Để nhiệt điện than giảm thiểu tác động tiêu cực

Môi trường nhiệt điện than: Hiện trạng và giải pháp [Kỳ 1]
Môi trường nhiệt điện than: Hiện trạng và giải pháp [Kỳ 2]

ĐOÀN NGỌC DƯƠNG - VIỆN NĂNG LƯỢNG (BỘ CÔNG THƯƠNG)

Đặc thù của các nhà máy nhiệt điện đốt than là sử dụng than làm nhiên liệu, cung cấp năng lượng nhiệt đầu vào cho quá trình chuyển hóa thành năng lượng điện tại đầu ra các máy phát điện. Các phản ứng hóa học của quá trình đốt cháy than trong buồng đốt lò hơi sẽ sinh ra một số chất khí gây ô nhiễm môi trường sinh thái cũng như ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người như: ôxit ni-tơ (NO_x), điôxit lưu huỳnh (SO₂).

Ngoài ra, các hạt tro xỉ than (dưới dạng bụi) bị cuốn theo khói thải phát tán ra ngoài cũng gây ô nhiễm bụi cho môi trường không khí xung quanh. Cùng với các dạng phát thải khác từ NMNĐ than (nước thải, tiếng ồn, tro xỉ), các phát thải gây ô nhiễm này cần thiết phải được giảm thiểu, kiểm soát và khống chế ở mức độ phù hợp để đáp ứng yêu cầu về bảo vệ môi trường, góp phần đảm bảo sự phát triển bền vững của công nghiệp nhiệt điện đốt than nói riêng cũng như tổng thể ngành năng lượng nói chung.

Quy phạm pháp luật về phát thải khí của công nghiệp nhiệt điện than

Hiện nay, quy phạm pháp luật về bảo vệ môi trường liên quan đến khí thải từ NMNĐ đốt than tại Việt Nam được quy định tại các Quy chuẩn Việt Nam (QCVN) do Bộ Tài nguyên và Môi trường ban hành, cụ thể như sau: QCVN 22:2009/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải công nghiệp nhiệt điện; QCVN 05:2013/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng không khí xung quanh.

Trong đó, Quy chuẩn Việt Nam QCVN 22:2009/BTNMT (gọi tắt là QCVN 22) quy định mức phát thải tại nguồn (tải lượng chất ô nhiễm tại đầu ra ống khói NMNĐ than, nghĩa là trước khi phát thải ra môi trường). Bên cạnh đó, Quy chuẩn Việt Nam QCVN 05:2013/BTNMT quy định về nồng độ tối đa các chất ô nhiễm trong môi trường không khí xung quanh. Các chất ô nhiễm từ khí thải các NMNĐ than được xác định gồm: NO_x, SO₂, và bụi.

Theo QCVN22, nồng độ tối đa cho phép của các chất ô nhiễm này trong khí thải NMNĐ được xác định tùy thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng, vị trí địa điểm nhà máy và quy mô công suất.

Ngoài ra, để đáp ứng yêu cầu theo QCVN05, nồng độ tối đa của các chất ô nhiễm trong khí thải NMNĐ than có thể phải khống chế thấp hơn nữa.

Công nghệ và trang bị xử lý khí thải NMNĐ than

Việc áp dụng các công nghệ và thiết bị xử lý khí thải NMNĐ than để kiểm soát chất lượng không khí đã được thực hiện từ những năm 50 - 60 của thế kỷ trước tại các nước phát triển như Mỹ, Nhật Bản, EU…, sau đó đến những thập niên cuối của thế kỷ 20 dần được áp dụng tại hầu hết các quốc gia trên thế giới, trong đó có Việt Nam. Thiết bị bảo vệ môi trường tập trung vào xử lý các sản phẩm của quá trình đốt cháy than với các công nghệ chính sau:

Công nghệ kiểm soát bụi (các hạt tro xỉ than có kích cỡ rất nhỏ) trong khí thải: bao gồm các bộ lọc bụi kiểu màng nước, kiểu túi, lọc bụi tĩnh điện (ESP).

Công nghệ kiểm soát NO_x: sử dụng cách thức phun hóa chất dạng kiềm vào khí thải để phản ứng trung hòa NOx, qua đó khống chế được nồng độ chất ô nhiễm này trước khi thải ra môi trường qua ống khói. Hiện nay, phổ biến áp dụng 2 công nghệ: phản ứng có xúc tác chọn lọc (SCR) và phản ứng không xúc tác chọn lọc (SNCR).

Công nghệ kiểm soát SO₂: cũng tương tự công nghệ khử NO_x, việc khử SO₂ trong khí thải cũng thực hiện trong các bộ (tháp) phản ứng (gọi là các tháp FGD), lắp đặt trước ống khói, sử dụng chất khử gốc kiềm để phản ứng trung hòa SO₂ trong khí thải lò hơi. Một biến thể của dạng công nghệ này là sử dụng nước biển (tại các nhà máy nằm sát biển) làm chất khử, nhờ đó giảm được đáng kể chi phí vận hành của hệ thống FGD.

Trong vài thập niên vừa qua, do yêu cầu ngày càng cao về bảo vệ môi trường ở hầu hết các nước trên thế giới, đặc biệt là tại các nước phát triển, các nhà chế tạo thiết bị nhiệt điện đốt than đã tập trung phát triển công nghệ đốt than theo hướng giảm thiểu tối đa phát thải các chất ô nhiễm ngay trong quá trình cháy (còn gọi là phát thải cơ sở) tại buồng đốt lò hơi mà không phải hy sinh (giảm) hiệu suất đốt cháy than. Chẳng hạn, đối với công nghệ đốt than phun (PC) truyền thống: phát triển hệ thống vòi đốt than bột kiểu phát thải thấp low-NOx.

Bên cạnh đó, một dạng công nghệ đốt than mới khác cũng được nghiên cứu, phát triển và thương mại hóa thành công, đó là công nghệ đốt than kiểu lớp sôi tuần hoàn (CFB). Công nghệ này cho phép sử dụng nhiên liệu chất lượng thấp có hàm lượng lưu huỳnh cao trong khi vẫn giảm thiểu đáng kể được phát thải NO_x, SO₂ cơ sở.

Song song với đó là hoàn thiện và tối ưu hóa công nghệ các hệ thống thiết bị xử lý khí thải sau quá trình cháy với hiệu suất và chi phí phù hợp để kiểm soát nồng độ các chất ô nhiễm trong khí thải lò hơi ở mức cho phép trước khi thải ra ống khói.

Tình hình áp dụng tại Việt Nam

Để đáp ứng yêu cầu về bảo vệ môi trường, hầu hết các NMNĐ than tại Việt Nam đều được trang bị các hệ thống xử lý khí thải như nêu ở trên. Do đặc thù về chủng loại chất lượng than, mức độ sẵn có của các hóa chất khử cũng như chi phí đầu tư ban đầu và chi phí O&M của các hệ thống thiết bị, công nghệ phổ biến áp dụng tại các NMNĐ than ở Việt Nam như sau:

Thiết bị khử bụi: kiểu tĩnh điện (ESP)

Công nghệ khử bụi kiểu ESP có truyền thống phát triển lâu dài, độ tin cậy và ổn định cao, giá thành hợp lý, nhiều kinh nghiệm trong vận hành, bảo dưỡng sửa chữa. Thiết bị có hiệu suất khử bụi cao đến 99,9%, có thể bảo đảm nồng độ bụi ở đầu ra bộ lọc thấp đến khoảng 30 - 40 mg/Nm³ (để so sánh, theo QCVN22 nồng độ bụi tối đa cho phép tại phần lớn các NMNĐ than hiện nay và sẽ vận hành trong thời gian tới, với cỡ công suất tổ máy 300 - 600MW, sử dụng than antraxit trong nước hoặc than á bitum nhập khẩu nằm trong khoảng 100 - 140 mg/Nm³, tương ứng với hiệu suất khử bụi yêu cầu khoảng 99,2 - 99,6%).

