Nghiên cứu mới của Viện Năng lượng tối ưu hiệu suất cho nhiệt điện than

Sản xuất bền vững

10/09/2021

Các nhà khoa học thuộc Viện Năng lượng, Bộ Công Thương đã nghiên cứu ứng dụng hai chất phụ gia mới giúp tối ưu hoá quá trình đốt cháy than, tăng hiệu suất đốt và giảm phát thải CO₂ ra môi trường.

Đề tài KH&CN cấp Quốc gia: "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" là công trình nghiên cứu thuộc Chương trình “Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ Năng lượng mã số KC.05/16-20”.

Mục tiêu của đề tài là làm chủ công nghệ tăng hiệu suất và giảm phát thải khí ô nhiễm cho nhà máy nhiệt điện đốt than. Đồng thời, lựa chọn được phụ gia phù hợp với công nghệ và nhiên liệu cho nhà máy nhiệt điện đốt than tại Việt Nam.

Dù còn tồn tại nhiều vấn đề về môi trường, nhiệt điện than vẫn là nguồn cung năng lượng quan trọng

Thêm một giải pháp cho bài toán nhiệt điện than sạch

Trong bối cảnh Việt Nam hiện tại và nhiều thập kỷ tới, nhiệt điện than vẫn là nguồn cung năng lượng chiến lược quan trọng cho sự phát triển kinh tế của đất nước. Dù đã có nhiều nỗ lực trong việc lựa chọn công nghệ nhiệt điện thế hệ mới, nhưng về những hạn chế về tài chính, nhiệt điện than tại Việt Nam vẫn còn tồn tại một số vấn đề môi trường nhất định. Các chuyên gia cho rằng, trong hoàn cảnh Việt Nam, phương án khả thi nhất là ứng dụng công nghệ, để nhiệt điện than đang dùng trở nên sạch hơn và hiệu quả hơn.

Trong nhiệt điện than, khâu đốt nguyên liệu sinh ra một lướng lớn khí CO₂ và tạp chất trong than được giải phóng ra môi trường dưới dạng khí NOx, SOx là nguyên nhân gây ô nhiễm. Hiện các nhà máy nhiệt điện đã áp dụng một số công nghệ xử lý ô nhiễm, như hệ thống khử lưu huỳnh, khử Nitơ, lọc bụi tĩnh điện.

Ngoài ra, các giải pháp nhằm tăng hiệu suất, giảm nhiên liệu tiêu thụ từ đó hạn chế phát thải CO₂ cũng được tích cực nghiên cứu. Một số giải pháp đã và đang được áp dụng phổ biến tại các nhà máy nhiệt điện than có thể kể đến như lắp đặt vòi phun UD để than dễ bắt cháy hơn, trộn phối than nội địa với than nhập khẩu để cải thiện chất lượng than đốt.

Trong đề tài này, nhóm nghiên cứu Viện Năng lượng đã tập trung vào việc tối tối ưu hóa quá trình cháy với quy mô lớn bằng cách sử dụng phụ gia. Lưu ý rằng, đây không phải là lần đầu áp dụng phương pháp sử dụng phụ gia xúc tác để tăng hiệu quả đốt than. Phương pháp này trước đó đã được các nước như Ấn Độ, Mỹ, Trung Quốc áp dụng và thử nhiệm tại Nhà máy nhiệt điện Sơn Động và Công ty CP Nhiệt điện Ninh Bình.

Theo TS. Nguyễn Chiến Thắng, Viện Năng lượng, nghiên cứu này đã tối ưu "lựa chọn và đáng giá hiệu quả các chất phụ gia thích hợp với điều kiện Việt Nam trên những nhà máy đốt than quy mô, đặc biệt là nhà máy sử dụng công nghệ lò hơi đốt than phun và dùng than Antraxit nội địa".

Lý do mô hình nghiên cứu này được chọn làm Mẫu bởi 70% nhà máy đang hoạt động tại Việt Nam sử dụng công nghệ lò hơi đốt than phun. Thêm vào đó, nguyên liệu than Antraxit nội địa đang được sử dụng khá phổ biến, có chất lượng thấp, khó bắt cháy, hàm lượng tro và lưu huỳnh cao hơn so với các loại than nhập ngoại.

Nhóm nghiên cứu làm việc với tổ máy 3 Nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng. Nguồn ảnh: Viện Năng lượng.

Chọn lọc xúc tác phù hợp

Theo Tiến sĩ Thắng, “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“. Đây là lý do chúng được sử dụng rất phổ biến trong các quá trình xử lý nhiên liệu, đặc biệt trong lĩnh vực lọc - hoá dầu.

Trong nghiên cứu, việc tìm ra chất phụ gia phù hợp cho từng quá trình đốt không dễ. Qua thử nghiệm rất nhiều phụ gia tiềm năng, Reduxco của Ba Lan và Eplus của Đài Loan là hai phụ gia cuối cùng được lựa chọn 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 carbon diễn ra nhanh hơn, mạnh hơn và than cháy kiệt hơn. Từ đó giảm phát sinh những sản phẩm phụ của quá trình đốt như tro bay và xỉ đáy lò.

Kết quả thử nghiệm từ lò hơi số 3 công suất 300MW của Nhà máy nhiệt điện Hải Phòng cho thấy, Eplus và Reduxco đều đạt mục tiêu đặt ra với lò than PC sử dụng nhiên liệu than Antraxit. Cụ thể, cả hai loại phụ gia 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%.

Nhóm nghiên cứu cũng đã tìm ra tỷ lệ nồng độ phối trộn và đốt tối ưu cho nhiên liệu dao động từ 55 ml/tấn than - 65 ml/tấn than. Trong quá trình thử nghiệm, nhóm nghiên cứu nhận thấy phụ gia Eplus có ưu thế hơn về khả năng tăng hiệu suất đốt, giảm tiêu hao than, giảm hàm lượng carbon còn lại trong tro xỉ. Phụ gia Reduxco hiệu quả hơn trong việc giảm hàm lượng khí thải phát thải SOx và NOx.

Trong thực tế, thực hành nghiên cứ với các phụ gia, khi dùng Eplus 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 có 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.

Ông Thắng nhấn mạnh: “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 chỉ 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 việc thực hiện kinh tế tuần hoàn".

Trong quá trình đốt, 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, 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 nguyên lý như vậy.

Hiệu quả kinh tế cao

Qua thử nghiệm và tính toán cho thấy giải pháp sử dụng phụ gia tăng hiệu quả đốt than đem lại hiệu quả kinh tế rất tiềm năng. Với phụ gia Eplus, việc tiết kiệm nhiên liệu và mua phụ gia cho tổ máy công suất 300MW đem lại lợi nhuận ròng khoảng 15 tỷ đồng mỗi năm. Hiệu quả kinh tế từ phụ gia Eplus lớn hơn đáng kể so với sử dụng phụ gia còn lại.

"Nếu tính đến chi phí xã hội phải chi trả về thiệt hại môi trường, khí hậu và sức khỏe, 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," Thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Huyền, thành viên nhóm nghiên cứ chia sẻ. Tuy nhiên, xét về khía cạnh giảm phát thải độc hại SOx và NOx, thành viên nhóm nghiên cứu đánh giá phụ gia Reduxco có hiệu quả cao hơn.

Bộ thiết bị dẫn phối trộn phụ gia. Nguồn ảnh: Viện Năng lượng.

Với một số phương pháp khác cần đầu tư nhiều vốn để cải tạo nâng cấp hệ thống, hoặc thay mới một số thiết bị gây khó khăn cho việc ứng dụng đại trà. Thì giải pháp mà các nhà khoa học Viên năng lượng được đánh giá có ưu điểm dễ áp dụng thực tiễn. Phương pháp này, chỉ cần phối trộn phụ gia vào buồng đốt thông qua một thiết bị dẫn, gồm bơm cấp và tái hoá khí. “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", Tiến sĩ Thắng cho biết.

Nguyễn Giang

Tags: