1. Nguyên lý về thành phần vật chất

Chất thải ở dạng nguyên liệu hay nhiên liệu sau quá trình đốt cặn bã còn lại có thành phần vật chất phù hợp với thành phần xi măng như: CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 …

2. Nguyên lý xử lý ô nhiễm môi trường

Để thiêu huỷ chất thải an toàn và hợp lý, phải thiêu đốt ở nhiệt độ cao. Quá trình thiêu đốt nhiệt độ cao thực chất là phân huỷ bằng nhiệt các phân tử hữu cơ và biến chúng thành CO2 và nước. Để đạt được tình trạng phân huỷ hoàn toàn cần có nhiệt độ đủ cao, cung cấp đủ ôxy, thời gian lưu cháy và điều kiện trộn tốt. Các lò chuyên dụng và lò xi măng đều có thể đáp ứng được các yêu cầu này. Tuy nhiên, thông thường lò nung xi măng đạt được thời gian lưu cháy lâu hơn (6-10 giây) và nhiệt độ cao hơn (>1.400oC) so với các lò đốt chất thải chuyên dụng. Mặt khác, ở lò nung xi măng tính kiềm của xi măng sẽ trung hoà axít clohydric và các axit dạng khí khác sinh ra trong quá trình đốt cháy chất thải. Do vậy, lò nung xi măng là một loại lò đạt hiệu suất phá huỷ rất cao cũng như hiệu quả làm sạch khí thải ưu việt. Đó cũng là lý do vì sao lò nung xi măng là lý tưởng đối với việc thiêu đốt chất thải.

II. Các vấn đề môi trường cần quan tâm khi sử dụng chất thải làm nguyên liệu, nhiên liệu trong sản xuất xi măng 

1. Phát thải khí

- Ô nhiễm bụi
- Ô nhiễm do khí độc: kim loại, Hcl, Dioxin/Furan, SO2, NOX, CO.

2. Các vấn đề khác

- Ô nhiễm do khâu quản lý chất thải
- Ô nhiễm do tiếp xúc trực tiếp của người tham gia xử lý hoặc thiêu đốt chất thải.
- Ô nhiễm do sự cố môi trường xảy ra trong quá trình vận hành.
Trong quá trình thiêu đốt chất thải trong lò nung xi măng cần quan tâm đến các thông số kỹ thuật sau: (xem bảng 1 và bảng 2).

III. Lợi ích của việc sử dụng nguyên liệu, nhiên liệu trong sản xuất xi măng 

1. Lợi ích kinh tế trước mắt

- Lò nung xi măng sẽ tận dụng được nhiệt năng từ việc đốt cháy các chất thải thay thế tiết kiệm khoảng 20-25% nhiên liệu cho quá trình đốt.

- Có thể đưa vào lò nung clinker một lượng nhất định khoảng 5-10% chất thải để thiêu huỷ. Các chất thải này sẽ là thành phần phụ gia cho xi măng, trong quá trình thiêu đốt các chất này sẽ tương tác hoặc kết hợp với nguyên liệu xi măng và không ảnh hưởng đến thành phần xi măng. Như vậy sẽ góp phần tiết kiệm 5-10% nguồn tài nguyên nguyên liệu phục vụ sản xuất xi măng.

2. Lò nung xi măng hoạt động ở nhiệt độ cao (>1.400oC), có khả năng xử lý được nhiều loại chất thải, trong đó có nhiều loại chất thải nguy hại với khối lượng lớn.

Mặt khác, do thành phần xi măng có tính kiềm cao nên có khả năng trung hoà axit clohydric và các axit dạng khí khác sinh ra trong quá trình đốt cháy khí thải, thời gian lưu cháy trong lò khoảng 6-10 giây. Do vậy, lò nung xi măng là một loại lò đạt hiệu suất phá huỷ rất cao cung như hiệu quả làm sạch khí thải rất lớn, kể cả đối với Dioxin, Furan.
IV. Các bước tiến hành và yêu cầu bảo vệ môi trường của quá trình sử dụng chất thải làm nguyên liệu, nhiên liệu trong sản xuất 

- Dầu đã qua sử dụng
- Bùn cặn (công nghiệp lọc dầu, nhà máy hoá chất, sản xuất giấy ...)
- Dung môi đã qua sử dụng
- Sơn
- Thuốc trừ sâu có nguồn gốc hữu cơ
- Bùn xưởng in
- Dầu axit/chất lỏng kiềm thải bỏ
- Tro từ các nhà máy công nghiệp, các quá trình thiêu đốt.
- Lốp xe thải
- Cao su thải
- Nhựa
- Vinyl
- Giấy/gỗ thải
- Bùn cặn sau xử lý nước thải
- Chất thải vô cơ
- Xỉ
- Cát đúc khuôn, cát từ xưởng đúc thải bỏ

- Chất thải là các axit mạnh (sulfuric, nitric, clohydric...)
- Chất thải là các kiềm mạnh (Na2O, K2O)
- Chất nổ
- Chất phóng xạ
- Chất thải y tế
- Pin
- Chất thải axit khoáng
- Chất thải điện tử - Kim loại vụn

- Nhiệt trị: không nhỏ hơn 12700 kJ/kg chất thải.
- Độ ẩm: càng nhỏ càng tốt
- Tổng lượng kiềm tính theo tổng K2O và Na2O nhỏ hơn 4%.
- Tổng lượng Cl < 500ppm
- Hàm lượng kim loại bay hơi có nhiệt độ nóng chảy thấp: nhỏ hơn 1000 ppm, tuy nhiên riêng Hg, Cr, As và Cd nhỏ hơn 150 ppm.
- Nếu chất thải ở dạng rắn thì yêu cầu kích thước càng nhỏ càng tốt. Khi chất thải có kích thước to hơn (như lốp xe cũ) cũng có thể được sử dụng khi lắp thêm thiết bị để nạp.

2. Xử lý trung gian chất thải trươc khi đưa vào lò nung xi măng (tiền xử lý)

- Các loại chất thải khi đưa vào thiêu đốt trong lò nung xi măng cần phải được tiền xử lý sao cho phù hợp với các thiết bị của lò nung.

- Tuỳ thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng công nghệ sản xuất xi măng mà việc tiền xử lý được áp dụng theo phương pháp thích hợp, đảm bảo được các yêu cầu về chất lượng sản phẩm và các tiêu chuẩn về môi trường cho phép.

- Khi chất thải có hàm lượng PCBS lớn hơn 50 ppm, cần tiền hành những thí nghiệm về quá trình đốt kèm theo qua trình quan trắc cẩn thận để khẳng định khỉ thải đạt tiêu chuẩn về PCB. Nếu không thì phải tiến hành pha lo•ng nhiên liệu này bằng loại nhiên liệu không có PCBS.

3. Vận chuyển và lưu giữ chất thải trước khi đưa vào lò nung xi măng

Vận chuyển chất thải đến nhà máy xi măng:

- Việc vận chuyển chất thải đến nhà máy xi măng phải tuân thủ theo các quy chế quản lý chất thải nguy hại của nhà nước.

Tiếp nhận và lưu giữ chất thải trong khu vực nhà máy xi măng:

- Khu vực tiếp nhận và lưu giữ chất thải phải có dấu hiệu cảnh báo.
- Khu vực lưu giữ chất thải trong nhà máy xi măng phải đảm bảo an toàn về mặt xây dựng, kết cấu và phù hợp với bản chất và khối lượng của chất thải thu nhận.
- Các loại chất thải khác nhau phải được lưu giữ ở những khu vực nhỏ khác nhau và mỗi khu vực nhỏ chứa từng loại chất thải phải có dấu hiệu cảnh báo an toàn.
- Các thùng chứa chất thải dạng rời (không bao bì) phải có dung tích ít nhất lớn hơn thể tích chất thải 10%, phải được chế tạo từ vật liệu phù hợp với chất thải lưu giữ, kết cấu phải đảm bảo an toàn và hợp lý trong thao tác (nạp chất thải và lấy chất thải). Với những loại chất thải dễ biến đổi thể tích trong quá trình lưu giữ phải có bao bì thứ cấp đề phòng tràn chất thải.
- Phải có hệ thống mái, che chắn và thoát nước mưa đảm bảo nước mưa không xâm nhập vào chất thải.
- Phải có hệ thống tường hoặc đê bao hay mương đề phòng sự cố.
- Phải có hệ thống thông gió và chiếu sáng phù hợpV. Khi đưa chất thải vào lò nung xi măng

Trước khi chính thức sử dụng chất thải làm nguyên liệu, nhiên liệu trong lò nung xi măng cần tiến hành đốt thử nghiệm nhằm xác định các chế độ tối ưu, xác định các tác động của việc đốt các chất thải đến môi trường và đến sức khoẻ của con người.

Quá trình đốt thử nghiệm cần thực hiện các bước sau:

1. Lập kế hoạch đốt thử nghiệm: 

Xác định tính chất và thành phần của chất thải đem đốt, kỹ thuật lấy và phân tích mẫu, điều kiện vận hành của lò nung, thiết bị kiểm soát và quan trắc môi trường. Kế hoạch này là căn cứ để kiểm tra hiệu quả việc xử l‎ý chất thải và xác lập các điều kiện vận hành lò nung.

Kế hoạch đốt thử nghiệm chất thải bao gồm:

Mô tả nhà máy, lò nung xi măng và hệ thống kiểm soát:

- Vị trí nhà máy: Cần mô tả rõ vị trí của nhà máy dự định đốt chất thải, giấy phép đầu tư, công suất đốt, nguồn điện sử dụng, môi trường dân cư xung quanh nhà máy.
- Nguyên liệu: Cần mô tả rõ các nguồn nguyên liệu khai thác và sử dụng cho nhà máy, lượng nguyên liệu sử dụng trong ngày, tháng, năm, phương thức vận chuyển, chế biến.
- Chuẩn bị nguyên liệu thô: phương thức chuẩn bị, tỉ lệ pha trộn, yêu cầu đạt được trước khi đưa vào nung.
- Hệ thống xử lý nhiệt: mô tả cấu tạo, công suất của tháp tiền nung, vị trí lấy mẫu, các thông số cơ bản của các luồng khí.
- Hệ thống điều khiển trung tâm: mô tả đầy đủ hệ thống kiểm soát trung tâm, chức năng các bộ phận của hệ thống điều khiển.

Mô tả đặc tính chất thải được sử dụng đốt thử nghiệm:

Cần mô tả rõ nguồn gốc của chất thải, tính chất của chất thải, lượng chất thải được sử dụng để đốt, có kèm theo kết quả phân tích mẫu chất thải trước khi đưa vào lò đốt.

Thời gian biểu đốt thử nghiệm:

Nhà máy cần lập một thời gian biểu chi tiết cho việc đốt thử nghiệm chất thải, bao gồm: thời gian chuẩn bị, kiểm tra lò đốt, thời gian vận chuyển lưu giữ chất thải, thời gian đốt, thời gian thực hiện đo khí thải trước, trong và sau khi đốt, thời gian phân tích và báo cáo kết quả đốt thử nghiệm.

Thủ tục khí đốt chất thải:

Các điều kiện vận hành của lò nung và hệ thống điều khiển được đề cập trong phần thủ tục khi đốt chất thải bao gồm:

- Nhiệt độ đầu lò
- Hàm lượng CO tại đầu lò
- Hàm lượng O2 tại đầu lò
- Loại chất thải và lưu lượng cho vào lò
- Hiệu suất nhiệt
- Lưu lượng khí vào lò
- Lưu lượng nhiên liệu vào lò
- Khối lượng và chất lượng clinker
- Nhiệt trị và thành phần clo của chất thải

Lấy mẫu theo dõi quá trình hoạt động của lò:

Phương pháp lấy, phân tích và kiển soát mẫu cần được tiến hành theo đúng các tiêu chuẩn của Việt Nam hoặc tham khảo áp dụng các tiêu chuẩn của Mỹ hoặc Canada.

Các thông số cần được xác định trong quá trình đốt thử nghiệm bao gồm:

- Nhiệt độ, tốc độ gió và lưu lượng khí
- Thành phần độ ẩm khí ở ống khói lò
- O2, CO2 và CO phát thải từ ống khói
- Tổng lượng các thành phần hữu cơ dễ bay hơi, ôxit nitơ, SO2 , tổng các hạt rắn.
- Hydrogen chloride và chlorine
- Các kim loại
- Dioxin, Furan, PCBS và các hydrocacbon để mạch vòng dễ bay hơi (PAHS).

Cần lấy mẫu khí thải 8 giờ trước khi cho chất thải vào lò và 8 giờ sau khi hoàn tất đốt thử nghiệm để so sánh. Trong quá trình đốt, cứ 2 giờ 1 lần kể từ khi cho chất thải vào lò cần lấy mẫu nhiên liệu thô, nhiên liệu hoá thạch và bụi để phân tích các chỉ tiêu sau: As, Be, Cd, CO, Cr, Cu, Hg, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, Te, Tl, V, Cl, F, Si, Al, Fe, Ca, Mg, K, Na và SO2.

- Cần lấy và phân tích 2 hợp chất Fenobucab và Fipronil nhằm xác định sự phân huỷ hoàn toàn của chất thải.
- Hoạt động của lò và các thiết bị điều khiển liên quan sẽ đượctheo dõi trong suốt quá trình đốt thử nghiệm.

Kiểm soát chất lượng chất thải:

- Các thành phần cơ bản của sơ đồ kiểm soát chất thải cho việc đốt thử nghiệm, bao gồm:

+ Tiêu chuẩn chất thải
+ Kiểm soát việc giao nhận chất thải
+ Quy trình lấy mẫu và lưu giữ chất thải

Để đảm bảo an toàn, quá trình đốt thử nghiệm chất thải cần lựa chọn chất thải nguy hai đặc trưng cho các loại chất thải nguy hại hiện có ở nước ta. Tiêu chuẩn cho các chất thải nguy hại dạng lỏng dùng đốt thử nghiệm luôn được đối chiếu với 4 yếu tố cốt yếu của kiểm soát chất lượng chất thải: vận hành nhà máy, chất lượng sản phẩm, sức khoẻ và an toàn, tác động môi trường.

2. Vận hành nhà máy:

- Trong quá trình đốt: cần thường xuyên kiểm soát độ ẩm, thành phần tro, lưu huỳnh, kiềm, halogen, nhiệt trị.
- Trong quá trình tiền sử lý: cần thường xuyên kiểm soát độ nhớt hoặc tỷ trọng, thành phần chất rắn, pH, tính không trộn lẫn, điểm chớp cháy…

3. Chất lượng chất thải:

Thành phàn tro, lưu huỳnh, halogen, kim loại nặng, các nguyên tố gây trở ngại, cho lò như kiểm, phốt phát, các bon, phóng xạ.

4. An toàn sức khoẻ:

Trong quá trình đốt cần kiểm soát các chất như: PCB, kim loại nặng, xianua, thuốc trừ sâu, phóng xạ, chất lây nhiễm, sợi amiăng và kiểm soát giới hạn điểm chớp cháy, độ pH.

5. Tác động đến môi trường:

- Phát thải khí quyển: kim loại nặng, cacbon hữu cơ dễ bay hơi, lưu huỳnh, halogen, cianua, nitrogen, amoniăc.
- Thành phần nước thải và tro lắng: kim loại nặng, các chất hữu cơ, các thành phần hoà tan khác.