Trước đây, toàn bộ trang thiết bị của bộ khử bụi ESP (phần cơ khí, điện, điều khiển…) đều phải nhập khẩu. Hiện nay nhiều nhà sản xuất, chế tạo trong nước đã đầu tư trang bị các công cụ thiết kế, dây chuyền chế tạo, nhân lực… để có thể gia công chế tạo trong nước hầu hết các cấu phần cơ khí, điện, chỉ phải nhập khẩu 1 số thiết bị chính trong hệ thống (như máy biến áp, bộ điều khiển), qua đó giảm được chi phí đầu tư và sửa chữa các hệ thống thiết bị này.

Một điểm cần lưu ý, đối với các NMĐ than sử dụng dầu nặng (FO) làm nhiên liệu phụ (khi khởi động lò hơi, đốt kèm khi phụ tải thấp), yêu cầu các bộ ESP phải được thiết kế để có thể đưa vào vận hành ngay từ khi bắt đầu đốt dầu, nhằm ngăn ngừa hiện tượng khói đen (do muội, cặn dầu cháy không hết) phát tán ra môi trường từ ống khói nhà máy.

Hệ thống khử SO₂

Công nghệ FGD kiểu ướt bao gồm 2 kiểu chính sau: Phương pháp ướt dùng đá vôi và phương pháp dùng nước biển.

Phương pháp khử SO₂ kiểu ướt dùng đá vôi làm chất khử rất phổ biến trên thế giới cũng như ở Việt Nam và đã được kiểm nghiệm, thương mại hóa qua chế tạo và vận hành. Trong phương pháp này khí thải từ lò hơi mang theo SO₂ được đưa qua tháp hấp thụ kiểu ướt. Tại đây khí SO₂ được dung dịch bùn đá vôi (chất khử) hấp thụ và trung hòa, trở thành canxi sunfit và canxi sunfat (thạch cao).

Phương pháp này có hiệu suất khử cao, đến trên 95% - tương ứng với nồng độ SO₂ tại đầu ra bộ khử <100 mg/Nm³ (để so sánh, đa số các NMNĐ than hiện nay và sẽ vận hành trong thời gian tới, với cỡ công suất tổ máy 300 - 600MW, sử dụng than antraxit trong nước hoặc than á bitum nhập khẩu, theo QCVN22 yêu cầu về nồng độ tối đa cho phép đối với SO₂ nằm trong khoảng 250 - 350 mg/Nm³). Phụ phẩm của quá trình khử là thạch cao có giá trị thương mại (sử dụng làm vật liệu xây dựng). Đá vôi sẵn có tại nhiều nơi ở Việt Nam với chi phí thấp. Do vậy, phần lớn các NMNĐ than ở nước ta đến nay đều áp dụng công nghệ FGD kiểu ướt sử dụng đá vôi.

Đặc điểm của thiết bị khử FGD kiểu ướt là làm việc trong vùng nhiệt độ khói thấp, dưới mức đọng sương của SO₂, do đó các bề mặt tiếp xúc với khí thải phải làm việc liên tục trong môi trường bị ăn mòn axit mạnh, bị bám dính, tắc do cặn bùn, ẩm… dẫn đến thiết bị nhanh hư hỏng, trục trặc, xuống cấp. Do vậy, đòi hỏi việc thiết kế hệ thống, lựa chọn vật liệu phù hợp trong quá trình gia công chế tạo cũng như quy trình, cách thức thực hiện công tác O&M cần được đặc biệt chú trọng và tuân thủ nghiêm ngặt.

FGD đá vôi có lợi thế khi xét điều kiện thực tế nhà máy đặt tại vùng có nguồn dự trữ đá vôi dồi dào, khả năng tiêu thụ thạch cao (sản phẩm phụ của FGD đá vôi) tương đối triển vọng. Nếu áp dụng công nghệ này cũng cần cân nhắc đến khoảng cách và tác động vận chuyển đá vôi (khoảng dưới 20÷35km), khoảng cách đến các hộ tiêu thụ thạch cao lớn cũng khá xa. Việc vận hành hệ thống cũng khá phức tạp nhất là công đoạn nghiền đá vôi và phun dung dịch sữa vôi trong tháp hấp thụ, trong đó có yêu cầu cao về độ mịn hạt đá vôi, độ đồng đều trong quá trình phun dung dịch nhằm đạt được hiệu quả khử mong muốn.

Phương pháp hấp thụ bằng nước biển. Đây là công nghệ khử SO₂ hiện đại, mới được áp dụng ở một số dự án tại Việt Nam thời gian gần đây như: NMNĐ Vũng Áng 1, Vĩnh Tân 2, Duyên Hải 1. Công nghệ này sử dụng lượng nước biển làm mát từ các bình ngưng để hấp thụ và trung hoà SO₂ trong khí thải lò hơi. SO₂ khi hòa tan trong nước biển do tác dụng của ôxy trong không khí (quá trình oxy hóa nhờ sục khí) được chuyển hoá thành ion sunfat (SO₄^2-). Ion sunfat vốn là một thành phần tự nhiên có sẵn trong nước biển, do đó quá trình khử trên không ảnh hưởng xấu đến chất lượng nước biển, không gây ô nhiễm môi trường.

Hiệu suất khử SO_x của công nghệ này có thể lên tới trên 90% và không có sản phẩm phụ. Các số liệu vận hành ở các nhà máy nêu trên cho thấy hệ thống FGD nước biển đã đáp ứng các giá trị phát thải SO₂ đầu ra theo như thiết kế.

Nếu áp dụng công nghệ khử lưu huỳnh bằng nước biển, chi phí vận hành giảm do không phải sử dụng đá vôi, tuy nhiên hệ thống sẽ sử dụng khoảng 25-30% lưu lượng nước làm mát và sau tháp hấp thụ nhiệt độ nước làm mát sẽ tăng thêm, có thể ảnh hưởng đến nhiệt độ nước làm mát đầu vào sẽ lớn hơn trong trường hợp sử dụng công nghệ đá vôi và do đó ảnh hưởng đến độ kinh tế trong vận hành của nhà máy và tải lượng nhiệt ra môi trường (tuy vậy ảnh hưởng là không nhiều, mức tăng thường khoảng < 0,5^oC, trong phạm vi chấp nhận được).

Đối với công nghệ FGD sử dụng nước biển, cần chú ý đến các vấn đề: Các thiết bị, hệ thống đường ống cần phải có các giải pháp bảo vệ ăn mòn trong môi trường nước biển; Một phần bụi trong khói thải sẽ theo đường nước thải ra biển. Tuy nhiên, khói đi vào tháp hấp thụ FGD đã qua bộ khử bụi tĩnh điện, nồng độ bụi trong khói còn rất thấp (dưới 50mg/Nm³) nên lượng bụi thu giữ lại là không đáng kể, phần còn lại sẽ vẫn nằm trong khói thải đi vào ống khói.

Hệ thống khử NO_x: công nghệ hấp thụ có xúc tác chọn lọc (SCR) và không xúc tác (SNCR).

Công nghệ SCR là công nghệ khử NO_x trong dòng khói sau quá trình cháy, chất phản ứng (ammonia hoặc dung dịch u-rê) được phun vào vùng có nhiệt độ thấp nơi khối chất xúc tác được lựa chọn lắp đặt, hiệu suất khử khá cao, khoảng 70-90%. Hiệu suất khử không bị ảnh hưởng đáng kể bởi thay đổi của nhiệt độ theo dòng khói tại khu vực đuôi lò. Chi phí đầu tư, vận hành và bảo dưỡng cao hơn so với công nghệ SNCR.

