Trong phạm vi sản xuất năng lượng tái tạo, sử dụng sinh khối là phương án được dự báo sẽ đạt mức tăng trưởng cao nhất trong những năm tới. Hướng tập trung chủ yếu sẽ là thu hồi năng lượng từ phế liệu nông nghiệp và lâm nghiệp. Thế nhưng nguồn tài nguyên sinh khối có thể khai thác là có hạn, do vậy làm sao để sử dụng tối đa nhiên liệu là hết sức quan trọng. Các công nghệ cần áp dụng phải hiệu quả, ổn định và hiệu quả về chi phí.

Công ty Wien Energie đã cân nhắc các vấn đề trên và áp dụng cho Dự án nhà máy điện sinh khối Simmering (tại Viên - thủ đô Áo), với công suất 23 MW điện.

Giới thiệu chung

Hiện nay có một số công nghệ về sử dụng sinh khối. Để đánh giá lựa chọn công nghệ áp dụng cho một dự án cụ thể, cần tiến hành phân tích chi tiết. Nếu không phân tích toàn bộ chu kỳ tuổi thọ của nhà máy thì không thể đưa ra kết luận có cơ sở ngay từ ban đầu. Tính kinh tế của nhà máy dựa vào các nhân tố sau: loại sinh khối được xác định trong bản phân tích cơ sở (tiềm năng khai thác sinh khối ảnh hưởng chủ yếu tới qui mô của nhà máy); giá tổng của sinh khối (bao gồm cả dự báo biến động giá trong tương lai); và chi phí tổng của nhà máy. Cần phải cân nhắc các hạng mục chính như chí phí đầu tư, chi phí vận hành và bảo trì, chi phí vốn trung bình. Từ kết quả tính toán kinh tế trên sẽ xác định được công nghệ ưu tiên chọn.

Ví dụ cụ thể của các công nghệ này chính là các công nghệ được chọn cho hai dự án do Siemens PG thực hiện. Đó là Nhà máy điện sinh khối Monopoli ở miền nam Italia được đưa vào vận hành từ đầu năm 2004 và Nhà máy điện sinh khối Simmering ở Viên.

Giới thiệu chung về nhà máy Simmering

Công ty Wien Energie, Hiệp hội Rừng Liên bang Áo và Công ty Sưởi ấm đô thị Viên xây dựng nhà máy này trên một phần đất của nhà máy điện hiện có tại thành phố Viên. Công trình tận dụng một số bộ phận của nhà máy điện cũ. Nhà máy này là một trong số những nhà máy điện sinh khối lớn nhất thế giới chạy hoàn toàn bằng củi gỗ ngành lâm nghiệp. Tổng đầu tư lên tới khoảng 52 triệu euro. Siemens PG là nhà thầu chính và là nhà cung cấp chìa khoá trao tay. Các dữ liệu chính về nhà máy được nêu trên (Bảng 1).

Bảng 1. Dữ liệu chính về nhà máy điện Simmering

Mục tiêu chính của nhà máy Simmering là phát điện quanh năm. Nhà máy vận hành ở chế độ phụ tải đáy, mỗi năm hoạt động 8.000 giờ. Nhà máy điện được thiết kế để làm việc với số giờ tối đa vận hành đầy tải có thể, và với độ khả dụng tương đối cao nếu so sánh với các nhà máy cùng loại.

Các hệ thống chính của nhà máy điện  bao gồm các hệ thống đầu vào nhiên liệu (bunke), tích trữ nhiên liệu (silô) và vận chuyển nhiên liệu, lò sinh hơi (lò hơi CFB), làm sạch khói thải (hấp thụ khô) và năng lượng (tuabin ngưng hơi, trích hơi). Bố trí chung của nhà máy được trình bày trên ảnh.

Quanh năm, nhiên liệu chính là gỗ củi tươi băm nhỏ, hàm lượng nước trung bình khoảng 40%. Lưu lượng khối nhiên liệu theo thiết kế là khoảng 184.000 tấn/năm (xấp xỉ 23,4 tấn/giờ). Tuy nhiên nhà máy cũng được yêu cầu thiết kế để sử dụng hỗn hợp nhiên liệu bao gồm củi gỗ tươi, vỏ cây và củi gỗ phế thải chưa qua xử lý. Trong hỗn hợp nhiên liệu sẽ có thành phần củi gỗ phế thải, hàm lượng nước trung bình xấp xỉ 15%, mức sử dụng tối đa hằng năm là 30.000 tấn.

Nhiên liệu được chở bằng xe tải đến nhà máy và đổ vào bunke. Củi gỗ băm nhỏ được vận chuyển bằng sàn di động và băng tải, sau đó đổ vào silô có dung tích là 7.500 m3.

Trước khi đưa vào cất trong silô, củi gỗ băm nhỏ được bộ phân ly loại bỏ các phần tử sắt thép và thiết bị sàng lọc giữ lại những phần tử quá cỡ, nhờ đó đảm bảo nhiên liệu lưu kho đáp ứng các yêu cầu của hệ thống đốt. Từ silô, sinh khối phù hợp được chuyển tới silô của lò sinh hơi có dung tích 50 m3.

Hình 1. Bố trí chung của nhà máy điện Simmering

Lò sinh hơi, do Foster Wheeler cung cấp, là loại tầng sôi tuần hoàn có gia nhiệt lại. Lò được thiết kế với phụ tải nhiệt là 64,6 MW, thông số hơi mới là 120 bar/520oC và 16 bar/520oC ở đầu gia nhiệt lại nóng. Thiết bị quá nhiệt cuối cùng được thiết kế theo kiểu Intrex, một dạng thiết kế đặc biệt của Foster Wheeler. Cát tự nhiên được sử dụng làm vật liệu tầng đốt. Để cắt giảm NOX, người ta sử dụng phương pháp cắt giảm chọn lọc không xúc tác (selective non-catalytic reduction - SNCR) kết hợp với cắt giảm chọn lọc có xúc tác (selective catalytic reduction - SCR).

Hệ thống gia nhiệt lại nâng cao đáng kể hiệu suất của nhà máy. Vào mùa đông, khi vận hành có trích hơi, nhà máy vận hành với hiệu suất toàn phần lên tới 83%. (15,06 MW điện cộng với 37 MW nhiệt sưởi ấm đô thị). Vào mùa hè, nhà máy vận hành không trích hơi, công suất điện phát ra đạt xấp xỉ 23,4 MW, hiệu suất điện đạt 36%.

Khói thải từ lò sinh hơi được làm sạch trước khi thải ra môi trường. Lưu lượng khói thải lên tới khoảng 100.000 m3/giờ (ở điều kiện tiêu chuẩn). Điều chỉnh liều lượng canxi hyđroxit trong khói thải và buồng lọc là đủ để giảm phát thải bụi, hơi axit như SO2 và HCl xuống dưới mức giới hạn cần thiết. Phát thải kim loại nặng được cắt giảm nhờ điều chỉnh liều lượng than hoạt tính.

Bảng 2. Dữ liệu chính về nhà máy điện Monopoli

Phần còn lại của nhà máy chủ yếu bao gồm hệ thống hơi mới, hệ thống gia nhiệt lại lạnh và nóng, hệ thống nước ngưng chính với bộ gia nhiệt sơ bộ hạ áp và hệ thống nước cấp với các bộ gia nhiệt sơ bộ cao áp, hệ thống gia nhiệt sơ bộ hơi-không khí, hệ thống sưởi ấm đô thị một cấp và các hệ thống thoát nước ngưng, như có thể thấy một phần trên (Hình 1).

Mùa hè, tổ máy tuabin vận hành ở chế độ ngưng hơi 100% và phát ra công suất điện danh định 23,4 MW (công suất ra của máy phát điện). Công suất điện tự dùng cực đại của nhà máy xấp xỉ bằng 2,17 MW. Công suất điện cực đại của nhà máy xấp xỉ bằng 24,5 MW. Mùa đông, tổ máy tuabin vận hành ở chế độ trích hơi/ngưng hơi và phát công suất điện danh định là 15,06 MW và công suất nhiệt là 37 MW, dùng cho sưởi ấm đô thị. Vào mùa đông, nhà máy vận hành với hiệu suất cao nhất, đạt hiệu suất toàn phần khoảng 80,5% (cực đại là 83%).

Giới thiệu chung về  nhà máy Monopoli

Công ty IDRO vận hành nhà máy điện sinh khối Monopoli từ đầu năm 2004. Nhà máy được xây dựng tại khu công nghiệp Monopoli.

Nhà máy điện sinh khối Monopoli

Mục tiêu chính của nhà máy Monopoli là phát điện quanh năm. Nhà máy hiện đang được vận hành ở chế độ phụ tải đáy, số giờ vận hành hằng năm là 7.800 giờ. Công suất điện tổng của nhà máy là 11,6 MW. Đã thi công hệ thống trích hơi để sưởi ấm hoặc dùng trong công nghệ, nhưng chưa dự kiến sử dụng hơi nước để sưởi ấm đô thị hoặc trích hơi công nghệ. Dữ liệu chính của nhà máy được nêu trong (Bảng 2).

Biểu giá điện dùng cho xuất khẩu theo CIP 6 là rất cao, do vậy toàn bộ hơi sản xuất ra đều được sử dụng để phát điện. Nhà máy điện được thiết kế với độ linh hoạt cao về nhiên liệu sử dụng. Do sử dụng công nghệ đốt và ý tưởng thiết kế với chi phí đầu tư thấp hơn nên hiệu suất của nhà máy thấp hơn đáng kể so với nhà máy Simmering. Tuy nhiên, công nghệ đốt rất tin cậy và rất linh hoạt đối với kích cỡ của nhiên liệu nên Nhà máy vận hành tin cậy, với độ khả dụng cao.

Nhà máy được xây dựng trên khu đất mới, gần xưởng sản xuất của công ty Casa Olearia Italiana SpA, và đã vận hành thương mại từ đầu năm 2004.

Các hệ thống chính của nhà máy điện bao gồm kho chất đốt, đầu vào nhiên liệu (sàn di động), hệ thống vận chuyển chất đốt, lò sinh hơi (hệ thống ghi lò), làm sạch khói thải (hấp thụ khô) và gian máy (tuabin ngưng hơi). Bố trí chung nhà máy điện được trình bày trên (Hình 2).

Hình 2. Bố trí chung của nhà máy điện Monopoli

Chất đốt chính dùng cho nhà máy điện sinh khối Monopoli là phế thải sản xuất dầu ôliu. Trong hỗn hợp nhiên liệu cần đưa thêm tỉ lệ tối thiểu 25% củi gỗ để có thể đáp ứng các giới hạn về phát thải trong khói. Lưu lượng khối chất đốt thiết kế là khoảng 100.000 tấn/năm, tương đương khoảng 12,8 tấn/giờ.

Chất đốt được vận chuyển tới nhà máy bằng xe tải và đổ vào kho chất đốt (dung tích 30.000 m3. Ba sàn di động (dung lượng bằng 2,5 ngày vận hành danh định) được đổ đầy bằng thiết bị chất tải kiểu bánh xe. Nhờ ba dây chuyền sàn di động này, có thể nhận được các hỗn hợp khác nhau từ ba loại sinh khối. Củi gỗ băm nhỏ được các sàn di động và băng tải chuyển tới silô sử dụng hằng ngày của lò sinh hơi. Cũng như ở nhà máy điện Simmering, bộ phân ly từ loại bỏ các mảnh vụn sắt thép và thiết bị sàng gạt ra ngoài các mảnh vật liệu có kích cỡ quá lớn. Nhờ đó đảm bảo vật liệu tích trữ trong kho đáp ứng các yêu cầu của hệ thống đốt.

Lò sinh hơi bao gồm một lò hơi ống nước cùng với hệ thống đốt có máy nạp nhiên liệu ghi lò di động, do Wehrle Werk cung cấp. Lò được thiết kế với phụ tải nhiệt 42 MW: thông số hơi mới là 50 bar/420oC. Thông số này thấp hơn so với nhà máy điện Simmering nhằm tránh những vấn đề về ăn mòn. Vấn đề ăn mòn ở nhiệt độ cao do clo còn chưa thật sáng tỏ bởi vì nồng độ clo trong chất đốt là tương đối cao. Các bộ quá nhiệt được bố trí tại tuyến thứ ba của lò sinh hơi, còn bộ tiết kiệm nhiệt được bố trí tại tuyến thứ tư. Buồng đốt và tuyến thứ hai không được trang bị bộ quá nhiệt nhằm tránh những vấn đề về ăn mòn và ô nhiễm. Thiết kế này cho phép kéo dài thời gian vận hành lò hơi giữa các lần ngừng lò theo kế hoạch. Một bộ cắt giảm có chọn lọc không xúc tác là đủ để cắt giảm NOX, đáp ứng giới hạn phát thải là 200 mg NOX/m3 khói sạch ở điều kiện tiêu chuẩn. Khi vận hành bình thường, hiệu suất điện của nhà máy đạt xấp xỉ 27%.

Cho đến nay chưa áp dụng biện pháp bổ sung để nâng cao hiệu suất. Hệ thống gia nhiệt lại chưa được tính đến. Theo quan điểm kinh tế, nhà máy này quá nhỏ nên không cần đầu tư bổ sung công nghệ nâng cao hiệu suất. Một yếu tố khác nữa là giá chất đốt tại Monopoli (phế thải) thấp hơn hẳn so với nhà máy điện Simmering (củi gỗ tươi).

Khói thải sau lò sinh hơi được làm sạch trong thiết bị làm sạch khói. Lưu lượng khói danh định là khoảng 60.000 m3/giờ (điều kiện tiêu chuẩn). Điều chỉnh liều lượng natri bicacbonat (NaHCO3) trong khói thải và buồng lọc đủ để cắt giảm phát thải bụi, hơi axit (như SO2 và HCl) xuống thấp hơn các giới hạn yêu cầu. Phát thải kim loại nặng được cắt giảm nhờ điều chỉnh liều lượng than hoạt tính.

Phần còn lại của nhà máy chủ yếu bao gồm hệ thống hơi mới, hệ thống nước ngưng chính (bình ngưng làm mát bằng không khí) không có bộ gia nhiệt sơ bộ hạ áp và hệ thống nước cấp không có các bộ gia nhiệt sơ bộ cao áp, hệ thống gia nhiệt sơ bộ hơi-không khí, và các hệ thống thoát nước ngưng.

Tổ máy tuabin được vận hành quanh năm ở chế độ ngưng hơi, phát ra công suất điện danh định 11,6 MW tại cầu dao máy phát. Công suất điện tự dùng tiêu thụ trong nhà máy là khoảng 1,1 MW lấy từ công suất nguồn phát  ra (mức cực đại khoảng 11,8 MW). Chưa tính đến việc trích hơi để sưởi ấm hoặc cho mục đích công nghệ. Do thu nhập từ điện năng cung cấp cho lưới điện công cộng tương đối cao nên xét theo quan điểm kinh tế, nên sử dụng toàn bộ hơi để phát điện. Tuy nhiên, theo quan điểm sinh thái, phát điện và hơi kết hợp đạt hiệu suất toàn phần cao nhất và là phương pháp sử dụng nhiên liệu tốt nhất.

Đánh giá chung

Vì củi gỗ tươi là vật liệu có giá trị và đắt tiền nên nhà máy điện Simmering được thiết kế với hiệu suất rất cao. Công nghệ lò hơi CFB cùng với hệ thống gia nhiệt lại, các hệ thống gia nhiệt sơ bộ hạ áp và cao áp, cho phép sử dụng nhiên liệu ở mức tối đa nhằm tiết kiệm nguồn củi gỗ tươi. Nhờ vận hành nhà máy điện này, thành phố Viên hằng năm cắt giảm 144.000 tấn CO2 và tiết kiệm khoảng 32 triệu mét khối khí tự nhiên hoặc khoảng 120.000 tấn than nâu.

Nhà máy điện sinh khối Monopoli đốt phế thải từ sản xuất dầu ôliu, và do vậy được thiết kế dựa theo các thông số khác.

(Nguồn QLNĐ số 3/2009)