Phản đối Việt Nam phát triển nhiệt điện than là một sai lầm [Kỳ 15]

Vì sao Việt Nam cần phát triển nhiệt điện than? (Tạm kết)
Phản đối Việt Nam phát triển nhiệt điện than là một sai lầm [Kỳ 1]
Phản đối Việt Nam phát triển nhiệt điện than là một sai lầm [Kỳ 2]
Phản đối Việt Nam phát triển nhiệt điện than là một sai lầm [Kỳ 3]
Phản đối Việt Nam phát triển nhiệt điện than là một sai lầm [Kỳ 4]
Phản đối Việt Nam phát triển nhiệt điện than là một sai lầm [Kỳ 5]
Phản đối Việt Nam phát triển nhiệt điện than là một sai lầm [Kỳ 6]
Phản đối Việt Nam phát triển nhiệt điện than là một sai lầm [Kỳ 7]
Phản đối Việt Nam phát triển nhiệt điện than là một sai lầm [Kỳ 8]
Phản đối Việt Nam phát triển nhiệt điện than là một sai lầm [Kỳ 9]
Phản đối Việt Nam phát triển nhiệt điện than là một sai lầm [Kỳ 10]
Phản đối Việt Nam phát triển nhiệt điện than là một sai lầm [Kỳ 11]
Phản đối Việt Nam phát triển nhiệt điện than là một sai lầm [Kỳ 12]
Phản đối Việt Nam phát triển nhiệt điện than là một sai lầm [Kỳ 13]
Phản đối Việt Nam phát triển nhiệt điện than là một sai lầm [Kỳ 14]

BÀI 15: LÒ HƠI CFBs ĐỐT ĐA NHIÊN LIỆU: TƯƠNG LAI CỦA CÔNG NGHIỆP PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU RẮN

TÁC GIẢ: CHUYÊN GIA ROBERT GIGLIO - SUMITOMO SHI FW

Mỗi nhà máy nhiệt điện ngày nay được xây dựng có yêu cầu thiết kế riêng biệt cho loại nhiên liệu sẽ được sử dụng. Các định chế về kinh tế và chính sách thường đưa ra yêu cầu chặt chẽ để có thể sử dụng các nguồn nhiên liệu địa phương, hoặc đốt kèm với nhiên liệu sinh khối, hoặc nhiên liệu có nguồn gốc nông nghiệp. 

Ngoài ra, trong hầu hết các thị trường điện, tính linh hoạt cùng với độ tin cậy của nhà máy khi vận hành (ví dụ: thời gian đấu lưới nhanh, thay đổi tải…) là những yêu cầu thiết yếu, bởi vì các dự án năng lượng tái tạo, đặc biệt là dự án năng lượng mặt trời và điện gió, dù luôn được ưu tiên hơn nhưng không dễ đáp ứng với yêu cầu về đấu nối lưới. 

Sau cùng, các chủ đầu tư luôn mong muốn dùng nhiên liệu ít tốn kém hơn, thường có sẵn nguồn cung trên toàn cầu, để tránh bị phụ thuộc một loại nhiên liệu duy nhất cho hoạt động của nhà máy. Công nghệ lò hơi tầng sôi tuần hoàn (CFB) có thể đáp ứng tất cả các yêu cầu thường mâu thuẫn này trong quá trình thiết kế lập dự án.

Theo dòng thị trường nhiên liệu

Thị trường đốt than truyền thống 6.000 kcal/kg toàn cầu đã phát triển mạnh mẽ nhất trong 50 năm qua, nhưng gần đây đã trải qua một quá trình chuyển đổi nhanh chóng mà giá cả thường xuyên cao hơn hẳn so với chất lượng than. Như các mỏ than đến cuối chu kì vận hành, mà hoạt động khai thác sẽ chuyển sang than có chất lượng thấp hơn. 

Than Indonesia là một ví dụ, quốc gia này chi phối thị trường than toàn cầu với khoảng 50% than xuất khẩu có độ ẩm cao, than á bitum với tổng nhiệt trị (HHV) trong khoảng, từ 3.900 4.200 kcal/kg. Hơn nữa, trong tương lai trữ lượng than tiềm năng của Indonesia với chất lượng tốt nhất, dự kiến sẽ là than với nhiệt trị trung bình HHV không lớn hơn 5.200 kcal/kg (với mức độ sàng tuyển kinh tế). 

Kết quả của xu hướng là giá than sẽ đi xuống, than nâu (lignite) nội địa và than chất lượng xấu sẽ là nguồn cung đáng kể với lợi thế kinh tế cho nhà máy điện nào có thể linh hoạt sử dụng nhiên liệu chất lượng thấp, ít tốn kém hơn. Sự dịch chuyển xu hướng, dường như là chắc chắn, nhắm tới một thị trường nhiên liệu rắn linh hoạt hơn, nơi mà người mua và người bán hài lòng với các giao dịch thương mại - trong đó chất lượng nhiên liệu phù hợp với giá cả.

Sự mở rộng của thị trường nhiên liệu rắn chất lượng thấp đã làm tăng lên đáng kể giá trị của sự linh hoạt của nhiên liệu cho nhà máy điện công suất lớn, và là động lực chính đằng sau sự phát điện của các nhà máy điện CFB lớn trong hơn 10 năm qua (bao gồm cả ví dụ ở trong phần cuối của bài viết này). Các nhà máy sử dụng Lò hơi CFB, không giống như các mẫu thiết kế nhà máy với công nghệ than phun (PC), đã cung cấp cho các nhà đầu tư sự lựa chọn, hoặc là tiếp tục dùng với than giá cao, hoặc mạo hiểm vào thị trường nhiên liệu rộng hơn và tận dụng các loại than chất lượng thấp sẵn có, thậm chí là với các lò hơi có thiết kế siêu tới hạn (USC).

Công nghệ đốt nhiên liệu linh hoạt

Những thay đổi trong thị trường nhiên liệu rắn toàn cầu mang đến một lợi thế thị trường cho những nhà đầu tư là dạng nhiên liệu chưa biết đến. Nhưng sự linh hoạt của nhiên liệu có ý nghĩa nhiều hơn chỉ là đốt được dải than rộng, hoặc thậm chí cả than trộn và nhiên liệu sinh khối. Nó cũng có nghĩa rằng, các nhà máy với độ tin cậy cao, dễ bảo trì, vận hành, và phát thải ít không bị ảnh hưởng trên một phạm vi rất rộng của nhiên liệu (bao gồm cả hỗn hợp nhiên liệu than đá và nhiên liệu sinh khối).

Lò hơi than phun PC gặp khá nhiều khó khăn khi đốt nhiên liệu chất lượng thấp do đặc điểm kỹ thuật dải nhiên liệu hẹp thường yêu cầu từ 5.500 kcal/kg (23 MJ/kg) HHV hoặc cao hơn, độ ẩm nhiên liệu dưới 30% - 35%, và chất bốc trên 20%. Tuy nhiên, đây không phải là trường hợp cho công nghệ lò hơi tầng sôi CFB. Lò hơi tầng sôi hiện đại có thể đốt cháy hiệu quả dòng than chất lượng thấp và than non với nhiệt trị khác nhau, từ 1.000 đến 8.500 kcal/kg (4 - 35 MJ/kg), nhiên liệu có độ đóng xỉ và độ ẩm cao tới 60% và chất bốc xuống 5%.

Lò hơi CFB có độ tin cậy cao khi đốt cháy than chất lượng thấp dựa trên quá trình đốt cháy không có ngọn lửa với nhiệt độ thấp. Không giống như các lò hơi truyền thống PC mà dựa vào một ngọn lửa mở, sự tuần hoàn nhiên liệu rắn của lò CFB được sử dụng để đạt được hỗn hợp cháy cao và nhiệt truyền hiệu quả. Nhiên liệu được tuần hoàn cho đến khi đốt cháy hoàn toàn. Tro, xỉ trong nhiên liệu không tan chảy, hoặc làm mềm ở nhiệt độ tầng đáy thấp cho phép lò CFB tránh được các vấn đề về bám bẩn và ăn mòn thường hay gặp phải trong các loại lò hơi PC.

Về phương diện môi trường, nhiệt độ thấp trong quá trình đốt cháy của lò CFB giảm thiểu phát thải NOx hình thành và cho phép các đá vôi được đưa trực tiếp vào lò để hấp thụ SOx như một loại nhiên liệu. Trong hầu hết trường hợp, SCR và FGD để kiểm soát NOx và SOx là không cần thiết dẫn đến chi phí đầu tư ban đầu của nhà máy giảm đáng kể, các chi phí vận hành và bảo dưỡng (O&M) hàng năm và lượng nước tiêu thụ cũng ít hơn, trong khi độ tin cậy, hiệu quả của nhà máy được cải thiện.

Đối với một lò hơi PC để kiểm soát bám bẩn, bám xỉ, và ăn mòn khi đốt cháy than chất lượng thấp, chẳng hạn như than non có thành phần Natri cao, phần chuyển tiếp và chiều cao buồng đốt phải tăng đáng kể, tăng khoảng 45% chiều cao và 60% (theo đơn vị ft). Hơn nữa, không giống như lò hơi PC, lò hơi CFB không cần dùng bộ thổi bụi để thổi xỉ bám trong vách tường lò buồng đốt do nhiên liệu rắn tuần hoàn sẽ làm cho vách tường lò buồng đốt, dàn ống và ống sinh hơi sạch sẽ, cho phép sự truyền nhiệt đạt hiệu quả cao nhất trong khi giảm khối lượng công cho công tác bảo trì lò hơi.

Sơ đồ nhiệt của lò hơi CFB và PC minh họa sự khác biệt nhiệt động giữa hai công nghệ đốt (Hình 1). Các khu vực màu xanh lá cây là nơi nhiệt độ buồng đốt khoảng 850⁰C trong khi các vùng màu đỏ hiển thị nhiệt độ gần như ở 2000⁰C. Nguyên lý thiết kế chính cho lò hơi CFB là nhiệt độ cháy (ở khắp mọi nơi) luôn dưới nhiệt độ nóng chảy của xỉ. Khi mà xỉ không nóng chảy thì bám bẩn và ăn mòn sẽ được giảm thiểu trong toàn bộ lò hơi (buồng đốt và phần thu hồi nhiệt) và cho phép lò CFB đạt được độ tin cậy mà lò PC không đạt được.

Nhiệt độ buồng đốt thấp giảm thiểu số lượng NOx được hình thành, thường cho phép nhà máy tránh được những chi phí cho SCR. Ngoài ra, đá vôi có thể được thêm trực tiếp vào lò để hấp thụ các loại khí axit như: SO₂, SO₃, HCl và HF ngăn ngừa các yếu tố ăn mòn từ nguyên nhân gây ăn mòn và bám bẩn từ lò hơi, bộ sấy không khí và các thiết bị liên quan. Trong hầu hết các dự án, thêm đá vôi vào lò hơi CFB có thể đạt được các yêu cầu về khí phát thải mà không cần lắp thêm bộ khử lưu huỳnh FGD.

Sau cùng, không giống như  lò hơi PC, nhiên liệu đưa vào lò không cần loại thật mịn, thật khô, hoặc phun tán vào buồng đốt bằng vòi đốt, tránh được chi phí đầu tư, bảo trì cho máy sấy, máy nghiền liệu, ống dẫn than phun và vòi đốt than. Đối với lò hơi CFB, nhiên liệu thô được thả vào phễu liệu bằng cách sử dụng trọng lực đưa nhiên liệu vào lò hơi.

Hình 1: Vận hành ở nhiệt độ thấp của lò hơi CFB làm giảm lượng khí thải NOx và thêm đá vôi vào tầng đáy để giảm lượng SO2. Ngoài ra, phần thiết kế hầu như loại bỏ đóng xỉ và ăn mòn từ tạp chất gây ô nhiễm của nhiên liệu. Kết quả là chi phí đầu tư ban đầu giảm, chi phí O&M giảm, và độ tin cậy nhà máy cao hơn so với công nghệ lò PC. Nguồn: Sumitomo SHI FW.

Tuổi thọ cao - quay vòng vốn

Một ngành công nghiệp nổi tiếng với thực tế rằng, việc dừng phát điện là yếu tố lớn nhất để giảm độ tin cậy của nhà máy, từ đó sẽ xác định được các dự án tài chính thành công (Hình 2). Ví dụ, hãy xem xét một nhà máy than đá siêu tới hạn 600MWe đốt than loại 50 $/ tấn (4.500 kcal/kg) than Indonesia và bán điện với giá $100/MWh dựa trên hệ số 90% công suất. Mất bốn điểm % trong hệ số công suất hàng năm sẽ làm giảm lợi nhuận sau thuế 13,8 triệu đô la Mỹ cho năm đầu tiên, hoặc $212 triệu trên 30 năm hoạt động suốt tuổi thọ của nó. 

Hình 3 minh họa một quá trình dài của dữ liệu vận hành cho các nhà máy điện với công nghệ đốt nhiên liệu chất rắn khác nhau ở các khu vực khác nhau trên thế giới. Lò hơi CFB chứng tỏ được là với nhà máy hoạt động trên 15 năm thì nhà máy có hệ số sẵn sàng có ưu thế cao hơn 5,5 phần trăm điểm trung bình, tùy thuộc vào sự lựa chọn nhiên liệu.

Hình 2: Hệ số công suất hàng năm của nhà máy thường là yếu tố quan trọng nhất trong một dự án thành công. Chỉ tiêu NPV thuần dựa trên 30 năm hoạt động và tỷ lệ chiết khấu 5%. Nguồn: Sumitomo SHI FW.
 

Hình 3: Các nguồn dữ liệu toàn cầu chứng minh tính khả dụng của nhà máy sử dụng công nghệ CFB. Dữ liệu về tính khả dụng của nhà máy sử dụng công nghệ CFB dựa vào các báo cáo giai đoạn các năm 2000-2015 cho các lò hơi CFB chủ yếu đặt ở châu Âu. Dữ liệu về tính khả dụng của Bắc Mỹ, VGB và WEC (Hội đồng Năng lượng Thế giới) dựa vào các tài liệu báo cáo của các nhà máy nhiệt điện (PC và CFB) cùng thời kỳ. Nguồn Sumitomo SHI, FW, NERC, VGB, và WEC.

Chi phí nhiên liệu là thành phần quan trọng trong bảng cân đối tài chính của bất kỳ nhà máy điện nào, do đó, lợi thế kinh tế thường đi vào các nhà máy có thể vận hành tin cậy với đặc tính nhiên liệu kém hơn, qua đó giảm chi phí nhiên liệu. Khả năng tiết kiệm chi phí nhiên liệu được chứng minh qua quá trình của cùng một loại nhà máy công nghệ siêu tới hạn sử dụng than với giá 70$/tấn (5.500 kcal/kg) để làm cơ sở (Hình 4). Nếu giảm 10 $/tấn chi phí nhiên liệu thì lợi nhuận của nhà máy hàng năm sẽ tăng thêm 7 triệu USD hàng năm và 102 triệu cho 30 năm vận hành.

Hình 4: Nhiên liệu chiếm khoảng 75 - 85% chi phí vận hành của một nhà máy. Chỉ tiêu NPV thuần dựa theo thời gian vận hành nhà máy 30 năm và tỉ lệ chiết khấu 5%.

Các dự án được đưa vào nghiên cứu

Có nhiều dự án gần đây minh họa cho các ứng dụng thành công công nghệ CFB của Sumitomo FW có hoàn cảnh giống như trường hợp nghiên cứu ở trên. Bốn dự án sau đây minh họa cho sự đáp ứng linh hoạt của nhiên liệu trong công nghệ CFB, mỗi dự án đều là điển hình cho nhiên liệu áp dụng của nó.

Nhà máy điện Lagisza 450MW là nhà máy siêu tới hạn áp dụng công nghệ CFB vận hành lâu nhất trên thế giới cho đến nay (Hình 5). Nhà máy nằm trong nhà máy Tauron ở Bedzin, Ba Lan, và đã vận hành từ năm 2009. Trái tim của nhà máy là một lò hơi CFB siêu tới hạn với nhiều tính năng độc đáo đầu tiên của một loại hình thiết kế với hiệu suất nhà máy rất ấn tượng 43.3% (LHV) khi sử dụng than bitum. Có lẽ điều quan trọng nhất là nhà máy đã đạt yêu cầu phát thải tại đầu ra ống khói mà không cần sử dụng các hệ thống FGD và SCR từ đó đã tiết kiệm cho nhà máy Tauron 100 triệu USD chi phí lắp đặt và hàng triệu USD chi phí vận hành và bảo dưỡng.
 

Hình 5: Nhà máy Lagisza 460 MWe đặt tại Bedzin, Ba Lan được đưa vào vận hành năm 2009. Nguồn Sumitomo SHI FW.

Trung tâm năng lượng CLECO’s Brame đặt tại Boyce, Lousiana là một điểm đáng chú ý về khả năng sử dụng nhiên liệu trong một giải rộng (Hình 6). Nhà máy bao gồm một cặp lò hơi CFB cung cấp hơi cho một tua bin 660 MWe. Nhà máy được thiết kế để có thể đốt nhiều loại nhiên liệu bao gồm 100% nhựa đường, 100% than số 6 Illinois, 100% than á bitum của bể than Powder River, và có thể đốt hỗn hợp lên đến 92% than non, hoặc đốt hỗn hợp lên đến 5% bùn giấy, hoặc chất thải gỗ. Nhà máy được đưa vào vận hành thương mại tháng 2 năm 2010.

Hình 6: Trung tâm năng lượng CLECO’s Brame 660 MWe đặt tại Boyce, Louisiana, lò hơi CFB lớn nhất Bắc Mỹ sử dụng nhiều loại nhiên liệu và phối trộn với nhau để có giá thành tốt nhất. Nguồn Sumitomo FW.

Nhà máy DGF Suez đặt tại Polaniec, Ba Lan là nhà máy sử dụng lò hơi CFB đốt nhiên liệu sinh khối lớn nhất trên thế giới (Hình 7). Nhà máy 205 MWe sử dụng nhiên liệu hỗn hợp bao gồm gỗ và các chất thải nông nghiệp sau thu hoạch và các thành phần hỗn hợp khác với hiệu suất toàn nhà máy đạt 36.5% (LHV)

Hình 7: Nhà máy DFG Suez Energia Polska Polaniec được đưa vào vận hành
thương mại năm 2012.

Có lẽ ví dụ ấn tượng nhất là nhà máy Samcheok Green Power 2200 MWe công nghệ lò hơi CFB tại Samcheok, Hàn Quốc (Hình 8). Nhà máy Samcheok có 4 lò hơi CFB - 550 MWe với thông số hơi trên siêu tới hạn (257 barg, 603/603^oC). Nhà máy sẽ đạt yêu cầu cao hơn về phát thải mà không sử dụng FGD, tiết kiệm cho Công ty Điện lực miền Nam Hàn Quốc (KOSPO) hơn 250 triệu USD chi phí xây dựng. Nhà máy được thiết kế để sử dụng với giải rộng nhiên liệu nhập khẩu bao gồm than á bitum độ ẩm cao (20 - 42%). Lò hơi CFB cũng có thể đốt kèm than nội địa và 5% nhiên liệu sinh khối. Nhà máy được thiết kế để vận hành với 42.4% hiệu suất toàn nhà máy và vận hành năm 2017. Đây là nhà máy công nghệ CFB tiên tiến nhất trên thế giới.

Hình 8: Nhà máy Samcheok có 4 lò hơi CFB - 550 MWe với thông số hơi
trên siêu tới hạn (257 barg, 603/603oC).

(Đón đọc kỳ tới...)

TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM