Chương 3. Tro trấu3.1. Giới thiệu về trấu và tro trấu Trấu là phần vỏ ngoài bao quanh hạt thóc, khi xay xát nó được tách ra dưới dạng thải phẩm. Do trấu

có khối lượng thể tích nhỏ (khoảng 0,1 tấn/m3) nên cần phải tốn khá nhiều diện tích để chứa loại phế thải này. Đối với các cơ sở xay xát gạo tập trung, có công suất lớn thì việc xử lý lượng trấu thải ra hàng ngày là một vấn đề cấp bách. Một trong các phương pháp xử lý là đốt trấu để giảm khối lượng và thể tích của nó, đồng thời có thể tận dụng được lượng nhiệt toả ra trong quá trình đốt trấu. Khi đốt trấu tạo thành một lượng tro khoảng 20% khối lượng trấu ban đầu và toả ra nhiệt lượng khoảng 13200-16200 kJ/kg. Hàm lượng trấu trong thóc chiếm khoảng 20%, như vậy cứ xay xát 1 tấn thóc thì sẽ thải ra 200 kg trấu, mà khi đốt sẽ cho khoảng 40 kg tro. Tuy nhiên đây là số liệu trung bình vì hàm lượng trấu trong thóc và hàm lượng tro trong trấu dao động trong một phạm vi khá lớn, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như giống lúa, chất đất, phân bón, thời vụ, khí hậu, v.v.

Theo tài liệu thống kê của Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Thế giới (FAO) [30] thì sản lượng thóc năm 2003 trên thế giới là 588,56 triệu tấn, trong đó Việt Nam chiếm 34,51 triệu tấn. Nếu sử dụng các số liệu trung bình về hàm lượng trấu, tro và nhiệt lượng nêu trên để tính toán thì lượng tro và lượng nhiệt có thể thu được khi đốt lượng trấu thải ra trong năm 2003 trên thế giới là 23,54 triệu tấn và 153x1010-191x1010 MJ. Còn ở Việt Nam lượng trấu và tro trấu tiềm năng thu được trong năm 2003 sẽ tương ứng là 6,9 triệu tấn và 1,38 triệu tấn; còn lượng nhiệt toả ra khi đốt trấu là 1,8x1010-2,2x1010 MJ, tương đương với nhiệt lượng của khoảng 716.000 – 875.000 tấn than đá. Song trên thực tế, do thóc là sản phẩm nông nghiệp được sản xuất rải rác trên các vùng lãnh thổ rộng lớn, nên khó có thể thu hồi được toàn bộ số trấu để xử lý nhằm thu được số tro và nhiệt lượng như số liệu thống kê trên.

Do tro trấu có hàm lượng ôxit silic rất lớn và nếu được gia công trong điều kiện thích hợp thì có độ hoạt tính puzơlan rất cao, nên có thể sử dụng nó làm phụ gia khoáng hoạt tính trong xi măng và bê tông. Lượng phụ gia khoáng này có tiềm năng rất lớn, đặc biệt là ở một số nước trồng nhiều lúa như Trung Quốc, ấn Độ, Inđônêxia, Việt Nam, Thái Lan, v.v.

3.2. Tính năng kỹ thuật của tro trấu3.2.1. Thành phần hoá

Phân tích thành phần hoá học của tro trấu thu được sau khi nung đến khối lượng không đổi cho thấy thành phần chủ yếu của nó là ôxit silic, ngoài ra còn một lượng nhỏ các ôxit kiềm, kiềm thổ và các ôxit khác. Một số tài liệu nghiên cứu [2, 25, 34, 35, 42] cho thấy hàm lượng ôxit silic trong tro trấu dao động trong khoảng 94-97%. Phần còn lại chủ yếu là các ôxit kiềm, trong đó phần lớn là ôxit kali. Theo một số nghiên cứu khác [4, 18, 28, 84, 89] thì hàm lượng ôxit silic thấp hơn, dao động trong khoảng 87-95%. Sự chênh lệch này một phần là do nguồn gốc của trấu, một phần là do các mẫu trấu có lẫn các tạp chất khác nhau.

Trên thực tế khó có thể đốt cháy triệt để trấu để thu được tro hoàn toàn không chứa than chưa cháy. Lượng than chưa cháy, thể hiện qua hàm lượng mất khi nung, sẽ ảnh hưởng đến hàm lượng ôxit silic trong tro. Hàm lượng than chưa cháy của tro phụ thuộc vào phương pháp đốt trấu. Thành phần hoá học, tổng hợp từ các tài liệu tham khảo [11, 14, 55, 67, 83, 85-87], của một số loại tro trấu thu được khi đốt trấu trong các loại lò khác nhau được nêu trong (Bảng 3).

