Giải pháp tiết kiệm năng lượng trong luyện gang và luyện thép của ngành thép Việt Nam giai đoạn 2010 - 2020

Tiết kiệm năng lượng (TKNL) là mục tiêu quan trọng với mọi ngành kinh tế và BVMT, góp phần ứng phó với biến đổi khí hậu (BĐKH) toàn cầu. Theo đánh giá của Tổ chức năng lượng quốc tế (IEA) sản xuất gang thép là một trong những ngành tiêu thụ năng lượng lớn, chiếm trên 15% tổng năng lượng sử dụng trong các ngành công nghiệp.

Thách thức lớn đối với ngành thép Việt Nam trong TKNL là quặng sắt, than mỡ để luyện cốc của Việt Nam chất lượng không cao, sắt thép phế để luyện thép lò điện chứa nhiều tạp chất... các nguyên nhân này đã làm tăng tiêu hao năng lượng (than và điện), phát sinh khí, bụi, xỉ lớn, giảm tuổi thọ lò cao và lò điện. Vì thế, 10 năm qua nhiều doanh nghiệp (DN) ngành thép Việt Nam đã áp dụng nhiều giải pháp TKNL trong luyện gang và luyện thép, trong đó giải pháp sử dụng quặng thiêu kết và quặng cầu viên (được chế biến từ tinh quặng sắt) đã mang lại hiệu quả kinh tế và BVMT.

Khái quát công nghệ sản xuất gang và thép

Trên thế giới, sản xuất gang theo công nghệ lò cao (BF) với nguyên liệu quặng sắt, than cốc và trợ dung (quăczit, đôlômit, đá vôi...) đã có hơn 700 năm nay, được gọi là “Công nghệ luyện gang truyền thống”. Gang sản xuất theo BF giữ vai trò chủ yếu trong ngành thép, sản lượng gang trên thế giới hàng năm tăng từ 2% - 5%, đến năm 2020 đạt trên 800 triệu tấn/năm.

Sản xuất gang lò cao của Việt Nam bắt đầu từ năm 1963 tại Nhà máy luyện gang thuộc Công ty CP gang thép Thái Nguyên (TISCO) do Trung Quốc thiết kế lắp đặt. Sản xuất thép chủ yếu theo công nghệ lò thổi ôxy (BOF) hay lò chuyển (LD/Convertor) với nguyên liệu chủ yếu là gang lỏng của lò cao và công nghệ lò điện hồ quang (EAF) nguyên liệu là sắt thép phế và một phần gang thỏi hay gang lỏng [1]. Hiện nay nhu cầu sử dụng thép hàng năm của Việt Nam tăng cao, năm 2020 là 27 triệu tấn thép và dự báo đến 2035 sẽ là 56,7 triệu tấn thép, điều này dẫn đến nhu cầu gang cho sản xuất thép có sự tăng trưởng lớn trong thời gian tới[4].

Kết quả nghiên cứu và áp dụng giải pháp TKNL trong luyện gang và luyện thép của ngành thép Việt Nam giai đoạn 2010 - 2020

Giải pháp “Đổi mới công nghệ và tăng dung tích lò cao": Theo Báo cáo của Hiệp hội thép Việt Nam (VSA) thực trạng năng lực sản xuất gang theo công nghệ lò cao của Việt Nam khá lớn, nhưng dung tích lò cao nhỏ (một số DN lắp đặt lò cao dung tích 110 m3 và hầu hết DN tư nhân lắp lò cao dung tích 50-70 m3)  nên năng suất thấp. Sơ đồ công nghệ luyện gang lò cao ở Việt Nam nêu ở Hình 1[1].

Trước thực trạng nêu trên, trong giai đoạn 2010-2020, một số DN lớn thuộc ngành thép Việt Nam đã đầu tư chiều sâu, đổi mới công nghệ và lắp đặt lò cao có dung tích lớn, cụ thể: Từ năm 2000 đến 2015, Công ty Khoáng sản và Luyện kim Việt Trung (VTM) thuộc Tổng Công ty Thép Việt Nam (VNSTEEL) đã lắp 1 lò cao dung tích 550m3 tại Khu công nghiệp Tằng Lỏng tỉnh Lào Cai.

