Kỳ 4: Công nghệ điện phân nhôm và các vấn đề môi trường đặt ra tại Việt Nam

Theo dõi KTMT trên

Nhôm (Al) là nguyên tố hóa học phổ biến của Trái đất, chiếm trên 7% trọng lượng vỏ Trái đất, nhưng thường tồn tại dưới dạng hợp chất với Si và O. Tuy nhiên, thực tế hiện nay nhôm là kim loại có khối lượng và giá trị ứng dụng lớn nhất sau kim loại Fe trong cuộc sống loài người. Nhôm kim loại được ứng dụng làm chất phản chiếu trong gương, thiết bị vệ tinh và làm nhiên liệu rắn cho tên lửa; hợp kim nhôm được sử dụng trong chế tạo thiết bị, máy móc, máy bay, tên lửa, vật liệu xây dựng, dây dẫn điện.

Trước khi phát minh ra công nghệ sản xuất Al bằng phương pháp điện phân Hall – Heroult ôxít Al dưới dạng alumin vào năm 1886; kim loại nhôm còn đắt hơn vàng. Trong phương pháp điện phân Hall – Heroult, quá trình điện phân được thực hiện trong ô xít Al (alumin) nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn bình thường (950OC-980OC) nhờ chất trợ dung là khoáng chất Kriolite (Na3AlF6). Việc chuyển sản phẩm đầu ra từ alumin thành kim loại nhôm có ứng dụng rộng rãi trong đời sống kinh tế xã hội không chỉ có ý nghĩa kinh tế, mà còn mang ý nghĩa chính trị và xã hội. Ðây là công đoạn chế biến sâu của ngành sản xuất nhôm ở tất cả các quốc gia trên thế giới. Với giá mua bán alumin bằng 12,5-13% giá mua bán nhôm kim loại, việc đầu tư sản xuất nhôm bằng công nghệ điện phân đã được Chính phủ Việt Nam quan tâm kèm theo cả cơ chế chính sách tạo điều kiện cho việc ra đời nhà máy điện phân nhôm đầu tiên tại Việt Nam – Nhà máy nhôm Trần Hồng Quân tại Nhân Cơ, Gia Nghĩa, tỉnh Ðắk Nông.

Dự án Tổ hợp Bauxite - Nhôm Lâm Đồng.

Công nghệ điện phân nhôm được áp dụng tại Nhà máy nhôm Trần Hồng Quân với công suất hàng năm lên đến 450.000 tấn kim loại khi hoàn thành đầu tư; có thể tạo ra hàng hóa quy mô và giá trị lớn, đáp ứng phần lớn nhu cầu Al trong nước; nhưng cũng đặt ta nhiều vấn đề môi trường và kinh tế cần quan tâm. Việc xây dựng định hướng phát triển bền vững ngành công nghiệp alumin – nhôm ở Việt Nam không thể tách rời khỏi việc phân tích và đánh giá khía cạnh kinh tế và môi trường của hoạt động sản xuất nhôm kim loại bằng công nghệ điện phân nhôm sẽ được áp dụng tại nhà máy Trần Hồng Quân và các nhà máy khác trong tương lai. Giá mua bán kim loại nhôm theo số liệu của Công ty InforMine.Com trong 5 năm gần đây được trình bày trong hình bên dưới.

Giá bán kim loại nhôm theo số liệu của công ty InfoMine.com trong 5 năm từ tháng 1/2014 đến tháng 4 /2019.

Theo biểu đồ, giá bán kim loại nhôm trên thị trường dao động, thấp nhất vào năm 2014 vào khoảng 1.500 USD/1 tấn, cao nhất vào năm 2018 là 2.400 USD/tấn. Sự dao động của giá bán nhôm kim loại cũng tuyến tính với sự dao động của giá alumin trên thị trường thế giới. Do đó, quy hoạch phát triển ngành khai thác và chế biến bauxite phụ thuộc rất nhiều vào giá thị trường alumin và nhôm kim loại thế giới.

Công nghệ điện phân nhôm

Công nghệ điện phân nhôm hiện nay chủ yếu thực hiện theo quy trình Hall – Heroult với các nguyên liệu ban đầu là alumin (Al2O3) và chất trợ dung Kriolite (Na3AlF6). Theo công nghệ này, nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp chỉ còn khoảng 950-980 °C. Phương trình để điều chế nhôm là:

2Al2O3 - 4Al + 3O2

Cryôlit nguyên thủy được tìm thấy như một khoáng chất tự nhiên trong các mỏ nguồn gốc pecmatit, nhưng sau đó được thay thế bằng cryôlit tổng hợp.

Các điện cực trong điện phân ôxít nhôm làm từ carbon (C). Khi quặng bị nóng chảy, các ion Al3+ và ion O2- của nó chuyển động tự do.

Phản ứng tại cực âm (catot) mang điện âm là:

Al3+ + 3e- → Al

Ở đây các ion nhôm bị biến đổi (nhận thêm điện tử). Nhôm kim loại sau đó chìm xuống và được đưa ra khỏi lò điện phân.

Tại cực dương (anot), oxy dạng khí được tạo thành:

2O2- → O2 + 4e-

Cực dương carbon bị oxy hóa bởi oxy, do đó cực dương bị hao mòn dần và phải được thay thế thường xuyên vì bị tiêu hao do phản ứng:

C + O2 → CO2

Ngược lại với anot, các catot gần như không bị tiêu hao trong quá trình điện phân do không có ôxy ở gần nó. Catot carbon được bảo vệ bởi nhôm lỏng trong lò. Các catot bị ăn mòn chủ yếu là do các phản ứng điện hóa. Sau 5-10 năm, phụ thuộc vào dòng điện sử dụng trong quá trình điện phân, các lò điện phân cần phải sửa chữa toàn bộ do các catot đã bị ăn mòn hoàn toàn.

Ðiện phân nhôm bằng công nghệ Hall-Heroult tiêu hao nhiều điện năng, nhưng các công nghệ điện phân nhôm khác có nhược điểm về mặt kinh tế và môi trường hơn công nghệ này. Tiêu chuẩn tiêu hao năng lượng của điện phân nhôm bằng công nghệ Hall-Heroult phổ biến là khoảng 14,5-15,5 kWh/kg nhôm thành phẩm. Các lò hiện đại có mức tiêu thụ điện năng khoảng 12,8 kWh/kg. Dòng điện để thực hiện công việc điện phân này đối với các công nghệ cũ là 100.000-200.000 ampe. Các lò hiện nay làm việc với cường độ dòng điện khoảng 350.000 ampe. Các lò thử nghiệm làm việc với dòng điện khoảng 500.000 ampe.

Sơ đồ thiết bị điện phân nhôm theo phương pháp công nghệ Hall-Heroult.

Sơ đồ lò điện phân nhôm được trình bày trong hình 2. Theo đó, hỗn hợp alumin và chất trợ dung Kriolite được gia nhiệt bằng lò gas đạt đến nhiệt độ 950OC-980OC tạo thành dung thể lỏng được chuyển vào lò điện phân. Tại đây quá trình điện phân theo các phản ứng đã nêu trên sẽ tạo ra kim loại nhôm ở đáy lò và chảy vào các khuôn sản phẩm, còn oxy sinh ra tại các cực catot sẽ thoát ra không khí.

Sơ đồ cân bằng vật chất trong quy trình điện phân nhôm từ nguyên liệu alumin. (Nguồn: European Aluminium Association).

Theo kết quả đánh giá vòng đời quy trình điện phân nhôm theo công nghệ Hall-Heroult của Hiệp hội nhôm Châu Âu, sơ đồ cân bằng vật chất trong quá trình điện phân nhôm từ nguyên liệu alumin được trình bày trong hình 3 và số liệu chi tiết thể hiện trong bảng dưới đây..

Số liệu đầu vật liệu đầu vào và đầu ra của quy trình sản xuất 1 tấn nhôm kim loại bằng phương pháp điện phân theo đánh giá vòng đời của Hiệp hội nhôm Châu Âu. (Nguồn: European Aluminium Association)

Như vậy, quá trình sản xuất nhôm kim loại từ alumin tạo ra sự tốn kém rất lớn các chi phí năng lượng điện, than coke, nước, fluorite; đồng thời tạo ra lượng lớn chất ô nhiễm như CO2, SO2, bụi kim loại, bụi F và hơi khí F cùng hợp chất F. Các chi phí đầu vào nguyên vật liệu, năng lượng và chi phí đầu ra của hệ thống xử lý các chất ô nhiễm phát sinh cần được tính toán đầy đủ trong luận chứng kinh tế kỹ thuật nhà máy điện phân nhôm; đặc biệt là các chi phí năng lượng điện ở Việt Nam trong kịch bản Nhà nước xóa bỏ các trợ thuế tài nguyên môi trường hoạt động sản xuất tại các nhà máy nhiệt điện và thủy điện. Thí dụ, nếu công suất của Nhà máy luyện nhôm Trần Hồng Quân là 450.000 tấn/năm thì lượng điện tiêu thụ hàng năm 6.750.000.000.000 KWh. Với giá mua điện ưu đãi theo quyết định 822/QÐ-TTg của Chính phủ [8] là 5 USD-cents/KWh với mức giá bán điện bình quân hiện nay của EVN là 7,5 USD-cents/KWh thì mức trợ giá về điện cho Nhà máy luyện nhôm Trần Hồng Quân hàng năm 168.750.000 USD. Dự kiến khi giá điện tăng do xóa bỏ dần trợ thuế của Nhà nước cho các nhà máy nhiệt điện và thủy điện thì mức trợ giá điện đối với nhà máy luyện nhôm sẽ tăng rất nhanh.

Ước lượng mức trợ giá của Nhà nước cho nhà máy luyện nhôm khi giảm dần trợ thuế cho các nhà máy nhiệt điện và thủy điện.

Như vậy, nếu giá bán điện của Nhà nước được hạch toán theo hướng bỏ dần các trợ thuế tài nguyên và môi trường trong sản xuất điện thì mức trợ cấp cho các nhà máy luyện nhôm từ alumin trong trường hợp giữ nguyên giá bán điện theo quyết định của Chính phủ sẽ lớn dần theo ước lượng. Trong trường hợp tính đầy đủ các chi phí giao thông, bảo vệ môi trường và các loại tài nguyên khác sử dụng trong công nghệ điện phân nhôm cùng với các trợ giá năng lượng ước lượng trên sẽ làm cho hiệu quả kinh tế của các nhà máy luyện nhôm giảm, thậm chí có thể rất thấp so với vốn đầu tư. Ðiều này cần cân nhắc trong các quy hoạch phát triển ngành công nghiệp nhôm Việt Nam trong tương lai.

Tác động môi trường của nhà máy điện phân nhôm

Các tác động môi trường trực tiếp: Việc phát triển các nhà máy luyện nhôm tạo ra các nguồn ô nhiễm đối với môi trường xung quanh cho dù việc đầu tư được kiểm soát bằng các biện pháp chính sách, kỹ thuật công nghệ. Dựa vào bảng trên có thể dự báo một số tác động tiêu cực trực tiếp của các nhà máy tới môi trường tự nhiên và xã hội khu vực trong quá trình xây dựng và vận hành như sau:

Tác động tới môi trường không khí: Các chất ô nhiễm không khí gây tác động gồm bụi kim loại, bụi F, SO2, NO2, CO2, hợp chất F, tiếng ồn, mùi.

Tác động tới môi trường nước: Tiêu hao một lượng nước lớn, phát sinh nước thải chứa kim loại nặng và hợp chất F.

Tác động tới môi trường đất: Mất đất canh tác, ô nhiễm đất bởi kim loại nặng, gia tăng cường độ phông phóng xạ do sử dụng sản phẩm Criolite hoặc Fluorite.

Tác động khác: tác động tới môi trường sống của sinh vật cạn và sinh vật nước, làm thay đổi cảnh quan.

Tác động tới môi trường xã hội: Cơ sở hạ tầng kỹ thuật khu vực, gia tăng sự chênh lệch giàu nghèo giữa các nhóm xã hội và giữa lao động người kinh với người dân tộc địa phương.

Các tác động gián tiếp: Phát triển các nhà máy luyện nhôm tại khu vực Tây Nguyên có thể tạo ra các tác động tích cực trong chuyển dịch kinh tế địa phương, nhưng cũng có thể tạo ra các tác động tiêu cực gián tiếp tới kinh tế xã hội của cả nước. Các tác động này bao gồm:

Tăng nhu cầu năng lượng điện của cả nước, dẫn đến việc xây thêm các nhà điện (nhiệt điện, thủy điện, điện hạt nhân, điện từ các nguồn năng lượng tái tạo khác) trong lúc đất nước thiếu than, gặp khó khăn trong cung cấp nguồn điện cho phát triển công nghiệp và điện sinh hoạt.

Sức ép về giao thông vận tải để đáp ứng nhu cầu vận chuyển nguyên liệu đầu vào và sản phẩm đầu ra của các nhà máy luyện nhôm.

Sức ép về nguồn nước đối với cây công nghiệp và các ngành kinh tế khác của các tỉnh Tây Nguyên, đặc biệt trong bối cảnh cả nước đang đối mặt với các tác động biến đổi khí hậu ngày càng mạnh mẽ.

Các nguồn nguyên liệu phụ gia khác: Than coke, Criolite chủ yếu phải nhập khẩu từ nước ngoài có thể gặp phải các biến động về giá và nguồn cung cấp.

Các rủi ro và biến động thị trường alumin và nhôm kim loại thế giới có thể làm thay đổi lợi nhuận của các nhà máy sản xuất alumin và luyện nhôm. Khi giá alumin và giá nhôm xuống thấp có thể gây ra tác động nhiều mặt tới kinh tế xã hội và Ngân sách Nhà nước.

Công nghệ điện phân nhôm được áp dụng tại Việt Nam đặt ra nhiều vấn đề môi trường cần quan tâm. (Ảnh minh họa)

Từ những điều trình bày ở trên có thể đưa ra một số kết luận sơ bộ sau:

Công nghệ điện phân alumin để sản xuất nhôm kim loại thuộc loại công nghệ truyền thống, trong đó phương pháp điện phân Hall – Heroult được phát minh vào năm 1886 là nền tảng cơ bản của các nhà máy luyện nhôm từ alumin. Ðây là công nghệ lần đầu tiên được áp dụng ở Việt Nam tại Nhà máy luyện nhôm Trần Hồng Quân. Ngoài các chi phí thiết bị hiện, việc tiêu tốn rất nhiều điện năng trong hoàn cảnh tập đoàn EVN có nhu cầu cao trong phát triển nguồn điện để đáp ứng sự phát triển kinh tế xã hội đất nước là rào cản chính cho sự phát triển các nhà máy luyện nhôm.

Các nhà máy luyện nhôm sau khi ra đời có thể tạo ra các tác động tiêu cực trực tiếp và gián tiếp tới môi trường địa phương. Ðó là ô nhiễm không khí, ô nhiễm nước, đất; cũng như gia tăng nhu cầu sử dụng nước cho sản xuất. Các tác động trên tới môi trường tự nhiên và môi trường kinh tế xã hội của các tỉnh Tây Nguyên.

Cần phân tích và tính toán đầy đủ các tác động và chi phí tài nguyên môi trường trong việc đầu tư các nhà máy luyện nhôm trên địa bàn các tỉnh Tây Nguyên trước khi quyết định phát triển mở rộng.

Kỳ 3: Giải pháp nào cho việc xử lý bùn đỏ phát sinh tại các nhà máy alumin Tây Nguyên?

Kỳ 2: Công nghệ sản xuất Alumin và các vấn đề cấp bách về môi trường

Kỳ 1: Tiềm năng khoáng sản Bauxite Việt Nam

Nhóm PV