Qua Bảng 3 có thể thấy rằng hàm lượng ôxit silic trong các loại tro thu được khi đốt trấu từ các nước khác nhau đều rất cao, còn tạp chất chủ yếu là than chưa cháy. Hàm lượng than chưa cháy càng lớn thì hàm lượng ôxit silic trong tro trấu càng nhỏ. Một điểm đặc biệt nữa là thành phần hoá của tro trấu tương đối ổn định, khi so sánh với một số phụ gia khoáng hoạt tính khác như tro bay nhà máy nhiệt điện hoặc xỉ lò cao.

Bảng 3: Thành phần hoá học của tro trấu thu được từ các loại lò khác nhauKiểu lò đốt trấu Hàm lượng, % Nguồn gốc

trấuSiO2* R2O3* RO* R2O* MKN*Lò tầng sôi 86,50 0,20 1,30 2,19 8,80 úc [86]Lò xyclon 85,90 2,35 0,11 1,04 5,70 Malaixia [87]Lò xyclon Pitt-Mehta 92,00 - 0,50 2,50 5,00 Mỹ [67]Buồng đốt nồi hơi 88,10 1,43 2,71 1,43 6,28 ấn Độ [56]Lò kiểu giỏ lưới thép **

88,40 2,56 2,08 2,14 4,00 Pakistan [83]

Lò kiểu giỏ lưới thép **

87,00 1,50 2,00 2,60 5,10 Việt Nam [14]

Lò xây bằng gạch*** 88,57 - 0,27 2,76 7,67 Guyana [11]

Đốt đống ngoài trời 81,00 4,50 3,00 - 10,00 ấn Độ [85]Ghi chú: * R2O3 = Al2O3 + Fe2O3; RO = CaO + MgO; R2O = Na2O + K2O; MKN = Mất khi nung** Theo thiết kế của Hội đồng Khoa học và Nghiên cứu công nghiệp Pakistan (PCSIR)*** Theo thiết kế của Viện Nghiên cứu xi măng ấn Độ

3.2.2. Thành phần khoángTrấu được cấu thành từ hai thành phần hữu cơ và vô cơ. Phần hữu cơ bao gồm các chất xenlulo,

lignin, pentosan, và một lượng nhỏ protein và vitamin. Phần vô cơ chủ yếu chứa nguyên tố silic, được phân tán trong phần hữu cơ, và theo các tài liệu nghiên cứu khác nhau có thể tồn tại dưới dạng axit monosilicic [95], opal sinh vật [47], hoặc silica gel [40]. Khi đốt trấu phần hữu cơ bị cháy và bốc hơi, còn lại tro có thành phần chính là ôxit silic. Ôxit silic trong trấu ban đầu vốn tồn tại dưới dạng vô định hình nhưng trong quá trình đốt trấu thành tro trong các điều kiện khác nhau, nó có thể chuyển sang dạng tinh thể. Các yếu tố ảnh hưởng tới cấu trúc của ôxit silic trong tro trấu là nhiệt độ và thời gian của quá trình gia công nhiệt.

Có rất nhiều nghiên cứu về nhiệt độ biến đổi của ôxit silic từ trạng thái vô định hình sang trạng thái tinh thể cũng như về các dạng thù hình của ôxit silic tinh thể trong quá trình đốt trấu. Khi đốt trấu trong khoảng nhiệt độ từ 500-800oC, ôxit silic trong tro sẽ ở trạng thái vô định hình, ở nhiệt độ cao hơn sẽ có sự biến đổi sang dạng tinh thể. Nhiệt độ biến đổi pha của ôxit silic trong tro trấu còn phụ thuộc vào thời gian đốt trấu. Thời gian gia công nhiệt kéo dài thì sự biến đổi pha xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn. Các nghiên cứu cho thấy crystobalite có thể hình thành trong tro ở nhiệt độ 800oC khi thời gian đốt trấu kéo dài 12 giờ [42] hoặc 30 giờ [43]. ở nhiệt độ này mức độ kết tinh tăng lên khi thời gian nung càng lâu. ở nhiệt độ 900oC bắt đầu xuất hiện trydimite, và ở 1000oC thì ôxit silic trong tro trấu hoàn toàn ở trạng thái tinh thể dưới dạng crystobalite và trydimite. Ngoài ra trong tro trấu có thể có mặt quartz nếu trấu có lẫn tạp chất sét hoặc cát.

3.2.3. Cấu trúc của các hạt tro trấuTrấu có cấu trúc xốp rỗng, trong đó silic phân tán trong chất nền xenlulo-lignin. Khi đốt trấu thành

phần hữu cơ của nó bị cháy và bay hơi để lại một bộ khung xốp từ ôxit silic có chiều dày thành lỗ rỗng cực mỏng cỡ 30-120nm [81]. Với cấu trúc như vậy tro trấu có diện tích bề mặt rất lớn, và có thể dễ dàng nghiền tới cỡ hạt rất nhỏ. Tỷ diện tích bề mặt của tro trấu bị chi phối không phải bởi kích thước hạt mà chủ yếu là do cấu trúc rỗng của các hạt tro. Song đại lượng này thay đổi trong một phạm vi rất rộng, phụ thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ và thời gian đốt trấu, chế độ gia công trấu sơ bộ trước khi đốt. James và Rao [42] đã xác định tỷ diện tích bề mặt BET của tro trấu (tỷ diện tích bề mặt xác định theo phương pháp hấp phụ khí nitơ) thu được sau khi gia công nhiệt các mẫu trấu trong lò điện ở nhiệt độ 300, 400, 500, 600, 700, 800, và 900oC trong thời gian từ 1 đến 30 giờ. Tỷ diện tích bề mặt của tro đạt giá trị cực đại là 170 m2/g khi trấu được đốt ở nhiệt độ 500oC. Trong khoảng nhiệt độ 500-600oC, tỷ diện tích bề mặt của tro trấu giảm xuống song vẫn có giá trị khá lớn (100-150 m2/g). ở nhiệt độ 700oC và thời gian đốt trấu 12 giờ thì tỷ diện tích bề mặt tro giảm đột ngột. Tốc độ giảm tỷ diện tích bề mặt tăng mạnh trong khoảng nhiệt độ 800-900oC. Khi đốt trấu ở nhiệt độ 300oC, tỷ diện tích bề mặt của tro trấu hầu như không thay đổi theo thời gian đốt. Tuy nhiên ở nhiệt độ trên 600oC thì tỷ diện tích bề mặt giảm dần khi kéo dài thời gian đốt.

Ibrahim và các cộng sự [33, 38, 39] đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đốt loại trấu đã qua xử lý bằng nước nóng tới cấu trúc rỗng, tỷ diện tích bề mặt BET và kích thước tinh thể của ôxit silic trong tro trấu. Trước khi đốt, tro trấu được đun sôi với nước nóng, rửa sạch và sấy khô. Với thời gian đốt trấu cố định là 3 giờ, tỷ diện tích bề mặt của tro tăng từ 200 m2/g ở 500oC lên 274 m2/g ở 600oC. ở nhiệt độ trên 600oC tỷ diện tích bề mặt và tổng thể tích lỗ rỗng giảm dần khi tăng nhiệt độ. ở nhiệt độ 900oC tỷ diện tích bề mặt của tro giảm xuống còn 171,6 m2/g do kích thước các tinh thể ôxit silic lớn dần dẫn tới sự hợp nhất các hạt nhỏ với nhau làm giảm thể tích rỗng. Tăng nhiệt độ lên đến 1000 oC dẫn tới sự kết tinh của crystobalite làm giảm đột ngột tỷ diện tích bề mặt và tổng thể tích rỗng.

Xử lý trấu bằng axit clohydric loãng cũng là một biện pháp để thu được tro trấu có tỷ diện tích bề mặt lớn [51, 81]. Tỷ diện tích bề mặt của tro thu được từ mẫu trấu, đã được xử lý trước bằng axit clohydric, sau khi nung ở 600oC trong 3 giờ là 260 m2/g. Tỷ diện tích bề mặt của mẫu tro này hầu như không thay đổi trong khoảng nhiệt độ đến 800oC. Trong cùng điều kiện nung như vậy ở nhiệt độ 800oC, mẫu không xử lý bằng axit chỉ có tỷ diện tích dưới 1 m2/g.