Hiện tại một số dự án mới, công suất lớn (tổ máy 600MW) ở Việt Nam đã áp dụng công nghệ này như NMNĐ Vũng Áng, Duyên Hải 1, Long Phú 1. Đối với các nhà máy cũ hơn (vận hành khoảng trên dưới 10 năm) hiện nay hầu hết cũng đã có kế hoạch - dự án đầu tư lắp mới (bổ sung) hệ thống khử NO_x kiểu SCR để đáp ứng yêu cầu phát thải theo quy định tại QCVN22.

Công nghệ SCR có hiệu suất khử cao, đáp ứng quy định hiện hành cũng như cả mức dự phòng cần thiết cho tương lai (trường hợp yêu cầu nồng độ NOx tối đa khắt khe hơn).

Đơn cử 1 ví dụ, đối với NMNĐ Hải Phòng 1 (2x300MW) sử dụng nhiên liệu than antraxit (là loại nhiên liệu có mức phát thải NO_x cao), yêu cầu nồng độ NO_x trong khí thải lò hơi ở mức 510mg/Nm³, tương ứng với hiệu suất khử của hệ thống SCR khoảng 50%. Trong khi, theo trình bày ở trên, hiệu suất khử lớn nhất của hệ thống này có thể đạt đến 90%, tương ứng với mức phát thải NO_x chỉ khoảng 100mg/Nm³. Đối với nhiên liệu than bitum hoặc á bitum, mức phát thải NO_x đạt được còn thấp hơn nữa.

Công nghệ SNCR là công nghệ khử NO_x trong dòng khói ngay sau quá trình cháy, chất phản ứng được phun vào vùng nhiệt độ cao, hiệu suất khử NO_x khoảng 40-60% và phụ thuộc nhiều vào quá trình điều khiển cấp chất phản ứng vào trong buồng lửa ở khoảng nhiệt độ phù hợp.

Công nghệ SNCR phù hợp hơn với lò hơi có công suất <250MW. Chi phí đầu tư, vận hành và bảo dưỡng thấp hơn so với công nghệ SCR. Công nghệ SNCR phù hợp áp dụng cho các tổ máy nhiệt điện than công suất nhỏ và trung bình, yêu cầu mức phát thải NOx không quá khắt khe, khả năng nguồn kinh phí đầu tư hạn hẹp. Hiện tại, dự án cải tạo nâng cấp NMNĐ Phả Lại 1 đang xem xét áp dụng công nghệ này để đáp ứng yêu cầu theo QCVN22 đối với phát thải NOx trong khí thải lò hơi.

Một số nhận xét và khuyến nghị

Như trình bày trong các phần trên, về tổng thể có thể thấy hiện tại cũng như trong thời gian tới, các NMNĐ than ở Việt Nam đều đã, đang và sẽ được áp dụng các thiết bị và công nghệ kiểm soát phải thải khí phù hợp, tiên tiến, có công nghệ an toàn, tin cậy, đã được kiểm chứng, đáp ứng yêu cầu về bảo vệ môi trường hiện hành cũng như dự phòng cho khả năng quy định về phát thải chặt chẽ hơn nữa trong tương lai.

Bên cạnh việc xem xét, áp dụng các thiết bị - công nghệ bảo vệ môi trường có tính "truyền thống", chúng tôi khuyến nghị xem xét các giải pháp sau nhằm góp phần giảm thiểu hơn nữa, có tính đồng bộ đối với các tác động tiêu cực do phát thải khí từ NMNĐ than.

Áp dụng công nghệ tiên tiến, nâng cao hiệu suất, giảm tiêu thụ nhiên liệu.

Đây có thể coi là một trong những giải pháp có tính "căn cơ" đối với ngành nhiệt điện đốt than tại Việt Nam trong thời gian tới, khi ngày càng nhiều các nhà máy mới có quy mô công suất lớn, sử dụng than bitum - á bitum nhập khẩu sẽ được đầu tư xây dựng. Việc đầu tư công nghệ lò hơi thông số cao hơn (SC, USC) sẽ nâng cao đáng kể hiệu suất chu trình phát điện, đồng thời tiêu thụ nhiên liệu than sẽ giảm tương ứng, dẫn đến giảm được cả phát thải khí (bụi, SO₂, NO_x, CO₂) cũng như chất thải rắn (tro xỉ).

