Giải pháp tăng hiệu suất, giảm phát thải các nhà máy nhiệt điện than

Đi tìm lời giải cho bài toán tối ưu hiệu quả nhiên liệu và giảm phát thải khí ô nhiễm ở các nhà máy nhiệt điện than, các nhà khoa học đã thử nghiệm hai chất phụ gia mới. Kết quả ban đầu khá khích lệ khi bổ sung phụ gia vào quá trình đốt giúp nhà máy giảm được khoảng 2% lượng than tiêu thụ và cắt giảm được ít nhất 5% lượng khí NOx, SOx phát thải.

Dù có nhiều “tai tiếng” thì các nhà máy nhiệt điện than vẫn là một nguồn cung năng lượng quan trọng cho Việt Nam, ít nhất trong 20-30 năm tiếp theo. Nhiều chuyên gia cho rằng, trong bối cảnh hiện không thể đoạn tuyệt với điện than, cần tìm các giải pháp và chính sách khiến việc đốt than trở nên “sạch” hơn.

Đó là lý do vì sao, một nhóm nghiên cứu do Viện Năng lượng dẫn đầu đã tập trung vào việc tìm giải pháp cho hai vấn đề là nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu than và giảm phát thải các khí thải trong quá trình đốt tại nhà máy nhiệt điện than trong đề tài “Nghiên cứu, thử nghiệm đốt than kèm chất phụ gia để tăng hiệu suất và giảm phát thải khí ô nhiễm cho nhà máy nhiệt điện đốt than” (KC.05.19/16-20).

Trong quá trình đốt than, bên cạnh khí thải CO2 gây hiệu ứng nhà kính và bụi, các tạp chất trong than như lưu huỳnh và nitơ được giải phóng ra ngoài dưới dạng khí NOx, SOx – nguyên nhân không chỉ gây hại đến sức khỏe, hệ sinh thái, mà còn là tác nhân tạo thành “mưa axit”,...

Từ trước đến nay, nhiều nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam đã áp dụng các công nghệ để xử lý các chất ô nhiễm như vậy, chẳng hạn như lắp các hệ thống khử lưu huỳnh (bằng đá vôi, nước biển, dung dịch đá vôi…), khử nitơ (loại không có xúc tác hoặc có sử dụng xúc tác chọn lọc), lắp đặt các thiết bị lọc bụi (tĩnh điện, túi).

Bên cạnh đó, cũng đã có một vài giải pháp kỹ thuật được nghiên cứu áp dụng giúp tăng hiệu suất, giảm nhiên liệu tiêu thụ, từ đó giảm lượng phát thải CO2 phù hợp với điều kiện Việt Nam, như thiết kế ra vòi phun UD để than dễ bắt cháy hơn, hoặc trộn phối than trong nước với than nhập khẩu nhằm cải thiện chất lượng than đốt mà hiện nay đang được các nhà máy nhiệt điện than trong nước áp dụng rộng rãi.

Trong đề tài này, nhóm nghiên cứu ở Viện Năng lượng đã tập trung vào việc tối ưu hóa quá trình cháy bằng cách sử dụng phụ gia. “Chất phụ gia (hay chất xúc tác) đều có chung cơ chế làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng hạt nhiên liệu than, qua đó có thể giúp cho phản ứng xảy ra nhanh hơn hay xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn“, TS. Nguyễn Chiến Thắng, một trong những thành viên chủ chốt của dự án giải thích.

Ý tưởng này không mới, chúng đã được sử dụng ở những nước có nhiều nhà máy nhiệt điện than như Ấn Độ, Mỹ và Trung Quốc. Ở Việt Nam, cũng đã có một số ít nhà máy xi măng, nhà máy đốt dầu, nhà máy nhiệt điện Sơn Động và Công ty Cổ phần Nhiệt điện Ninh Bình đã đưa vào thử nghiệm.

“Tuy nhiên, các thử nghiệm này mới chỉ ở quy mô của nhà cung cấp giới thiệu phụ gia, chưa xây dựng thành chương trình thí nghiệm để đánh giá kết quả bài bản và mới chỉ được thực hiện ở các nhà máy có quy mô công suất nhỏ, nên chưa đủ để khẳng định liệu giải pháp này có hiệu quả hay không. Do vậy, chúng tôi thực hiện nghiên cứu này để lựa chọn các chất phụ gia thích hợp với điều kiện Việt Nam và đánh giá hiệu quả của chúng trên những nhà máy đốt than quy mô đại diện hơn, đặc biệt là các nhà máy sử dụng công nghệ lò hơi đốt than phun và dùng than Antraxit nội địa”, anh nói.

Việc giải được bài toán này rất có ý nghĩa với Việt Nam bởi hiện có hơn 70% số lượng nhà máy đang hoạt động ở Việt Nam đều sử dụng công nghệ lò hơi đốt than phun. Mặt khác, nhiên liệu than Antraxit nội địa vốn có nhược điểm cố hữu là chất lượng thấp, khó bắt cháy, hàm lượng tro và lưu huỳnh cao hơn so với các loại than nhập ngoại.

Tuy nhiên, việc đi tìm được các chất phụ gia phù hợp không dễ. Trên thị trường cung cấp phụ gia cho các nhà máy nhiệt điện than có vô vàn các chất như thế, chất nào cũng hứa hẹn là ứng cử viên tốt. Nhưng trên thực tế, thì không phải tất cả chúng đều phù hợp với yêu cầu. Cuối cùng, thông qua lựa chọn từ các nhà cung cấp hàng trên thế giới, các nhà nghiên cứu đã lựa chọn hai loại phụ gia là Reduxco của Ba Lan và Eplus của Đài Loan để thực hiện các thí nghiệm trong lab và tại nhà máy.

Khi phối trộn với than nhiên liệu, các chất này phản ứng với nước, sản sinh ra một lượng lớn các gốc tự do khiến những phản ứng oxy hóa khử với carbon trong lò đốt diễn ra nhanh hơn, mạnh hơn và than cháy kiệt hơn. Do đó, nó làm giảm phát sinh những sản phẩm phụ của quá trình đốt như tro bay và xỉ đáy lò.

Th.S Nguyễn Thị Thu Huyền, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết phụ gia Eplus còn có thành phần TiO2 – một chất trơ trong điều kiện bình thường nhưng dưới tác động của nhiệt độ sẽ chuyển sang dạng có khả năng phản ứng mạnh. Chất xúc tác TiO2 cơ chế phản ứng quang hóa nhờ khả năng hấp thụ ánh sáng, nhờ đó tạo môi trường đốt giàu oxy hơn (từ 3-4%) để thúc đẩy hiệu suất cháy của nhiên liệu.

“Khi than cháy kiệt hơn, hàm lượng carbon còn lại trong tro bay và xỉ đáy lò sẽ giảm đi. Điều này rất quan trọng với các nhà máy nhiệt điện đốt than bởi khi đó, tro xỉ sẽ đáp ứng được các chi tiêu về chất lượng (như carbon còn lại trong tro <6%) để trở thành vật liệu có thể sử dụng được trong hoạt động xây dựng, sản xuất vật liệu xây dựng như sản xuất xi măng..., tạo điều kiện cho kinh tế tuần hoàn”, TS. Thắng nhận xét.

Không chỉ có vậy, oxy hoạt hóa được tạo ra từ phản ứng do chất phụ gia tạo ra sẽ kết hợp với lưu huỳnh, nitơ hữu cơ có trong than và tạo thành gốc sunphat, nitrat. Những nhân tố này khi gặp các ion kim loại có trong nhiên liệu (như Magie, Canxi, Bari…) sẽ tạo thành muối, rơi xuống đáy lò cùng xỉ, làm giảm lượng Nitơ và lưu huỳnh nhiên liệu tham gia phản ứng oxy hóa khử thành các khí SOx, NOx độc hại thoát ra ngoài. Cả hai vấn đề khó của quá trình đốt than đã được các phụ gia hóa giải theo cách như vậy.

Trong hơn nửa tháng thử nghiệm tại lò hơi số 3 công suất 300MW của nhà máy nhiệt điện Hải Phòng, nhóm nghiên cứu đã đo đạc được nhiều thông số khác nhau của quá trình đốt trong lò hơi khi có và không sử dụng từng chất phụ gia.

Theo đó, cả Eplus và Reduxco đều đạt mục tiêu đặt ra với lò than PC sử dụng nhiên liệu than Antraxit, khi giúp tăng hiệu suất lò hơi trung bình khoảng 1%, giảm lượng than tiêu thụ khoảng 2.6%, hàm lượng carbon còn trong tro xỉ giảm khoảng 2.4% và các nồng độ loại khí thải NOx và SOx trong khói thải giảm trung bình giảm lần lượt 6.3% và 12.2%.

Thực hiện thí nghiệm nhiều lần với các nồng độ phụ gia khác nhau và ở nhiều chế độ phụ tải để tìm ra tỷ lệ nồng độ phối trộn và đốt tối ưu cho nhiên liệu, các tác giả tìm ra con số phù hợp dao động từ 55 - 65 ml/tấn than.

Họ cũng phát hiện phụ gia Eplus có ưu thế hơn về khả năng tăng hiệu suất đốt, giảm suất tiêu hao than, giảm hàm lượng carbon còn lại trong tro xỉ còn phụ gia Reduxco tỏ ra hữu ích hơn khi giảm hàm lượng khí thải phát thải (SOx, NOx).

Nhưng có dễ sử dụng hai chất phụ gia này? Nhóm nghiên cứu đã thiết kế một hệ thống bơm cấp và tái hóa khí, gồm đường ống dẫn dung dịch từ bên ngoài vào hệ thống cấp gió vào lò hơi của tổ máy, bao gồm máy bơm nhỏ, vòi phun và ống nhựa dẫn dung dịch, khí nén. “Hệ thống này có thể vận hành hoàn toàn tự động và lắp được ở hầu hết các nhà máy nhiệt điện đốt than hiện nay" TS. Thắng nói.

Các nhà nghiên cứu tính toán thành hiệu quả kinh tế giải pháp này: với phụ gia Reduxco, phần chi phí tiết kiệm nhờ giảm tiêu hao nhiên liệu không bù đắp được chi phí tăng thêm do mua phụ gia; với phụ gia Eplus, trung bình mỗi năm, việc tiết kiệm nhiên liệu và mua phụ gia cho tổ máy đem lại lợi nhuận ròng khoảng 15 tỷ đồng (~0.65 triệu USD).

“Rộng hơn, nếu tính đến chi phí xã hội phải chi trả về thiệt hại môi trường, sức khỏe và biến đổi khí hậu giảm được, thì con số này còn có thể lên tới 1.5 – 5 triệu USD cho một tổ máy và nhiều hơn nữa cho cả nhà máy. Dĩ nhiên, về khía cạnh này, Reduxco lại tỏ ra bảo vệ môi trường tốt hơn so với Eplus”, Th.S Huyền chia sẻ.

Tiềm năng kinh tế của giải pháp này còn lớn hơn những con số nêu trên, bởi trong thí nghiệm này, lò hơi số 3 của nhà máy nhiệt điện Hải Phòng phải vận hành theo điều độ của Trung tâm điều độ hệ thống điện quốc gia nên các điều kiện thí nghiệm khi đốt kèm phụ gia chưa được điều chỉnh về tối ưu, đặc biệt là chế độ phụ tải, khiến các “kết quả chưa hẳn phản ánh đủ và ở mức tốt nhất”, nhóm nghiên cứu cho biết.

Hứa hẹn là vậy nhưng các nhà máy nhiệt điện than ở Việt Nam có thực sự cần giải pháp của họ? Về mặt kỹ thuật, với các kết quả khả quan hiện có, nhóm tác giả đều cho rằng giải pháp đốt than kèm phụ gia, đặc biệt là Eplus, “hoàn toàn có thể áp dụng đại trà được ngay“ và khuyến nghị nên lập tức có cơ chế để thúc đẩy các nhà máy này sử dụng./.