Do tỷ diện tích bề mặt BET của tro trấu phụ thuộc vào thể tích rỗng nên nếu phá vỡ cấu trúc rỗng của các hạt tro bằng cách nghiền mịn sẽ làm giảm tỷ diện tích bề mặt. ảnh hưởng của kích thước hạt tro trấu khi nghiền tới tỷ diện tích bề mặt BET được đề cập trong tài liệu [14]. Tro trấu với lượng mất khi

nung 23%, thu được khi đốt trấu trong lò thí nghiệm tại trường Đại học Tổng hợp kỹ thuật Delft, Hà Lan. Lò được thiết kế để có thể đốt được lượng trấu khá lớn, đồng thời có thể thay đổi thời gian và nhiệt độ đốt trấu. Sau đó tro trấu được nghiền mịn trong máy nghiền bi sứ với thời gian nghiền 14 và 18 giờ. Một mẫu tro khác được nghiền với 0.5% phụ gia siêu dẻo trong thời gian 18 giờ. Các mẫu tro được xác định thành phần hạt bằng thiết bị phân tích hạt tia Lazer, và tỷ diện tích bề mặt theo phương pháp hấp phụ khí nitơ. Kết quả xác định thành phần hạt và tỷ diện tích bề mặt của ácc mẫu tro này được trình bày trong Bảng 4 và Hình 18.

Bảng 4: Tỷ diện tích bề mặt S(BET) của các loại tro trấu khác nhauMẫu tro trấu Thời gian

nghiền(h)

Phụ gia trợ nghiền

(%)

S(BET)

(m2/g)

RHA(0) 0 0 123RHA(14) 14 0 151RHA(18) 18 0 137RHA(18)+ 18 0.5 58

Hình 18: Thành phần hạt của tro trấu với thời gian nghiền khác nhauKết quả trong Bảng 4 và Hình 18 cho thấy ban đầu tỷ diện tích bề mặt BET của tro trấu tăng lên khi

kích thước các hạt tro giảm, nhưng khi đường kính trung bình của các hạt tro giảm xuống dưới 5 m thì tỷ diện tích bề mặt lại giảm xuống. Mẫu tro RHA(18)+ có độ mịn lớn nhất, với kích thước hạt trung bình khoảng 3.5m, nhưng lại có tỷ diện tích bề mặt nhỏ nhất. Điều này có nghĩa là nghiền tro trấu tới một độ mịn nhất định thì không những không làm tăng mà làm giảm tỷ diện tích bề mặt BET. Kết quả nghiên cứu này cũng phù hợp với kết quả nghiên cứu của Sugita và các cộng sự [89]. Các tác giả này đã nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian nghiền tới tỷ diện tích bề mặt và chênh lệch về độ dẫn điện của tro trấu. Các mẫu tro thu được sau khi đốt trấu trong lò điện ở nhiệt độ 600oC, 700oC, 800oC và cùng với mẫu tro trấu lấy từ buồng đốt nồi hơi được nghiền mịn bằng máy nghiền bi rung. Bảng 5 trình bày kết quả xác định tỷ diện tích bề mặt BET của các mẫu tro trấu này.

Bảng 5: Tỷ diện tích bề mặt của tro trấu nghiền trong máy nghiền bi rung Loại tro trấu Thời gian nghiền

(phút)Tỷ diện tích bề mặt, SBET

(m2/g)

RHA-600104080

19,7421,6114,92

RHA-700104080

10,6911,2510,52

RHA-800104080

8,929,498,15

Tro buồng đốt nồi hơi1040

9,1312,07

Hàm

lượn

g lọ

t qua

, %

Kích thước hạt, m

80 9,19

Số liệu trong Bảng 5 cũng khẳng định là khi nghiền tới một độ mịn nhất định thì tỷ diện tích bề mặt BET của tro trấu không tăng. Các tác giả này cho rằng nguyên nhân của hiện tượng này là sự vón tụ của các hạt siêu mịn.

3.2.4. Độ hoạt tính puzơlan của tro trấu Trong lĩnh vực xi măng và bê tông, thuật ngữ puzơlan bao gồm tất cả các vật liệu có nguồn gốc tự

nhiên hoặc nhân tạo, mà khi có nước chúng có thể tác dụng với hydroxit canxi tạo thành các hợp chất có khả năng kết dính. Mức độ tương tác hoá học giữa các thành phần hoạt tính của puzơlan với hydroxit canxi và nước gọi là độ hoạt tính puzơlan. Thành phần hoạt tính của tro trấu là ôxit silic vô định hình, nên độ hoạt tính puzơlan của tro trấu liên quan trực tiếp với mức độ vô định hình của ôxit silic trong tro trấu. Mehta [67] đề xuất một đại lượng gọi là chỉ số ôxit silic hoạt tính để đo mức độ vô định hình này. Chỉ số ôxit silic hoạt tính được xác định bằng thực nghiệm, và chính là hàm lượng ôxit silic hoà tan trong dung dịch hydroxit natri đun sôi của mẫu tro có độ mịn dưới sàng 75m. Lượng ôxit silic hoà tan càng nhiều thì mức độ vô định hình của nó càng lớn. Chỉ số ôxit silic hoạt tính của quartz và crystobalite nghiền mịn tương ứng là 0,05 và 4%, trong khi đó tro trấu thu được khi đốt trấu trong lò điện có chỉ số ôxit silic hoạt tính 74%. Kết quả nghiên cứu của Shah [82] (xem Bảng 6) và của Yeoh cùng các cộng sự [94] (xem Bảng 7), cho thấy nhiệt độ và thời gian đốt trấu ảnh hưởng mạnh tới chỉ số ôxit silic hoạt tính.

Bảng 6: Quan hệ giữa độ hoạt tính của tro trấu và chế độ gia công nhiệt

Chế độ gia công nhiệt Chỉ số ôxit silic hoạt tính, %Nhiệt độ, oC Thời gian, h

500 1 70,4600 1 70,4700 1 70,4800 1 66,7900 1 55,11000 1 54,7

Tro trấu từ lò kiểu giỏ lưới thép PCSIR 69,3

Bảng 7: Chỉ số ôxit silic hoạt tính của tro, ở các điều kiện đốt khác nhau, (%)

Thời gian đốt, ph Nhiệt độ đốt trấu, oC300 400 500 600 700 800 900 1000

5 52 49 45 54 54 45 44 3630 - 49 64 66 66 56 31 1860 - 57 74 65 63 68 29 17

Phương pháp xác định độ hoạt tính puzơlan theo chỉ số ôxit silic hoạt tính khá phức tạp và tốn nhiều thời gian. Luxan và các cộng sự [52] đề xuất một phương pháp gián tiếp, có thể xác định nhanh trong vòng 10 phút độ hoạt tính puzơlan. Phương pháp này dựa trên việc đo sự chênh lệch về độ dẫn điện của dung dịch bão hoà hydroxit canxi có chứa vật liệu puzơlan. Độ dẫn điện phụ thuộc vào nồng độ ion Ca2+ trong dung dịch bão hoà hydroxit canxi. Khi đưa một chất puzơlan vào dung dịch, thì các thành phần hoạt tính của nó sẽ tác dụng với hydroxit canxi làm giảm nồng độ ion Ca2+, và do đó làm giảm độ dẫn điện. Kết quả nghiên cứu của một số tác giả [14, 52, 89] về chênh lệch độ dẫn điện của dung dịch bão hoà hydroxit canxi có chứa các vật liệu khác nhau được tổng hợp trong Bảng 8.

Bảng 8: Chênh lệch về độ dẫn điện của các vật liệu khác nhauLoại vật liệu Chênh lệch độ dẫn

điện, mS/cmTài liệu

tham khảoCát thạch anh 0,10 [52]Tro trấu đốt trong lò điện, 600oC 1,16Tro trấu đốt trong lò điện, 700oC 0,70Tro trấu đốt trong lò điện, 800oC 0,56 [89]Tro trấu từ buồng đốt nồi hơi 0,38Silica fume A (Nhật Bản) 1,01

Silica fume B (Nhật Bản) 1,65Tro trấu đốt trong lò kiểu giỏ lưới thép 0,90 [14]Silica fume hãng Elkem, Na Uy 1,00Tro bay 0,40

Số liệu trong Bảng 8 cho thấy tro trấu khi được gia công nhiệt trong điều kiện tối ưu (ở nhiệt độ 600oC) có độ hoạt tính tương đương silica fume Nhật Bản có ký hiệu A và silica fume của hãng Elkem, đều là loại silica fume kết nén. Tuy nhiên độ hoạt tính của tro trấu thấp hơn của silica fume bột rời (silica fume Nhật Bản có ký hiệu B).

Độ hoạt tính puzơlan xác định theo hai phương pháp nêu trên không liên quan trực tiếp tới chất lượng của tro trấu xét trên khía cạnh cải thiện cường độ của vữa hoặc bê tông. Để đánh giá chất lượng của tro trấu theo tiêu chí cường độ có thể sử dụng chỉ số hoạt tính puzơlan với vôi hoặc với xi măng. Bảng 9 trình bày kết quả nghiên cứu của Al-Khalaf và Yousif [4] về chỉ số hoạt tính puzơlan với xi măng của tro trấu. Các mẫu tro dùng để thí nghiệm thu được bằng cách đốt trấu trong lò điện 2 giờ ở các nhiệt độ khác nhau, sau đó được nghiền mịn 6 giờ trong máy mài mòn Los-Angeles. Chỉ số hoạt tính puzơlan được xác định theo tiêu chuẩn Mỹ ASTM C618-80.

Bảng 9: Chỉ số hoạt tính puzơlan của tro trấu ở các nhiệt độ nung khác nhau(XM+TT):Cát Nhiệt độ

đốt, oCN/(XM+TT)

Cường độ nén,N/mm2

Chỉ số hoạt tính, %

(1,0+0,0):2,75 - 0,68 24,3 -(0,73+0,27):2,75 450 0,77 23,4 96,3(0,73+0,27):2,75 500 0,77 23,5 96,6(0,73+0,27):2,75 550 0,78 22,5 92,6(0,73+0,27):2,75 600 0,78 23,6 97,1(0,73+0,27):2,75 700 0,78 24,2 99,6

Số liệu trong Bảng 9 cho thấy chỉ số hoạt tính puzơlan của tro tăng lên khi tăng nhiệt độ đốt trấu, song trong khoảng nhiệt độ 450-700oC sự chênh lệch về chỉ số hoạt tính puzơlan giữa các mẫu tro không lớn. Mặt khác các mẫu vữa, trong đó 27% xi măng được thay thế bằng tro trấu, đều có cường độ thấp hơn cường độ mẫu vữa đối chứng không có tro. Một trong các yếu tố ảnh hưởng tới cường độ của vữa là tỷ lệ nước/chất kết dính (N/CKD). Nói chung khi tăng tỷ lệ N/CKD thì cường độ của vữa giảm. Tỷ lệ N/(XM+TT) của các mẫu vữa chứa các loại tro, được nghiền với thời gian như nhau, thay đổi không đáng kể khi tro được nung trong khoảng 450-700oC. Còn so với mẫu vữa đối chứng có cùng độ bẹt thì tỷ lệ N/(XM+TT) của các mẫu vữa chứa tro trấu đều lớn hơn. Phân tích số liệu trong Bảng 9 cho phép kết luận là mặc dù tro trấu có hàm lượng ôxit silic hoạt tính cao (vì được nung trong phạm vi nhiệt độ thích hợp), song khi được sử dụng để thay thế một phần xi măng thì nó làm tăng lượng nước tiêu chuẩn của vữa và do đó không làm tăng cường độ.

Ngoài hàm lượng ôxit silic hoạt tính, còn có một yếu tố quan trọng khác ảnh hưởng tới chỉ số hoạt tính puzơlan với xi măng của tro trấu là độ mịn của nó (xem Bảng 10) [4]. Số liệu trong Bảng 9 thu được trong điều kiện thí nghiệm như sau. Tro thu được sau khi đốt trấu 2 giờ ở nhiệt độ 500oC trong lò điện và được nghiền mịn trong máy mài mòn Los Angeles, với thời gian nghiền khác nhau tạo thành các mẫu tro có độ mịn khác nhau. Độ mịn của các mẫu tro sau khi nghiền được xác định bằng phương pháp Blaine (phương pháp hấp phụ không khí). Cần nhấn mạnh rằng tỷ diện tích bề mặt xác định bằng phương pháp BET và phương pháp Blaine không tương quan lẫn nhau, vì các yếu tố tác động tới tỷ diện tích bề mặt BET có thể không ảnh hưởng tới tỷ diện tích bề mặt Blaine và ngược lại.

Bảng 10: Quan hệ giữa chỉ số hoạt tính puzơlan của tro trấu và tỷ diện tích bề mặt BlaineNhiệt độ đốt trấu,

oCThời gian đốt,

giờ Độ mịn của tro, cm2/g

N/(XM+TT) Chỉ số hoạt tính, %

500 2 4900 1,25 18500 2 5000 1,15 30500 2 7000 0,97 45500 2 9000 0,88 63500 2 10000 0,85 70500 2 16000 0,78 87500 2 17000 0,77 98500 2 21000 0,76 110

Số liệu ở Bảng 10 cho thấy chỉ số hoạt tính puzơlan với xi măng của tro trấu tăng khi tăng độ mịn của nó. Cường độ của vữa chứa tro trấu với tỷ lệ (XM+TT) : cát = (0,73+0,27) : 2,75 xấp xỉ bằng cường độ của vữa đối chứng khi tro trấu được nghiền đến độ mịn 17000cm2/g. Hơn nữa, có thể thu được tro trấu có chỉ số puzơlan đối với xi măng 110% nếu tro được nghiền đến độ mịn 21000 cm2/g. Bảng 10 cũng cho thấy lượng nước tiêu chuẩn của vữa chứa tro trấu giảm khi tăng độ mịn của tro trấu sử dụng. Nguyên nhân của hiện tượng này có thể là do cấu trúc rỗng của các hạt tro trấu bị phá vỡ càng mạnh khi kích thước hạt tro càng nhỏ, làm giảm khả năng hút và giữ nước của tro trấu.

3.3. Các phương pháp đốt trấuMục đích của việc đốt trấu là tận dụng nhiệt lượng của trấu và lấy tro. Tuy nhiên tro trấu thu được

sẽ có tính chất khác nhau, tuỳ thuộc vào phương pháp đốt trấu. Tuỳ theo mục đích đốt trấu mà thiết bị đốt trấu được thiết kế khác nhau. Nếu mục đích đốt trấu là tận dụng triệt để nhiệt lượng của trấu, mà không quan tâm tới chất lượng của tro tạo thành, thì lò đốt trấu được thiết kế sao cho quá trình cháy xảy ra triệt để, có nhiệt độ đốt cao. Nhiệt độ đốt trấu trong loại lò này không được khống chế chặt chẽ. Nếu mục đích của việc đốt trấu là để thu được tro có hoạt tính puzơlan thì lò đốt trấu được thiết kế sao cho có thể khống chế được chế độ gia công nhiệt.

3.3.1. Lò đốt tầng sôiMột loại lò đốt trấu điển hình có tính chất công nghiệp, sử dụng trấu như một dạng nhiên liệu là lò

đốt tầng sôi. Trong loại lò này, trấu được đốt ở trạng thái tầng sôi. Khí nóng thổi qua ghi lò với vận tốc lớn làm cho lớp trấu trên ghi chuyển động lên, xuống tương tự như nước đang sôi. Sự trao đổi nhiệt giữa trấu và khí nóng rất mạnh nên quá trình cháy xảy ra nhanh và triệt để. Nhiệt độ đốt khoảng 1100oC-1200oC, thời gian trấu lưu ở nhiệt độ này khoảng vài phút. Trong điều kiện đốt trấu như vậy, ôxit silic trong tro phần lớn chuyển sang trạng thái tinh thể nên tro hầu như không có hoạt tính puzơlan. Lò đốt này thường được bố trí cùng với nồi hơi để tạo hơi nước.

Sơ đồ của lò đốt tầng sôi dùng để chạy máy phát điện của hãng Takuma, Nhật Bản, được thể hiện trên Hình 19 [90].

Hình 19: Lò đốt tầng sôi sử dụng trấu làm nhiên liệu1 = Bun ke trấu; 2 = Lò đốt tầng sôi; 3 = Nồi hơi; 4 = Tuốc bin;5 = Máy phát điện; 6 = Lọc bụi; 7 = Bun ke tro trấu

3.3.2. Lò đốt xyclonTrên cơ sở nghiên cứu của Mehta [67] về độ hoạt tính puzơlan của tro trấu, Pitt đã thiết kế một loại lò

kiểu xyclon, đốt trấu trong trạng thái lơ lửng, cho phép vừa tạo ra năng lượng điện đồng thời thu được tro trấu

có hoạt tính cao [78]. Sơ đồ cấu tạo của lò đốt kiểu xyclon được mô tả trên Hình 20. Lò gồm một buồng đốt hình trụ với phần đỉnh có dạng hình nón cụt (1), hệ thống xyclon lọc bụi để thu hồi tro trấu (2, 3), bunke nạp trấu (4), quạt và ống khói 6. Trấu từ bunke (4) được thổi vào buồng đốt với vận tốc lớn qua đường ống (5) theo phương tiếp tuyến với thành buồng đốt, và được đốt cháy trong môi trường ô xy hoá ở nhiệt độ 676-954oC. Nhờ lực ly tâm và khí nóng, trấu chuyển động lên phần trên của buồng đốt theo hình xoáy ốc và bốc cháy. Khi lên đến đỉnh buồng đốt các hạt trấu được đốt cháy hoàn toàn và rơi xuống phía dưới rồi theo khí thải ra khỏi buồng đốt tới hệ thống xyclon lọc bụi (2, 3). Tro trấu thu được có cấu trúc vô định hình và với hàm lượng than chưa cháy từ 8-12%.

Hình 20: Lò đốt trấu kiểu xyclon1 = Buồng đốt; 2-3 = Xyclon lọc bụi; 4 = Bun ke trấu;

5 = Đường ống dẫn khí phun trấu vào lò; 6 = Quạt ống khói; 7 = Lỗ tháo troDựa trên loại lò đốt này năm 1975 một nhà máy điện thử nghiệm công suất 7 tấn trấu/giờ đã được

xây dựng ở Stuttgart bang Arkansas, Mỹ. Sơ đồ hệ thống lò đốt trấu và nồi hơi của nhà máy được mô tả trên Hình 21 [61].

Hình 21: Hệ thống lò đốt xyclon và nồi hơi3.3.3. Lò đốt thủ công kiểu giỏ lưới thép

Hội đồng Khoa học và Nghiên cứu công nghiệp Pakistan (Pakistani Coulcil for Scientific and Industrial Research - PCSIR) đã thiết kế một loại lò đốt thủ công cho phép thu được tro trấu có hoạt tính cao, nhưng có công suất nhỏ và không tận dụng được nhiệt lượng của trấu (xem Hình 22) [83].

Lò gồm 2 giỏ lưới thép hình trụ lồng vào nhau đặt trong vỏ làm bằng thùng phuy cũ, bên trên có chụp đậy và ống khói. Các giỏ lưới thép được liên kết với nhau bằng các thanh thép nhỏ. Ghi lò được làm bằng các thanh thép 10mm, trên mặt có trải lưới thép. Ngay phía trên mặt ghi lò có trổ 1 cửa tháo tro. Giữa thành trong vỏ lò và giỏ lưới thép ngoài có khe hở để thông khí. Không khí cho quá trình cháy còn được cung cấp qua khoảng trống của giỏ thép trong. Chụp ống khói và ống khói có tác dụng tạo sức hút tự nhiên trong lò, đẩy mạnh quá trình cháy. Khi đốt, khoảng không giữa hai giỏ lưới thép hình trụ được đổ đầy trấu. Lửa được mồi từ dưới ghi lò bằng cách đốt một vài tờ báo cũ. Sau khi bén lửa, trấu sẽ tự cháy ở nhiệt độ

tương đối thấp và khá ổn định. Tro trấu thu được có cấu trúc vô định hình và hàm lượng than chưa cháy tương đối thấp, ổn định trong khoảng 4-6%.

3.3.4. Lò đốt thủ công xây bằng gạchViện nghiên cứu xi măng ấn Độ CRI (Cement Research Institute of India) đã thiết kế một lò đốt

trấu xây bằng gạch có nguyên tắc hoạt động tương tự lò giỏ lưới thép PCSIR (xem Hình 23) [82]. Lò có dung tích 1,02x1,02x1,1m, mặt xung quanh thành lò có nhiều hàng lỗ thông gió.

Hình 22: Lò kiểu giỏ lưới thép PCSIR

Hình 23: Lò đốt trấu xây bằng gạch CRI

Lò được ngăn làm 2 phần bằng 2 vách ngăn lưới thép đặt cách nhau 20cm. Khoảng trống giữa hai vách ngăn làm tăng mức độ thông gió giữa lò. Xung quanh mặt trong tường lò và trên mặt ghi lò cũng có lưới thép để ngăn không cho trấu rơi ra khỏi buồng đốt. Cửa tháo tro và cửa để nhóm lò được bố trí sát ngay mặt trên và mặt dưới ghi lò. Lò được đậy bằng chụp ống khói để chống mưa và tạo sức hút gió tự nhiên.

Hình 24: Hệ thống các lò đốt trấu CRITrấu được nạp vào lò qua 2 cửa nạp bố trí trên chụp ống khói. Công suất của lò khoảng 0,5 tấn

trấu/ngày. Tro thu được khi đốt trấu trong loại lò này có chất lượng tương đương tro từ lò kiểu giỏ lưới thép PCSIR.

Để tăng công suất, có thể xây nhiều lò cạnh nhau kết hợp thành từng cụm như trong Hình 24 [91]. Tuy nhiên đây cũng là loại lò thủ công có công suất nhỏ và không tận dụng được nhiệt lượng toả ra khi đốt trấu.