Đến năm 2015, Công ty cổ phần Tập đoàn Hòa Phát (Thép Hòa Phát) đã lắp đặt và đưa 3 lò cao loại 550 m3 vào hoạt động tại huyện Kinh Môn, tỉnh Hải Dương; Đến cuối năm 2021, thép Hòa Phát sẽ lắp đặt và đưa vào hoạt động 2 lò cao loại 1.350 m3 tại Khu công nghiệp Dung (KCN) Quất, tỉnh Quảng Ngãi.

Từ tháng 6 năm 2017, Tập đoàn thép FORMOSA Hà Tĩnh đã lắp đặt lò cao số 1 dung tích 4.350m3 tại KCN Vũng Áng tỉnh Hà Tĩnh và đầu năm 2020 đã lắp đặt cao số 2 dung tích 4.350m3. Sau khi 2 lò cao vào hoạt động Dự án FORMOSA đạt công suất 7,5 triệu tấn thép/năm [3].

Do đầu tư đổi mới công nghệ, tăng dung tích lò cao và áp dụng các giải pháp kỹ thuật tiên tiến tại các DN nêu trên, nên tiêu hao than cốc giảm đáng và hệ số sử dụng lò cao tăng cao, kết quả nêu trong Bảng 1.

Bảng 1. Tăng trưởng dung tích và thông số kỹ thuật của lò cao giai đoạn 2000-2020

Giải pháp “Xử lý nâng cao chất lượng quặng sắt”: Quặng sắt sau khi khai thác phải được tuyển rửa, tuyển nổi hay tuyển từ để nâng cao hàm lượng sắt (Fe), giảm lượng tạp chất có hại và tạo ra cỡ hạt phù hợp (quặng cục nạp trực tiếp vào lò cao; quặng cám để sản xuất quăng thiêu kết; quặng mịn để sản xuất quặng cầu viên). Việc xử lý quặng sắt trước khi nạp vào lò cao đã giảm tiêu hao than cốc và chất trợ dung, lượng xỉ, phát thải khí CO2; Tăng sản lượng gang. Kết quả xử lý nâng cao chất lượng quặng sắt của các DN ngành thép Việt Nam cho thấy: “Khi tăng hàm lượng Fe trong quặng sắt lên 1% thì giảm tiêu hao than cốc được 2% và tăng sản lượng gang lên 3%” [1],[2].

Giải pháp“Xử lý nâng cao chất lượng than mỡ và thu hồi khí than phát sinh từ luyện Cốc”: Than cốc là nhiên liệu cung cấp nhiệt lượng và chất hoàn nguyên cho luyện gang lò cao (BF). Chất lượng than cốc phụ thuộc vào chất lượng than mỡ và công nghệ chế biến cốc. Việc xử lý nâng cao chất lượng than mỡ nhằm nâng cao hàm lượng các bon và giảm độ tro của than cốc (Ak). Độ tro tăng sẽ làm tăng tiêu hao chất trợ dung và làm tăng lượng xỉ khi luyện gang lò cao. Kết quả xử lý nâng cao chất lượng than cốc cho thấy, độ tro của than cốc tăng 1% thì tiêu hao cốc cho luyện gang tăng 2% và sản lượng gang giảm 3%.

Việc thu hồi khí than phát sinh từ luyện cốc đã được các DN nghiên cứu áp dụng thành công. Theo đó, kết quả “Thu hồi tái sử dụng nhiệt và khí than từ luyện cốc” để nung phôi ở Nhà máy cán thép Hòa Phát (Hải Dương) đã tiết kiệm được khoảng 7.600 tấn than/năm và việc thu hồi nhiệt năng để chạy máy phát điện giúp cho thép Hòa Phát (Hải Dương) chủ động được 80% nhu cầu điện cho sản xuất gang thép. Kết quả áp dụng giải pháp này có ý nghĩa lớn về kinh tế và BVMT.