Để so sánh, có thể xem xét ví dụ sau: Một NMNĐ đốt than, công suất 2x600MW, sử dụng nhiên liệu than á bitum nhập khẩu có nhiệt trị khoảng 4.800 kcal/kg. Nếu áp dụng công nghệ SC, hiệu suất phát điện đạt khoảng 40,7%, tương ứng với tiêu hao nhiêu liệu khoảng 0,44 kg/kWh, hay 3,17 triệu tấn than/ năm (T_max = 6000h/năm). Trường hợp áp dụng công nghệ USC, hiệu suất sẽ đạt khoảng 42,5%, tiêu hao nhiêu liệu khoảng 0,425 kg/kWh, hay 3,06 triệu tấn than/ năm. Như vậy, so với công nghệ SC, công nghệ USC giảm được khoảng 110.000 tấn than/ năm, tương ứng với lượng giảm phát thải SO₂ khoảng 600 - 700 tấn, NO_x khoảng 520 tấn, và giảm lượng tro xỉ khoảng 4.000-5.000 tấn mỗi năm.

Mặc dù các lợi ích về giảm lượng than tiêu thụ, qua đó giảm được lượng phát thải khí, chất thải rắn như tro xỉ… là rất rõ ràng, tuy nhiên việc áp dụng công nghệ hiện đại (USC) đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu cao hơn đáng kể công nghệ SC và SubC. Nếu giá nhiên liệu than chỉ ở mức rẻ hoặc trung bình (như hiện nay), hiệu quả thu được đối với dự án từ việc giảm tiêu hao than sẽ khó bù đắp được lượng vốn đầu tư ban đầu cao hơn. Đây là rào cản chính cho việc áp dụng công nghệ tiên tiến USC tại các NMNĐ than mới ở nước ta hiện nay.

Bên cạnh đó, áp dụng công nghệ đốt than phát thải thấp (Low-NO_x) tiên tiến cho hệ thống đốt cháy than bột cũng là một giải pháp hữu hiệu nhằm kiểm soát phát thải NOx từ nguồn của NMNĐ than.

Chuyển đổi nhiên liệu than sang loại chất lượng tốt hơn, hoặc xem xét áp dụng trộn than để nâng cao hiệu quả sản xuất điện.

Đối với các NMNĐ than đang vận hành, để góp phần giảm bớt phát thải cơ sở SO₂, có thể xem xét giải pháp chuyển đổi sang sử dụng loại than có hàm lượng S thấp hơn. Trong bối cảnh giá nhiên liệu hóa thạch nói chung và giá than nói riêng trên thị trường thế giới sẽ duy trì ở mức trung bình theo các dự báo trung hạn gần đây, việc xem xét chuyển đổi nhiên liệu là có thể thực hiện vì đòi hỏi mức tăng chi phí nhiên liệu không quá lớn, có thể bù đắp được bởi lợi ích thu được từ việc giảm bớt chi phí vận hành hệ thống FGD.

Việc xem xét áp dụng trộn than, chẳng hạn giữa than antraxit trong nước và than bitum - á bitum nhập khẩu để nâng cao hiệu quả sản xuất điện cũng là một giải pháp có tính khá thi và cần được xem xét thực hiện, đặc biệt trong tình hình khả năng nhập than không quá khó khăn hiện nay.

Theo kết quả nghiên cứu mới đây của Hội Khoa học Kỹ thuật Nhiệt Việt Nam, với tỷ lệ phối trộn phù hợp giữa than antraxit trong nước và than bitum - á bitum nhập khẩu, có thể nâng cao được hiệu suất lò hơi khoảng 1 - 2%, giảm được tiêu thụ nhiên liệu tương ứng, qua đó giảm bớt được lượng phát thải khí từ NMNĐ than.

TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM