Công nghệ đốt than trộn: Giải pháp cho nhiệt điện đốt than

Bến đổi khí hậu và xu thế phát triển nhiệt điện than trên thế giới

PGS, TS. HÀ MẠNH THƯ

Theo Quy hoạch phát triển điện lực Quốc gia giai đoạn 2011 - 2020, có xét đến năm 2030, nguồn nhiệt điện than chiếm tỷ trọng lớn trong nguồn điện của Việt Nam. Tuy nhiên, việc thiếu nguồn năng lượng sơ cấp cho phát điện dẫn đến Việt Nam phải nhập khẩu than ngay từ năm 2016 và quy mô tiếp tục tăng lên khoảng 50 triệu tấn năm 2020, trên 80 triệu tấn từ sau năm 2030.

Nhà máy nhiệt điện là một hệ thống thiết bị rất lớn về quy mô, phức tạp về vận hành và sử dụng lượng lớn than tiêu thụ. Nghiên cứu công nghệ đốt than trộn (than khó cháy trộn với than dễ cháy), nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu tại các nhà máy điện đốt than được nhiều nước trên thế giới nghiên cứu, ứng dụng thành công. 

Tây Ban Nha đốt than như thế nào?

Tây Ban Nha là nước có nhiều than antraxit, loại than có đặc tính chất bốc tương tự như than antraxit của Việt Nam. Nhà máy nhiệt điện Combotila được thiết kế chỉ đốt than antraxit, được đưa vào vận hành năm 1992. Sau một thời gian, chất lượng than cung cấp cho nhà máy này ngày càng kém, làm hiệu quả cháy không tốt, dẫn đến giảm hiệu suất của lò hơi. Tây Ban Nha đã nhập thêm than bitum của Nam Phi để trộn với antraxit, nhằm năng cao hiệu quả của quá trình cháy.

Cạnh đó, tại Nhà máy nhiệt điện Puente Nuevo, người Tây Ban Nha lại ứng dụng một phương thức khác. Nhà máy nhiệt điện Puente Nuevo có hai hệ thống máy nghiền và đốt riêng than antraxit trong nước và than bitum nhập từ Nam Phi. Bột than theo hai đường ống dẫn tới hai vòi đốt khác nhau và làm việc song song. Vòi đốt than antraxit dẫn đến các van buồng đốt phun trúc xuống tạo ngọn lửa hình W, còn vòi đốt than bitum đặt ở tường trước và tường sau cùng phun ngang vào buồng đốt tạo ngọn lửa hình L. Cách bố trí vòi đốt như vậy đòi hỏi thêm máy nghiền và hệ thống nghiền riêng cho than bitum. Ngoài ra, việc đưa thêm vòi đốt vào sẽ làm thay đổi quá trình cháy cũng như khí động học của ngọn lửa. Điều này, chỉ có nhà sản xuất lò hơi mới làm được, thành ra cách làm của Tây Ban Nha khó áp dụng với Việt Nam, song cách làm này rất đáng được tham khảo.

Phương thức của Nhật Bản

Trung tâm Năng lượng Than (JCOAL) và  Tập đoàn Công nghiệp nặng Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co (IHI) của Nhật Bản đã nghiên cứu đốt than trộn từ than antraxit Việt Nam, cụ thể là than cám 5a Hòn Gai và than abitum nhập từ Indonesia. Mục đích của người Nhật, một mặt khuyến cáo nước ta dùng chu trình hơi nước trên siêu tới hạn để nâng cao hiệu suất của nhà máy nhiệt điện, nhưng mặt khác, phía Nhật Bản bảo đảm sẵn sàng cung cấp than cho các dự án xây dựng nhà máy điện hạt nhân ở Việt Nam, các dự án nhà máy điện công suất lớn, chủ yếu sử dụng các tổ máy 600 và 1.000 MW. Đây là điều kiện tốt để nước ta lựa chọn nhà thầu cung cấp thiết bị công nghệ làm các nhà máy nhiệt điện mới.

Nghiên cứu trên mô hình vật lý, người Nhật sử dụng lò đốt làm mát bằng nước kiểu hình trụ, công suất 1,2 MW/vòi đốt, một vòi đốt thì tiêu thụ khoảng 150 kg than/giờ cho thấy, đây là thiết kế an toàn và bảo đảm được nguyên liệu đầu vào. Người Nhật đã sử dụng hai vòi đốt riêng biệt để dùng cho hai loại than khó cháy và dễ cháy. Tỷ lệ than trộn, ví dụ than antraxit là 0% thì than á bitum là 100%, than antraxit là 10% thì á bitum là 90%, than antraxit là 30% thì á bitum là 70% và trường hợp 50-50 antraxit và á bitum.

Nghiên cứu trên mô hình mô phỏng, người Nhật lấy nhiên liệu gốc là than nhập khẩu, nhiên liệu trộn thêm là than antraxit Việt Nam hoặc ngược lại. Có các kết quả trên mô hình vật lý của IHI tức là phụ thuộc vào cỡ than sau nghiền và tỷ lệ trộn than. Ví dụ, khi tỷ lệ trộn than antraxit là 0% thì tỷ lệ tổn thất là 6%; khi than antraxit là 10% thì tỷ lệ tổn thất là 11% và khi than antraxit là 50% thì tổn thất là 19%, đây là tổn thất nhiệt do carbon chưa cháy trong tro gây ra. Với cỡ bột than qua dây là 200 ASTM, tức là cỡ khoảng 70 micron thì hiệu quả của nó là 78-83% thì ở đây chúng ta có một loạt kết quả.

Tập đoàn IHI và JCOAL, hồi tháng 2/2014 đã tổ chức liên tiếp hai hội thảo tại Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh về công nghệ đốt than sạch, trong đó đã trình bày kết quả nghiên cứu đốt than trộn trên mô hình mô phỏng các tỷ lệ trộn khác nhau của hai loại than antraxit và abitum. Mô hình mô phỏng được cho là phục vụ hai nhà máy nhiệt điện Vũng Áng 1 và Duyên Hải 1.

Nghiên cứu trên mô hình mô phỏng mà IHI thử nghiệm cho cấu tạo lò hơi của Nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2 cho kết quả: Nếu dùng 100% than antraxit Việt Nam thì tổn thất do carbon chưa cháy hết là 99%, còn nếu dùng 100% tỷ lệ than á bitum thì phần này là 0%. Vì thế, khi chúng ta trộn 50% than abitum và 50% than antraxit Việt Nam thì tỷ lệ tổn thất carbon chưa cháy chỉ hết còn 47%.

Trường hợp trộn than cám 5a Hòn Gai với than á bitum Indonesia theo nghiên cứu mô phỏng của người Nhật tính toán theo cấu tạo của Nhà máy điện Vũng Áng 1,  thì tỷ lệ tổn thất carbon chưa cháy trong tro là 7,2%, nhưng nếu dùng 50% than á bitum của Indonesia thì tổn thất này chỉ còn 3%. Trong trường hợp này, ta thấy than cháy kiệt hơn, hiệu quả cao hơn. Ngoài ra, khi trộn than cám 6b với với than á bitum Indonesia thì tỷ lệ tương ứng 100% than Việt Nam và 8,6% tổn thất do carbon chưa cháy hết trong tro, còn 50% than á bitum và 50% than của Việt Nam thì tỷ lệ này chỉ còn 4%.

Phải thừa nhận, kết quả thực hiện trên mô hình vật lý và mô phỏng còn khác xa với lò hơi thực tế của Việt Nam, cho nên, nghiên cứu này chỉ mang tính chất định hướng còn ứng dụng thực tế thì phải thử nghiệm trên mô hình thực 100%.

Trong phần nghiên cứu của Nhật Bản có một số đặc tính than antraxit của Việt Nam và than á bitum. Ví dụ, đối với than 5a, nhiệt trị của nó là 5.610 kcal/kg. Than 6a, tương tự than Mạo Khê, thì nhiệt trị lớn nhất là 5.090 kcal/kg. Nhưng về chất bốc, than 5a chỉ có 5,1% còn than Mạo Khê thì là 6,8%, nên rất khó đốt. Trong khi đó, than á bitum của Indonesia thì về nhiệt trị cũng tương tự, loại than 1 là 5.860 kcal/kg và loại than 2 là 4.970 kcal/kg nhưng chất bốc của loại than 1 là 40,6% và loại than 2 là 36,4%. Thực ra, lượng bốc của than á bitum này dễ đốt hơn, nên khi ta hoà trộn hai than vào nhau thì quá trình đốt nó sẽ mang lại hiệu quả cao hơn.

Cách làm của Hàn Quốc

Hàn Quốc là nước có than antraxit nội địa tương tự than của Việt Nam nhưng sản lượng thấp và không đều nên hàng năm vẫn nhập khẩu than antraxit của nước ta, than bitum của Úc và á bitum của Nga, Mỹ, Nam Phi, Columbia và Indonesia. Trong bối cảnh đó, nghiên cứu đốt than được Hàn Quốc tiến hành chính tại lò hơi đang sử dụng. Các lò hơi này trước đây được thiết kết đốt than antraxit, bitum hoặc á bitum, tức là lò hơi đốt than bột hoặc lò hơi lớp lỏng tầng sôi.

Điều đáng chú ý là than nhập khẩu chủ yếu ở đây là bitum và á bitum, tổng cộng nhập khẩu khoảng 16 triệu tấn/năm. Tỷ lệ nhập khẩu thay đổi theo từng năm. Năm 2010 chủ yếu của Indonesia là 48%, Úc là 33% trong khi của Mỹ chỉ có 12% và của Nga 1%. Nhưng đến năm 2012, tỷ lệ nhập khẩu than của Indonesia chỉ còn 33%, của Úc còn 29% trong khi của Mỹ tăng lên 17% và Nga tăng lên 9%. Ở đây, tất nhiên có giá trị nhiệt trị làm việc cao nhất, ví dụ của Indonesia thì nhiệt trị là 5258 kcal/kg, của Úc là 5985 kcal/kg, của Mỹ là 5179 kcal/kg và của Nga là 3795 kcal/kg và của Nam Phi là 6045 kcal/kg và Columbia là 6076 kcal/kg.

Hàn Quốc đã đốt thử nghiệm than trộn trên các nhà máy đã có sẵn. Tại Nhà máy nhiệt điện Dang-jin có 5 nhà máy nhỏ. Trong đó, tổng công suất của các nhà máy 1,2 và 3 là 3.000 MW, mỗi nhà máy có 2 tổ máy, mỗi tổ máy 500 MW. Công suất nhà máy số 4 là 2.000 MW, gồm hai tổ máy, mỗi tổ máy 1.000 MW. Hiện, người Hàn đang xây dựng nhà máy thứ năm, với công suất 2.000 MW, gồm 2 tổ máy.

Tỷ lệ đốt than trộn ở các nhà máy này là than bitum và than á bitum sử dụng là 50-50%. Tỷ lệ than trung bình của hai tổ máy nhà máy số 5 dự kiến là 17 triệu tấn/năm, còn 8 tổ máy của 4 nhà máy kia tiêu thụ 13 triệu tấn/năm. Số lượng than tiêu thụ ở đây, ví dụ năm 2012, là 13.325 nghìn tấn và lượng điện sản xuất ra là 33.596 kWh.

Kết quả thu được nếu tỷ lệ trộn là 50% thì đối với các thiết bị tro thì không cần phải sửa chữa, thay thế thiết bị nhưng với 60% than bitum và 40% á bitum, bắt đầu phải cải tạo thiết bị và nếu 70% than á bitum, mức độ cải tạo thiết bị sẽ tăng cao hơn. Như vậy, việc tăng tỷ lệ than á bitum cũng đồng nghĩa với việc phải cải tạo thiết bị, đối với nhà đầu tư, đây là điều quan trọng. Cho nên, chỉ tính riêng năm 2012, Nhà máy Dang-jin đã tăng tỷ lệ than bitum và giảm tỷ lệ á bitum xuống, kết quả một năm tính cho 33 tỷ kWh điện đã tiết kiệm được 81 triệu USD.

Đốt than trộn, người Hàn Quốc đã đạt được trong chính Nhà máy điện Dang-Jin là giảm chi phí nhiên liệu trong sản xuất điện, cũng như đảm bảo việc vận hành ổn định của hệ thống nghiền than, đảm bảo hệ thống thải tro xỉ, bởi với mỗi quy trình đốt khác nhau cho ra lượng xỉ khác nhau. Một điều không kém quan trọng là khắc phục đóng tro xỉ trong lò hơi và giảm carbon trong tro để sau này có thể tái sử dụng tro.

Công suất lò hơi của Việt Nam khác so với công suất của lò hơi của Hàn Quốc. Và trong trường hợp này, Hàn Quốc cũng chưa có nghiên cứu đốt than antraxit với than á bitum, hoặc là á bitum cho lò hơi nguyên được thiết kế than bột. Song kết quả này cho thấy Việt Nam và Hàn quốc có cùng mục tiêu. Nhưng với Việt Nam, một số nhà máy nhiệt điện được thiết kế trước than bột, nay không còn than bột, nên yêu cầu phải chọn loại than khác, thì đối với cấu hình của lò hơi đã có sẵn việc việc nghiên cứu, ứng dụng việc đốt phối trộn than khác nhau là điều rất quan trọng.

… Và nghiên cứu của Việt Nam

Những kết quả nghiên cứu ban đầu của Việt Nam được xem như giải pháp cứu cánh cho vấn đề nguyên liệu đầu vào của các nhà máy nhiệt điện than, trong bối cảnh nhiên liệu đầu vào gặp khó.

Loại than đốt được thiết kế theo dây truyền công nghệ các nhà máy nhiệt điện có sẵn hiện nay đang giảm mạnh và sẽ không còn nữa. Các nhà máy nhiệt điện đốt than buộc phải trộn một số lượng than trong nước khó cháy với than nhập khẩu dễ cháy để giảm giá thành nhiên liệu, nâng cao hiệu quả kinh tế. Rút kinh nghiệm của Nhật Bản, Hàn Quốc, nước ta đã thử nghiệm đốt than trộn tại nhà máy điện Ninh Bình, tỷ lệ trộn thay đổi là 5-30% than á bitum của Indonesia - loại than có chất bốc cao, dễ cháy so với than antraxit của Việt Nam. Nghiên cứu được tiến hành theo Đề tài KC.05.25/11-15 do PGS TS Trương Duy Nghĩa - Hội Khoa học Kỹ thuật Nhiệt Việt Nam (VTA), thực hiện.

Kết quả thu được bằng thực nghiệm đã tính toán được hiệu suất lò hơi tăng từ 1-4%. Trong trường hợp này, độ mịn than cho phép giảm. Điều đó có nghĩa, ta có thể nghiền than theo kích thước to hơn như là 90 micron. Do đó, năng suất của máy nghiền than tăng lên và đấy là một ưu điểm. Bởi một khi năng suất của máy nghiền than tăng lên thì điện năng tiêu thụ cho việc nghiền than giảm đi, mà vẫn cháy tốt. Một điều nữa, khi khởi động đốt lò hơi bao giờ cũng phải có phụ tải tối thiểu, không kèm dầu giảm đi 10%. Tức là trước đây thiết kế là 65% thì bây giờ giảm xuống 55%, đó một ưu điểm của việc đốt trộn than.

Kết quả thực nghiệm cho thấy một ưu điểm nữa, các hệ thống máy nghiền, hệ thống nghiền than, hệ thống chất đốt có thể dùng than trộn mà không phải cải tạo thiết bị, công nghệ. Như vậy, về nguyên tắc, chúng ta có thể thực hiện được các kết quả nghiên cứu như thế này với trường hợp đốt đến 30% than á bitum và 70% than antraxit, thì điều quan trọng ở đây là không cần thay đổi kết cấu thiết bị. Đây là một ưu điểm mà các nhà máy nhiệt điện của Việt Nam có thể ứng dụng.

Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy, khi trộn một tỷ lệ nhất định giữa than nhập khẩu với than nội địa, có thể nâng cao hiệu suất của các lò hơi dùng than bột và có thể áp dụng cho các lò hơi khác dùng chế độ đốt tầng sôi từ 1-3%. Điều này cũng tương ứng với việc chúng ta có thể tiết kiệm được từ 1-3% nguồn than để sử dụng cho các nồi hơi của các nhà máy nhiệt điện. Tính nhanh, hiện nay các nhà máy đốt than của Việt Nam dùng hết khoảng 33 triệu tấn than/năm. Nếu đốt than trộn ta nâng được hiệu suất lò hơi ít nhất lên 1% thì có thể tiết kiệm được 330.000 tấn than. Hiện nay cơ chế các nhà máy điện cho phép tự chủ, nên việc các nhà máy thích ứng nhanh với việc chuyển đổi sang đốt than trộn, điều này sẽ tạo ra môi trường cạnh tranh lành mạnh, giúp giảm giá sản xuất điện. Mặt khác, khi kết quả này được áp dụng đại trà cho tất cả các nhà máy nhiệt điện than của nước ta, có thể tiết kiệm được khối lượng than tương đối lớn, mang lại hiệu quả kinh tế và phù hợp với bối cảnh nước ta đang phải nhập khẩu than và giá than nhập khẩu đang thấp hơn giá than nội địa.

Thời gian gần đây, một loạt các nhà máy nhiệt điện đốt than được xây dựng, tạo thêm nguồn năng lượng cho phát triển kinh tế nước ta. Nhưng cạnh đó, cần giải quyết cho được bài toán trộn than, kể cả bằng lý thuyết và thực nghiệm, mới có thể mang lại hiệu quả cho nền kinh tế. Kết quả nghiên cứu cũng mở ra một hướng mới, đó là sự kết hợp giữa các nhà khoa học với các cơ quan quản lý nhà nước, như Bộ Khoa học & Công nghệ, tiếp tục nghiên cứu mô phỏng quá trình cháy ở trong lò hơi đối với từng loại than. Đấy là ưu điểm của phương pháp mô phỏng CFD, một hướng đưa khoa học kỹ thuật vào đời sống thường ngày. Về phương diện này, Viện nghiên cứu quốc tế về khoa học và kỹ thuật tính toán (ICSE) - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã thạo về công việc này.

Thay cho lời kết

Kết quả thu được trong nghiên cứu đốt than trộn do Hội Khoa học Kỹ thuật Nhiệt Việt Nam chủ trì có sự tham gia của Công ty cổ phần Nhiệt điện Ninh Bình, Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt lạnh, cái nôi đào tạo các kỹ sư nhiệt điện trong cả nước. Ở đây cũng cần nhắc đến vai trò quan trọng của Bộ Khoa học & Công nghệ, nhất là của Bộ trưởng Nguyễn Quân, người đã có những chỉ đạo thiết thực, sát sao để Đề tài thành công tốt đẹp.

Cạnh đó, các nhà máy nhiệt điện có thể ứng dụng sơ bộ các kết quả nghiên cứu của PGS. Trương Duy Nghĩa với tỷ lệ phối trộn than là 20-30%, tùy vào từng thiết bị.  Tỷ lệ này không đòi hỏi phải thay đổi cấu hình buồng đốt và vòi đốt. Vì vậy, các nhà máy điện cũ của nước ta phần lớn có xuất xứ từ Liên Xô cũ và Trung Quốc có thể ứng dụng. Với đội ngũ kỹ sư vận hành có tay nghề cao tại các nhà máy nhiệt điện, thử nghiệm phối trộn than chắc chắn sẽ sớm được ứng dụng trong ngành năng lượng.

Bảng 1. Đặc tính công nghệ của than nội địa và than nhập khẩu dùng để đốt thí nghiệm tại NMNĐ Ninh Bình

Tài liệu tham khảo:

1. JCOAL Journal Vol.29, JANUARY 2015

2. Tài liệu Hội thảo về đốt than  trộn ngày 10/12//2015 tại Đại Học Bách Khoa Hà Nội

3. Trương Duy Nghĩa, Tình hình nghiên cứu đốt than trộn trong các nhà máy nhiệt điện đốt than trên thế giới, Năng lượng nhiệt số 126, 11/2015.

4. http://www.cs.wright.edu.

NangluongVietnam Online