Giải pháp “Sử dụng nguyên liệu chín trong luyện gang lò cao”: Để nâng cao hiệu quả sản xuất gang lò cao (BF), các nước có nền sản xuất luyện kim phát triển đã hạn chế dùng quặng sắt sống (tinh quặng sắt sau khi tuyển chưa được chế biến) mà tăng cường dùng nguyên liệu chín (tinh quặng sắt đã được chế biến thành quặng thiêu kết - Sintering of Iron Ore hay quặng cầu viên - Plletizing of Iron Ore). Do quặng sắt thiêu kết và quặng cầu viên có cỡ hạt đồng đều, tính hoàn nguyên tốt hơn quặng sống... nên khi sử dụng chúng sẽ giảm tiêu hao than cốc, giảm tiêu hao điện năng, tăng năng suất lò cao và hạ giá thành gang hơn so với sử dụng quặng sắt sống. Vì thế, các DN của ngành thép Việt Nam đã nghiên cứu và áp dụng trong 10 năm qua với tỷ lệ sử dụng quặng thiêu kết và quặng cầu viên trên tổng lượng quặng sắt nạp vào lò cao đạt được như sau: VNSTEEL và thép Hòa Phát sử dụng 70 - 80%, FORMOSA Hà Tĩnh là 80% và các lò cao nhỏ (lò 50-70 m3) tối đa 50%.

Kết quả áp dụng các giải pháp TKNL trong luyện thép tại một số DN của ngành thép Việt Nam

Giải pháp “Sử dụng công nghệ lò thổi ôxy (BOF) hay lò chuyển (LD) để luyện thép từ gang lỏng lò cao”: Do có nhiều ưu điểm vượt trội của BOF và LD nên các DN ngành thép Việt Nam (Công ty Khoáng sản và Luyện kim Việt Trung - VTM thuộc VNSTEEL, thép Hòa Phát và FORMOSA) đã đầu tư công nghệ lò thổi ôxy (BOF) và lò chuyển (LD) để luyện thép từ gang lỏng lò cao. Trong 10 năm qua, Công ty CP gang thép Thái Nguyên (TISCO) và thép Hòa Phát khi luyện thép bằng lò điện (EAF) đã sử dụng trên 60% gang lỏng, 40% còn lại dùng sắt thép phế (hoặc sắt thép phế + gang thỏi) [1],[3].

Kết quả áp dụng các công nghệ luyện thép và tỷ lệ sử dụng gang lỏng trong lò EAE nêu trên tại các DN của ngành thép Việt Nam đã giảm tiêu hao điện tới mức là 350 KW/tấn thép (trước khi áp dụng giải pháp này mức tiêu hao > 500 KW/tấn thép)

Giải pháp “Xử lý sắt thép phế cho luyện thép bằng lò điện (EAF)”: Sắt thép phế (scrap) là nguyên liệu chính cho sản xuất thép lò điện, chúng phải đảm bảo những yêu cầu sau:  Độ sạch (free of dirt) cao, không chứa các kim loại mầu, không chứa hợp kim có hại và ảnh hưởng cơ tính của thép; Tỷ trọng đống (T/m3) và kích thước phải phù hợp cho quá trình nạp liệu nhanh và nóng chảy nhanh.

Ở Việt Nam đa số DN luyện thép lò EAF hoặc lò cảm ứng (induction furnace) phải nhập khẩu sắt thép phế (>80%) và thu mua trong nước. Các DN luyện thép đã “Xử lý sắt thép phế” bằng 4 biện pháp cơ bản sau: Làm sạch tạp chất (loại trừ bớt tạp chất phi kim và kim loại mầu Cu, Zn, platic…); Phối liệu trước khi nạp liệu để ổn định trọng lượng, số lần nạp và chất lượng thép; Gia công sắt thép phế bằng cách ép thành khối hay cắt đoạn; Sử dụng khí nóng thải ra từ lò luyện cốc, lò cao và sản xuất quặng thiêu kết để sấy nóng sắt thép phế trước khi nạp chúng vào lò EAF...

Kết quả thực hiện xử lý sắt thép phế bằng các biện pháp nêu trên đã góp phần giảm tiêu hao điện; rút ngắn thời gian luyện thép; tăng hiệu suất thu hồi kim loại; kiểm soát và nâng cao chất lượng sản phẩm; giảm lượng phát thải khí nhà kính (tác nhân gây ô nhiễm môi trường và BĐKH) [2].

Định hướng thực hiện giải pháp TKNL trong luyện gang và luyện thép ở Việt Nam giai đoạn 2020 - 2030

TKNL là mục tiêu quan trọng với mọi ngành kinh tế và BVMT, góp phần ứng phó với BĐKH toàn cầu. Theo đánh giá của Tổ chức năng lượng quốc tế (IEA) sản xuất gang thép là một trong những ngành tiêu thụ năng lượng lớn, chiếm trên 15% tổng năng lượng sử dụng trong các ngành công nghiệp. TKNL đồng nghĩa với việc giảm phát thải khí nhà kính (có khí CO2).

Đánh giá mức TKNL của ngành thép Việt Nam, người ta lấy mức tiêu hao năng lượng cần thiết để sản xuất 1 tấn phôi thép. Kết quả nghiên cứu số liệu thực tế về cân bằng năng lượng trong các DN của ngành thép Việt Nam cho thấy: “Để tạo ra 1 tấn sản phẩm phôi thép theo công nghệ luyện thép lò thổi ôxy (BOF) và lò chuyển (LD) từ gang lỏng lò cao, hay luyện thép bằng lò điện hồ quang (EAF) từ sắt thép phế thì năng lượng tiêu thụ thực tế chỉ trên 60% và tổn thất chiếm tới 40% (do các quá trình tạo xỉ, quá trình thải (khí bụi thải và nước thải)), làm nguội thiết bị và sản phẩm” [2], [4].

Định hướng giải pháp TKNL trong luyện gang và luyện thép

Thực chất của TKNL trong quá trình luyện gang và thép là tối ưu hóa sử dụng năng lượng và nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng trong từng công đoạn. Kinh nghiệm và thực tiễn phát triển ngành thép thế giới cho thấy: “TKNL phải được thực thi cùng với chính sách phát triển kinh tế của quốc gia, là một tiêu chí trong đầu tư xây dựng các khu công nghiệp gang thép mới hoặc cải tạo nâng cấp các nhà máy cũ nhằm đảm bảo  phát triển bền vững và BVMT” [2].

Giải pháp TKNL trong luyện gang thép của ngành thép Việt Nam nhằm hướng tới mục tiêu: tiêu tốn ít năng lượng, sử dụng năng lượng tái tạo có hiệu quả, sử dụng tối đa nhiệt dư từ khí thải, tái sử dụng chất thải…Đồng thời, hiệu quả của giải pháp TKNL phụ thuộc đồng bộ 3 yếu tố (Quy trình công nghệ và hiệu suất sử dụng thiết bị; Trình độ vận hành công nghệ; Chất lượng nguyên và nhiên liệu đầu vào).

Căn cứ vào thực tế công nghệ luyện gang và luyện thép tại các DN ngành thép Việt Nam và điều kiện cụ thể về nguồn nguyên liệu của Việt Nam, cần tiến hành nghiên cứu và áp dụng một số giải pháp TKNL.

Giải pháp“Thu hồi tái sử dụng nhiệt dư và khí dư từ luyện cốc, luyện gang và luyện thép”: Nhiệt năng để luyện cốc và gang được lấy từ việc đốt cháy than, dầu, khí thiên nhiên hoặc điện năng. Quá trình luyện gang và luyện thép đã phát sinh ra các chất thải rắn, bụi và khí thải. Khí thải thoát ra từ các lò nấu luyện đem theo một lượng nhiệt dư (còn gọi là nhiệt tổn thất do quá trình nấu luyện). Trong khí thải này có chứa các chất (CO, H2, CnHm…) có thể sử dụng làm nhiên liệu để nung, sấy và đốt (được gọi là quá trình “tái sinh năng lượng mới”). Kết quả điều tra số liệu về thành phần hóa học và nhiệt trị của các loại khí thải tại lò cốc, lò cao và lò chuyển (LĐ) nêu trong Bảng 2.

Bảng 2.Thành phần hóa học và nhiệt trị của khí thải luyện gang và luyện thép [2],[4]

Kết quả áp dụng giải pháp thu hồi và sử dụng nhiệt dư và khí dư nêu trên sẽ là một giải pháp TKNL hiệu quả, giảm giá thành sản phẩm, giảm phát sinh lượng khí bụi thải ra môi trường trong quá trình sản xuất của các DN thép. Tuy nhiên, lợi ích thu được của giải pháp này tùy thuộc vào các mục đích:

Sử dụng để sấy sắt thép phế (sấy liệu): Việc sấy liệu trước khi nạp vào lò điện nhằm rút ngắn thời gian, tăng nhiệt độ (làm thoát hơi nước, giảm độ ẩm của các nguyên liệu), kết quả sẽ giảm tiêu hao điện năng cho luyện thép lò điện. Giải pháp này đã được áp dụng tại lò CONSTEEL của Công ty thép Việt và lò DANARC PLUS tại Công ty thép Miền Nam - VNSTEEL đã mang lại hiệu quả TKNL cao.

Tái sử dụng khí thải để làm nhiên liệu cho luyện gang: Do có một số thành phần hữu ích trong khí thải nêu ở Bảng 2, nên cần phải sử dụng triệt để các loại khí thải này làm nhiên liệu cho luyện gang. Ngoài ra, chúng còn được sử dụng làm nhiên liệu để đốt lò nung và lò hơi (sản xuất điện bằng Turbin (TRT, TG-BL). Việc sử dụng “năng lượng tái sinh” đã giảm giá thành sản xuất gang thép và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Kết luận và đề nghị

Việc triển khai thực hiện các giải pháp TKNL và sử dụng năng lượng có hiệu quả trong sản xuất gang thép có nhiều thuận lợi, song cũng không ít khó khăn thách thức. Vì thế, việc thực hiện đồng bộ các giải pháp nêu trên đòi hỏi các DN ngành thép Việt Nam phải nỗ lực, cố gắng nhiều hơn nữa mới đạt được mục tiêu sử dụng TKNL hiệu quả theo quy định pháp luật Việt Nam và ngang bằng với ngành thép của các nước phát triển trong khu vực và trên thế giới.

Từ phân tích số liệu nêu trên và từ thực tế hiện nay, xin đề xuất một số kiến nghị sau:

Thứ nhất, ngành thép Việt Nam cần phối hợp với Bộ TN&MT và Bộ Công Thương định kỳ tổ chức tập huấn, tọa đàm nhằm nâng cao nhận thức về TKNL và sử dụng năng lượng hiệu quả cho các DN thuộc ngành thép Việt Nam.

Thứ hai, các DN ngành thép Việt Nam cần tiếp tục nghiên cứu và triển khai áp dụng các giải pháp TKNL, trong đó chú trọng nâng cao tỷ lệ sử dụng quặng thiêu kết và quặng cầu viên cho sản xuất gang lò cao.

Thứ ba, để góp phần giải quyết nhu cầu thiếu quặng sắt trong tương lai đối với ngành thép Việt Nam cần tiếp tục nghiên cứu sử dụng hiệu quả số quặng cám hàm lượng Fe thấp (Fe<45%), trong đó có quặng sắt limonit đang tồn đọng nhiều ở mỏ Tiến Bộ tỉnh Thái Nguyên để sản xuất quặng thiêu kết. Đồng thời, nghiên cứu đầu tư khai thác và tuyển để sản xuất quặng cầu viên từ nguồn quặng manhetit hàm lượng Fe nghèo (Fe<35%) của tỉnh Yên Bái cho nhu cầu sản xuất gang lò cao của Việt Nam. 

Tài liệu tham khảo

1. TS. Nghiêm Gia, KS. Nguyễn Văn Chung và nnk: “Nghiên cứu các giải pháp trung hòa và ổn định chất lượng nguyên liệu đầu vào cho sản xuất gang theo công nghệ Lò cao của Công ty gang thép Thái Nguyên”. Bộ Công Thương năm 2008.

2. TS. Nghiêm Gia, ThS. Nguyễn Đức Vinh Nam và nnk: “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”. Bộ Công Thương năm 2010-2011.

3. Hội thảo “Ứng dụng xỉ gang và xỉ thép trong ngành xây dựng vì sự phát triển bền vững”. Hà Nội, ngày 6/12/2016;

4. Tuyển tập Báo cáo tại "Hội thảo Khoa học ngành luyện kim”, Hội Đúc - Luyện kim Việt Nam tháng 4/2017.

TS. Nghiêm Gia

Hội KHKT Đúc Luyện kim Việt Nam

ThS. Trần Trọng Mạnh

Công ty Khoáng sản Luyện kim Việt Trung

[Nguồn: Tạp chí Môi trường]