Báo cáo về gói giải pháp cải tạo, nâng cấp hệ thống xử lý khí thải nhà máy điện than đáp ứng QCVN 19:2024/BTNMT

Đối tác Chuyển đổi Năng lượng Công bằng (JETP) - Làm gì để các dự án thực sự có khả năng huy động vốn? Nguồn vốn JETP (Đối tác Chuyển đổi Năng lượng Công bằng) chỉ thực sự phát huy hiệu quả khi các dự án chứng minh được tính khả thi, có cấu trúc tài chính phù hợp và đáp ứng các yêu cầu của nhà tài trợ. Từ thực tế triển khai, các đại biểu tại Hội thảo các điều kiện để dự án JETP đạt khả năng huy động vốn: Cấu trúc tài chính, phân bổ rủi ro và các tiêu chuẩn môi trường - xã hội đề xuất tập trung vào tài chính hỗn hợp, hỗ trợ chuẩn bị dự án, rút ngắn quy trình và hài hòa các tiêu chuẩn.

1. Đặt vấn đề và mục tiêu:

Nhiệt điện than tiếp tục giữ vai trò quan trọng trong hệ thống điện Việt Nam trong giai đoạn trung hạn, nhưng cũng là nguồn phát thải bụi, SO₂ và NOₓ cần kiểm soát chặt chẽ. Việc ban hành QCVN 19:2024/BTNMT đã siết giới hạn phát thải tại ống khói các nhà máy nhiệt điện xuống mức bụi 20 mg/Nm³, SO₂ 120 mg/Nm³ và NOₓ 120 mg/Nm³ so với mức vận hành hiện tại của các nhà máy cũ. Để đạt được mức này, nhiều nhà máy cần không chỉ cần bổ sung một thiết bị xử lý khí thải mới, mà phải cải tạo đồng bộ cả ba khâu (khử bụi, khử SO₂ và khử NOₓ) kèm theo các hạng mục phụ trợ (quạt, điện, đo lường - điều khiển, phòng cháy chữa cháy).

Hầu hết các tổ máy nhiệt điện gam công suất 300 MW trở xuống đốt than phun tại Việt Nam đã có hệ thống lọc bụi tĩnh điện (ESP) và khử SO₂ bằng đá vôi ướt (WFGD), nhưng chưa có hệ thống khử NOₓ tại đuôi lò; đồng thời hiệu suất hiện hữu của ESP và WFGD thấp hơn so với yêu cầu của quy chuẩn mới. Do đó, bài toán đặt ra là xây dựng một gói giải pháp cải tạo - nâng cấp đồng bộ, có khả năng đáp ứng bền vững các giới hạn mới; đồng thời vẫn chấp nhận được về kỹ thuật, kinh tế và thời gian thi công gắn với các đợt dừng máy định kỳ.

2. Hiện trạng và giới hạn cần đáp ứng:

Trước cải tạo, mức phát thải hiện tại tại ống khói các tổ máy 300 MW dao động quanh: Bụi ≤ 100 mg/Nm³ (tổ 300 MW) và ≤ 400 mg/Nm³ (tổ 330 MW), SO₂ ≤ 500 mg/Nm³, NOₓ ≤ 1.000 mg/Nm³. So với yêu cầu mới, khoảng cách cần lấp là: Bụi giảm 5-20 lần, SO₂ giảm hơn 4 lần, NOₓ giảm hơn 8 lần. Về hệ thống hiện có, điểm nghẽn chính của ESP là nguồn điện cao áp và điện cực đã xuống cấp sau nhiều năm vận hành, khiến hiệu suất lọc chỉ đạt khoảng 99%; điểm nghẽn của WFGD là vòi phun, giàn khử ẩm và dung tích bể phản ứng, khiến hiệu suất khử SO₂ chỉ còn khoảng 87% so với thiết kế; còn NOₓ gần như chưa có biện pháp xử lý chuyên biệt tại đuôi lò.

Bảng 1: Khoảng cách giữa hiện trạng phát thải và giới hạn của QCVN 19:2024/BTNMT tại nhà máy nhiệt điện:

Hình 1: So sánh trực quan mức phát thải hiện tại với giới hạn QCVN 19:2024/BTNMT (minh họa theo mức vận hành của tổ 300 MW; tổ 330 MW còn cao hơn với bụi).

3. Nguyên lý dây chuyền xử lý khí thải sau cải tạo:

Tổ máy được vận hành theo một dây chuyền xử lý khí thải nối tiếp, trong đó bộ SCR (khử NOₓ) được bố trí ngay trước bộ sấy không khí, tận dụng vùng nhiệt độ 320-400°C để xúc tác hoạt động hiệu quả mà không cần gia nhiệt khói; bộ ESP (khử bụi) tiếp theo xử lý tro bay; và bộ WFGD (khử SO₂) đặt gần ống khói để hấp thụ SO₂ bằng sữa đá vôi. Sơ đồ tổng thể được thể hiện trên Hình 2. Nguyên lý phân bổ nhiệm vụ theo chuỗi này cho phép mỗi thiết bị chỉ phải đạt một mức xử lý trung gian, mà khi kết hợp lại vẫn đưa tổng phát thải tại ống khói xuống đúng giới hạn quy chuẩn.

Hình 2: Sơ đồ tổng thể dây chuyền xử lý khí thải sau cải tạo - cấu hình SCR high-dust (minh họa).

4. Giải pháp lắp mới hệ thống khử NOₓ (SCR):

Để giảm NOₓ từ hơn 1.000 mg/Nm³ xuống dưới 120 mg/Nm³, cần hiệu suất khử đạt khoảng 88-90% - mức chỉ có thể đạt được bền vững bằng công nghệ khử xúc tác chọn lọc (SCR), với chất khử là amoniac pha loãng và xúc tác V₂O₅-WO₃/TiO₂. SCR được lắp cấu hình high-dust - tức đặt giữa bộ hâm nước và bộ sấy không khí, để tận dụng vùng nhiệt độ khói 320-400°C, rất phù hợp với xúc tác thương mại hiện có, mà không cần các hệ thống gia nhiệt phức tạp. Nguyên lý và bố trí sơ bộ được mô tả trên Hình 4.

Hình 3: Nguyên lý hệ thống khử NOₓ bằng xúc tác chọn lọc (SCR) cấu hình high-dust với lưới phun NH₃, bộ trộn tĩnh, các lớp xúc tác và lớp dự phòng (minh họa).

Hệ thống đi kèm trạm chứa amoniac và thiết bị pha loãng, hệ đo NOₓ/NH₃ và điều khiển tự động tích hợp vào hệ điều khiển tập trung của nhà máy; kèm theo yêu cầu đặc thù về an toàn hóa chất, kho chứa, cảnh báo rò rỉ và phương án ứng sự cố.

5. Giải pháp cải tạo hệ thống lọc bụi (ESP):

Thay vì thay toàn bộ ESP bằng công nghệ lọc bụi túi (vốn đòi hỏi giáng áp lớn và mặt bằng không đủ), giải pháp được chọn là cải tạo ESP hiện có. Năm nhóm hạng mục chính gồm:

(i) Thay nguồn cao áp chỉnh lưu thường bằng bộ biến áp xung/cao tần để nâng điện áp làm việc.

(ii) Tăng chiều cao hiệu dụng của thân ESP và bổ sung trường lọc.

(iii) Thay điện cực phóng, điện cực thu và hệ giá treo.

(iv) Bố trí gõ cách ly theo từng trường để giảm bụi tái cuốn.

(v) Cải tạo tấm phân phối khói đầu vào và hệ thống tro bay.

Trên Hình 3, các điểm can thiệp chính được chỉ rõ ngay trên sơ đồ nguyên lý của ESP.

Hình 4: Nguyên lý hoạt động của bộ lọc bụi tĩnh điện (ESP) và các hạng mục cải tạo chính (bộ đổi nguồn cao áp, bổ sung trường, thay điện cực, gõ cách ly, cải tạo phân phối khói).

Kết quả kỳ vọng là hiệu suất lọc bụi nâng từ khoảng 99% lên trên 99,9%, đưa nồng độ bụi sau ESP xuống mức trung gian rất thấp, trước khi tiếp tục đi qua WFGD để còn dư địa đạt 20 mg/Nm³ tại ống khói.

6. Giải pháp nâng cấp hệ thống khử SO₂ bằng đá vôi ướt (WFGD):

Thay vì đầu tư xây mới toàn bộ một tháp FGD, giải pháp được chọn là nâng cấp tháp đá vôi ướt hiện có. Nội dung chính gồm:

(i) Tăng dung tích bể phản ứng và nâng chiều cao tháp.

(ii) Thay toàn bộ vòi phun bằng loại nón đôi góc rộng, tạo giọt nhỏ, phủ đều toàn bộ tiết diện.

(iii) Lắp vành chắn khói và khay phân phối khí ở đầu vào tháp.

(iv) Thay bơm tuần hoàn cỡ lớn hơn.

(v) Thay giàn khử ẩm.

(vi) Bổ sung máy nghiền bi ướt để đảm bảo nguồn sữa đá vôi.

Hình 5 thể hiện nguyên lý và các điểm can thiệp chính của tháp WFGD:

Hình 5: Nguyên lý hấp thụ SO₂ trong tháp FGD đá vôi ướt và các hạng mục nâng cấp chính (vòi phun nón đôi, vành chắn khói, bơm tuần hoàn, bể phản ứng, thu thạch cao).

Với gói giải pháp này, hiệu suất khử SO₂ được nâng từ khoảng 87% hiện tại lên trên 97%, đủ để giữ SO₂ tại ống khói dưới 120 mg/Nm³ khi nguồn than có thể đưa lưu huỳnh lên cao hơn mức thiết kế hiện hành.

7. Hạng mục phụ trợ, tiến độ và quản lý vận hành:

Ngoài ba hệ thống chính, dự án bao gồm một số hạng mục phụ trợ không thể tách rời: Quạt khói và quạt tăng áp (vì SCR và ESP làm tăng tổng trở lực đường khói); hệ thống điện và đo lường - điều khiển (C&I) tích hợp các thiết bị mới; hệ thống phòng cháy chữa cháy cho khu vực SCR và trạm amoniac; cùng phần xây dựng và kết cấu (móng, khung đỡ, sàn thao tác, chiếu sáng). Về vận hành, mỗi hệ thống chỉ cần bổ sung tối thiểu một nhân lực trực tại phòng điều khiển trung tâm và một nhân viên trực hiện trường cho khu vực SCR; công tác bảo dưỡng theo tài liệu của nhà chế tạo, gắn với các kỳ đại tu, tiểu tu của tổ máy.

Tiến độ được gắn chặt với các đợt dừng máy: Phê duyệt khả thi và quyết định đầu tư, lựa chọn nhà thầu EPC, rồi thi công và chạy thử nghiệm đồng thời đối với hai tổ máy. Tổng thời gian xây dựng dự kiến khoảng 1 năm.

8. Hiệu quả môi trường và kinh tế - tài chính:

Sau cải tạo, cả hai tổ máy đồng loạt đạt mức bụi ≤ 20 mg/Nm³, SO₂ ≤ 120 mg/Nm³, NOₓ ≤ 120 mg/Nm³ - tức giảm khoảng 5-20 lần với bụi, hơn 4 lần với SO₂ và hơn 8 lần với NOₓ so với hiện trạng. Tác động tích cực trực tiếp là cải thiện chất lượng không khí vùng quanh nhà máy, giảm nguy cơ mưa axit, sương mù quang hóa và phát sinh hạt thứ cấp.

Về kinh tế - tài chính, dự án được phân tích theo tổng mức đầu tư, EIRR/FIRR, NPV, thời gian hoàn vốn và mức tăng giá điện cần thu hồi (theo cơ chế của Bộ Công Thương). Kết quả cho thấy dự án khả thi cả trên quan điểm kinh tế quốc dân và quan điểm tài chính của chủ đầu tư; mức chi phí sản xuất điện tăng thêm được thu hồi qua giá bán, nằm trong phạm vi chấp nhận được của hệ thống điện.

9. Bài học kinh nghiệm và khả năng nhân rộng:

Từ mô hình có thể rút ra năm bài học cho các nhà máy nhiệt điện than vận hành lâu năm khác tại Việt Nam:

Bảng 2: Năm bài học chính rút ra từ mô hình cải tạo, nâng cấp tại nhà máy nhiệt điện:

Một số vấn đề cần tiếp tục theo dõi sau cải tạo gồm: Thu hồi thạch cao thay vì bơm ra bãi thải xỉ; tối ưu cháy để giảm tro và bụi đầu vào; quản lý chất thải xúc tác SCR sau 24.000 giờ vận hành; và tích hợp các tổ máy sau cải tạo vào lộ trình chuyển dịch năng lượng dài hạn (đồng đốt sinh khối, cải thiện hiệu suất, đánh giá thu giữ carbon).

10. Kết luận:

Gói giải pháp cải tạo, nâng cấp các hệ thống xử lý khí thải của nhà máy nhiệt điện được đề xuất là tổ hợp đồng bộ ba khâu: Nâng cấp ESP bằng đổi nguồn cao áp và bổ sung trường; lắp mới SCR cấu hình high-dust; nâng cấp WFGD bằng đổi vòi phun, tăng dung tích bể phản ứng và nâng cao tháp. Phối hợp với các hạng mục phụ trợ (quạt, điện, C&I, PCCC) và tiến độ gắn với các đợt dừng máy, gói giải pháp này đưa cả hai tổ máy từ mức bụi 100-400, SO₂ 500, NOₓ 1.000 mg/Nm³ hiện tại xuống còn bụi 20, SO₂ 120, NOₓ 120 mg/Nm³ - đạt yêu cầu QCVN 19:2024/BTNMT.

Kết quả kinh tế - tài chính cho thấy dự án khả thi với mức thu hồi qua giá điện nằm trong phạm vi chấp nhận được. Mô hình này, cùng 5 bài học về chẩn đoán điểm nghẽn, thiết kế theo chuỗi, dự phòng tuân thủ và cơ chế thu hồi chi phí qua giá điện, có thể được tham chiếu cho các nhà máy nhiệt điện than vận hành lâu năm khác tại Việt Nam./.

VŨ THẾ UY - VIỆN NĂNG LƯỢNG (BỘ CÔNG THƯƠNG)

Tài liệu tham khảo:

[1] Bộ Tài nguyên và Môi trường. QCVN 19:2024/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải công nghiệp. Hà Nội, 2024.

[2] Chính phủ. Nghị định số 08/2022/NĐ-CP quy định chi tiết một số điều của Luật Bảo vệ môi trường. Hà Nội, 2022.

[3] U.S. Environmental Protection Agency. Performance of Selective Catalytic Reduction on Coal-Fired Steam Generating Units. Final Report, June 1997.

[4] Institute of Clean Air Companies (ICAC). Selective Non-Catalytic Reduction (SNCR) for Controlling NOx Emissions. White Paper, February 2008.

[5] Babcock & Wilcox / các nhà cung cấp FGD. Tài liệu kỹ thuật nâng cấp FGD đá vôi ướt (vòi phun, khay phân phối, dự án Fayette, Trimble).