn khoảng cách để đạt 1 ng/Nm3 BaP còn xa hơn nhiều.

Nhà máy ở vùng Taranto này hiện đang trong quy trình sửa đổi và giảm thiểu mức độ ô nhiễm với khuyến cáo từ EU là sẽ đưa công ty ra tòa án quóc tế nếu không giảm mức độ thải (theo Report EU-IP/A/ENVI/2015-13-Oct 2015) [10]. Công ty chủ quản ILVA hiện đang dự phòng sẽ cần 1,2 tỷ USD để khắc phục các hậu quả hủy hoại môi trường đã gây ra [11].

Trước đó vào năm 2013, chính phủ Ý cũng đã tịch thu tài sản (8,1 tỷ EUR) của chủ cũ nhà máy vì đã làm ô nhiểm vùng Taranto [11, 12]. Chính phủ đã cấm không cho các sản xuất nông nghiệp và chăn nuôi được hoạt động trong chu vi 20 km quanh nhà máy [12].

Quan trắc BaP thải từ nhà máy thép ở Genoa (Ý) ra vùng dân cư xung quanh (site 3-5, hình 3.7) trong thời gian hoạt động trước 1998 cho đến khi đóng cửa (từ 2003) cho thấy phải mất vài năm sau đó, BaP mới xuống mức 1 ng/m3 không khí để đạt tiêu chuẩn cho phép ở Ý (2000) theo khuyến cáo của WHO (hình 3.7) [13].


Hình 3.7: Biến đổi của nồng độ BaP trong khoảng thời gian 1998-2004 thải từ nhà máy thép ILVA ở Genoa (Ý).

Ba Lan (Poland) là nước sản xuất cốc nhiều nhất ở Châu Âu [14] với sản lượng 10,96 triệu tấn cốc/năm (trong năm 2015) theo báo của Bigda và đồng nghiệp [14]. Các nhà máy thép cũ ở Ba Lan thải PAH trong khoảng 1000-10.000 mg/tấn cốc (Hình 3.8), cao nhiều so với BREF 2010 từ 100-1000 mg/tấn cốc (Best Available Techniques Reference từ các nhà máy thép chính trong EU). Tuy nhiên, các nhà máy mới ở Ba Lan chỉ xả khoảng trên dưới 100 mg/tấn cốc, nằm trong nhóm BREF tốt nhất từ EU. Mức khí thải xả trung bình cho mỗi tấn cốc là 500 m3/tấn, do đó các nhà máy loại mới ở Ba Lan sẽ thải khoảng 200 microgram/m3 khí. Theo Bigda và đồng nghiệp, phần lớn khí thải rò rỉ (fugitive emission) là từ các hoạt động đẩy cốc ra khỏi lò và chuyển cốc sang khu dập làm nguội.


Hình 3.8: So sánh các nồng độ PAH của khí thải từ các nhà máy thép mới và cũ ở Ba Lan, với BREF (2001, 2010) và từ European Monitoring & Evaluation Program-Core Inventory Air emission (EMEP-CORINAIR 2006) [14].

4.  Áp dụng thế nào cho nhà máy gang thép tại Việt Nam

Các giới hạn về khí thải [15] từ nhà máy luyện cốc tại Việt Nam (QCVN 51:2013/BTNMT) cho phép nồng độ BaP tối đa là Cmax = (0,1 x Kp x Kv) mg/Nm3 khí trong đó:

  • Kp là hệ số lưu lượng nguồn thải từng ống khói của cơ sở sản xuất (Kp = 1 cho lưu lượng <20.000 m3/h,  0,9 trong khoảng 20.000-100.000 m3/h và 0.8 cho lưu lượng >100.000 m3/h,

  • Kv là thông số cho vùng: 1,2 cho vùng nông thôn và 1,4 cho vùng nông thôn miền núi.

Như vậy nếu nhà máy gang thép nằm trong vùng nông thôn ở Việt Nam nồng độ BaP tối đa cho phép sẽ trong khoảng 0,08-0,14 mg/Nm3. Tùy theo lưu lượng khí thải, tốc độ và hướng gió BaP sẽ phân tán theo diện rộng. Khoảng cách bao xa để giảm nồng độ tới đa cho phép trên xuống khoảng 100.000 lần (đến mức 1 ng/Nm3 theo chuẩn WHO) thì cần phải mô hình hóa mới biết được. Các chất độc hại khác trong khí thải hoặc nước thải cũng phải được mô hình hóa để xem độ khuếch tán có dưới mức cho phép hay không và sau đó khoanh vùng an toàn quanh nhà máy.

Giữa năm 2016, trong lúc vận hành thử nhà máy gang thép Formosa đã thả một lượng chất thải không nhỏ ra môi trường làm ô nhiễm môi vùng biển xung quanh Vũng Áng (Hà Tĩnh) gây chết cá. Lúc đó đáng lẽ ra Formosa không phải chỉ đặt trạm quan trắc để đo nồng độ các chất độc hại mà còn phải có hệ thống tự động để chặn không cho nước thải tiếp tục được xả ra ngoài chu vi nhà máy nếu nồng độ các chất độc hại vượt quá mức cho phép.

Hệ thống quan trắc khí thải sẽ khó hơn nhiều và tác động môi trường sẽ không sớm biểu hiện để được cập nhật xử lý kịp thời. Kinh nghiệm ở các nhà máy khác trên thế giới (như ở Đức vùa nêu trên) cho thấy phải mất nhiều năm chỉnh sửa hệ thống xử lý, quan trắc (monitoring) và kiểm soát (control) khí thải thì mới đạt được tiêu chuẩn WHO cho việc xả thải chất chứa PAH. Một vấn đề chính yếu nữa là ô nhiễm không khí rất khó biết, trừ những khí gây mùi như H2S, SO3, hoặc khí có màu như NO/NO2. Tất cả các khí này phải qua xử lý và thu hồi để chế biến thành phẩm acid H2SO4, ammonium sulphate, v.v. Riêng PAH lỏng thu hồi phải qua khâu xử lý sinh học chung với các nước thải khác trong nhà máy. Chỉ cần giám định các thành phẩm phụ như BTX (benzene, toluene, xylene), phenol, ammonium sulphate, hắc ín (tar), v.v thì sẽ biết phần nào khâu xử lý chất thải của một nhà máy gang thép có đạt hiệu quả hay không.

5.  Công Nghệ Làm Thép Không Cần Cốc

Hình 5.1 tóm lược các quy trình làm thép cũ (Blast Furnace-BOF với khâu luyện cốc) và hiện đại (dùng DRI-direct reduction iron hoặc smelting reduction).


Hình 5.1: Quy trình cũ BF-BOF (bên trái) so với 2 quy trình mới (giữa và bên phải) không cần dùng cốc

Các quy trình làm thép mới (hình 5.1, bên phải) như Corex [17], Midrex [18] chế biến quặng sắt dưới dạng thỏi (lumps) hay viên (pellets) thẳng sang sắt (DRI direct reduction iron) qua hệ thống khử oxy trực tiếp (direct reduction) dùng khí đốt (natural gas) hoặc than trong các lò luyện đặc biệt (rotary kiln furnace: lò nung quay, shaft furnace: lò đứng, lò fludised bed). Sắt (DRI) sau đó sẽ được đưa thẳng vào lò điện hồ quang (electric arc furnace, EAF) cùng với thép phế thải để luyện thép.

Công nghệ Finex [19] (hình 5.1, giữa) được phát triển bởi công ty Posco (Korea) cùng với Siemens VAI (Đức) và đưa vào xử dụng từ năm 2003 cũng không dùng hệ thống luyện cốc. Than được đưa thẳng vào lò cùng với oxy để vừa tạo khí khử (reduction gas) cho quặng sắt. Sắt lỏng (hot iron metal) sau đó được đưa sang lò luyện thép, cùng với thép phế thải và oxy để chế thép.

Các công nghệ mới này sẽ lần lượt thay thế hệ thống (BF-BOF) vì chỉ dùng than hoặc khí đốt để luyện sắt. Khâu luyện cốc gây ô nhiễm nhất sẽ không còn là vấn đề làm bận tâm cho việc chế biến sắt thép. Đầu tư ban đầu cho các quy trình mới sẽ đắt hơn nhà máy kiểu cũ, nhưng chi phí xử lý môi trường sẽ giảm rất nhiều, cùng với lưu lượng xả CO2 ra môi trường sẽ ít hơn.

Quy trình gây ô nhiễm nặng BF-BOF đang được xử dụng nhiều nhất là ở châu Á. Trung Quốc năm 2015 theo Word Steel [20] sản xuất hơn 45% sản lượng thép của toàn thế giới (1,62 tỷ tấn) phần lớn (hơn 90%) qua quy trình này theo một tường trình năm 2015 của tổ chức OECD [21]. Trong khi đó công nghệ EAF thường được dùng bởi các nước khác.

OECD ước lượng đến năm 2025 các nước khác (ngoài TQ) sẽ sản xuất gần 1,1 tỷ tấn thép mỗi năm từ công nghệ EAF, chiếm gần 50% sản xuất thép. Và như vậy công nghệ EAF cùng Corex, Midrex, Finex cho việc sản xuất thép sẽ giảm thải khí CO2 cùng các chất độc hại khác ra môi trường.

Kết Luận

Công nghệ BF-BOF xả nhiều chất thải độc hại trong đó có PAH và nhất là BaP là chất có thể gây ung thư nhiều nhất. Khuyến cáo của WHO cho thấy để xác suất bị ung thư xuống đến mức an toàn (1/1.000.000) nồng độ BaP trong không khí phải liên tục ở mức 0,012 ng/Nm3 không khí.

Các công nghệ chế biến thép dựa trên EAF và Corex, Midrex, Finex, v.v đang được các nước trong nhóm OECD đưa dần vào để thay thế công nghệ cũ BF-BOF có quá nhiều nhược điểm cho việc gây nhiều tác động xấu cho môi trường. Ước tính đến năm 2025, công nghệ EAF và các quy trình sạch khác sẽ chiếm gần 50% của sản xuất thép trên thế giới.

Điểm cần nhấn mạnh là trên thế giới hiện nay thị trường sắt thép đã quá dư thừa, với tổng công suất sản xuất lên đến 2,36 tỷ tấn/năm, gần 150% số lượng đang sản xuất toàn cầu (1.62 tỷ tấn/năm) theo tường trình của OECD Directorate for Science, Technology and Innovation Committee [21]. Việt Nam đang khuyến khích đầu tư vào sản xuất thép là điều đi ngược lại với nhận xét khách quan của các chuyên gia trong ngành.

Tham Khảo

  1. http://www.iloencyclopaedia.org/part-xi-36283/iron-and-steel

  2. https://vi.wikipedia.org/wiki/Than_c%E1%BB%91c
    http://www.steel.org/making-steel/how-its-made/processes/processes-info/coke-production-for-blast-furnace-ironmaking.aspx

  3. Best available techiques (BAT) reference document for iron and steel production, EU-JRC reference report, March 2012,  http://eippcb.jrc.ec.europa.eu/reference/BREF/IS_Adopted_03_2012.pdf

  4. Westbrook, C.W., Coy, D.W., Environmental Assessment of dry coke quenching vs continuous wet quenching ,EPA-600/2-80-106 (May 1980).

  5. http://ietd.iipnetwork.org/content/coke-dry-quenching

  6. ThyssenKrupp – Coke Plant Technologies, https://www.thyssenkrupp-industrial-solutions.com/en/downloads/brochures/coke-plant-technologies/

  7. WHO Air quality guidelines,  Chapter 5.9: Polycyclic aromatic carbon (PAH), Regional Office for Europe, Copenhagen, Denmark. http://www.euro.who.int/__data/assets/pdf_file/0015/123063/AQG2ndEd_5_9PAH.pdf

  8. Michael Hein and Manfred Kaiser, 2012. Environmental control and emission reduction, In: Air pollution: A comprehensive perspective, Chapter 10, Pub: Intech, 236-280. https://cdn.intechopen.com/pdfs-wm/38333.pdf

  9. Lorenzo Liberti, Michele Notarnicola, and Roberto Primerano, Paolo Zannetti, (2006). Air Pollution from a Large Steel Factory: Polycyclic Aromatic Hydrocarbon Emissions from Coke-Oven Batteries, J. Air & Waste Manage. Assoc. 56:255–260.

  10. http://www.google.com.au/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=5&ved=0ahUKEwjq1_S9uv3TAhVHvrwKHQ2eDigQFghBMAQ&url=http%3A%2F%2Fwww.europarl.europa.eu%2FRegData%2Fetudes%2FIDAN%2F2015%2F563471%2FIPOL_IDA(2015)563471_EN.pdf&usg=AFQjCNHH3I_qcWqLpz05tDWmRxi5jOfegQ&sig2=gv8QXOGwzNnN6nuuo2us8Q

  11. ArcelorMittal pushes bid for Italy’s ILVA steel plant. Reuters article June 3, 2016. http://www.reuters.com/article/us-arcelormitta-italy-ilva-idUSKCN0YP1CW

  12. G. Marzo, The Steel Plant Polluting an Italian City, 5 Jan 2016.
    http://www.earthisland.org/journal/index.php/elist/eListRead/the_steel_plant_decimating_an_italian_city/

  13. Anna Stella , Maria Teresa Piccardo , Mauro Pala , Daniele Balducci , Massimo Cipolla , Marcello Ceppi & Federico Valerio, 2012. Temporal and spatial variations of polycyclic aromatic hydrocarbon concentrations around a coke oven plant, Journal of the Air & Waste Management Association, 62:9, 1003-1011, DOI: 10.1080/10962247.2012.693055.

  14. Rafał Bigda ,Aleksander Sobolewski1 , Jolanta Telenga-Kopyczyńska , Krzysztof Słowik, 2017. Problems with determination of fugitive emission of PAH from coke oven battery, Journal of Ecological Engineering Volume 18, Issue 2, March 2017, pages 136–149 DOI: 10.12911/22998993/68304

  15. QCVN 51:2013/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải công nghiệp sản xuất thép; QCVN 52:2013/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp sản xuất thép.
    http://www.moit.gov.vn/Images/FileVanBan/_TT32-2013-BTNMT.pdf

  16. http://www.climatetechwiki.org/technology/coke-dry-quenching

  17. http://primetals.com/en/technologies/ironmaking/corex%C2%AE

  18. http://www.midrex.com/assets/user/media/MIDREX_Process-Brochure.pdf

  19. http://primetals.com/en/technologies/ironmaking/finex%C2%AE/Lists/FurtherInformation/The%20Finex%20process.pdf

  20. https://www.worldsteel.org/en/dam/jcr:1568363d-f735-4c2c-a1da-e5172d8341dd/World+Steel+in+Figures+2016.pdf

  21. http://www.oecd.org/officialdocuments/publicdisplaydocumentpdf/?cote=DSTI/SU/SC(2014)16/FINAL&docLanguage=En
Views: 399

fb tw in fb