Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu tiêu thụ năng lượng phục vụ phát triển kinh tế xã hội tại Việt Nam đang gia tăng nhanh chóng, với mục tiêu sản lượng điện thương phẩm đạt 235 tỷ kWh vào năm 2020 và hướng tới 2.030 tỷ kWh vào năm 2030 theo Quy hoạch điện VII điều chỉnh. Trong bối cảnh cả nước có 26 nhà máy nhiệt điện than đang vận hành với tổng công suất 13.810 MW, tiêu thụ khoảng 47,8 triệu tấn than mỗi năm, lượng tro xỉ phát sinh ước tính đã vượt mức 15 triệu tấn/năm và dự kiến chạm mốc 60 triệu tấn/năm khi công suất toàn ngành nâng lên 50.000 MW.

Nhà máy Nhiệt điện Quảng Ninh đặt tại phường Hà Khánh, thành phố Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh, sở hữu tổng công suất thiết kế 1.200 MW gồm 4 tổ máy (300 MW/tổ máy), vận hành thương mại từ năm 2011. Do sử dụng nguồn nhiên liệu than antraxit nội địa có độ tro cao xấp xỉ 29,74% và nhiệt trị thấp khoảng 4.830 kcal/kg, nhà máy tiêu thụ gần 3,6 triệu tấn than/năm, tương ứng phát thải khoảng 40 tấn tro xỉ khô/giờ cho mỗi tổ máy. Thực trạng này khiến bãi chứa tro xỉ rộng 160 ha đứng trước áp lực quá tải nghiêm trọng, đồng thời nồng độ bụi và khí NOx trong khí thải lò hơi gặp nhiều thách thức trong việc đáp ứng quy chuẩn QCVN 22:2009/BTNMT thay vì tiêu chuẩn cũ TCVN 5939-1995.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là đánh giá toàn diện công nghệ sản xuất điện theo chu trình Rankine than phun, phân tích thực trạng phát sinh, hệ thống thu gom và đặc tính hóa lý của tro bay tại Nhà máy Nhiệt điện Quảng Ninh giai đoạn 2017 - 2019. Từ đó, luận văn đề xuất các giải pháp kỹ thuật đồng bộ nhằm nâng cao hiệu suất thu hồi tro bay của hệ thống lọc bụi tĩnh điện đạt trên 99,5%, đồng thời mở rộng các hướng tái sử dụng tro bay làm nguyên liệu sản xuất xi măng pozzolan, gạch không nung và vật liệu hấp phụ môi trường. Nghiên cứu mang lại ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp giảm thiểu chi phí xử lý chất thải rắn hàng năm, ngăn ngừa nguy cơ ô nhiễm nguồn nước sông Diễn Vọng và vịnh Cửa Lục, đóng góp thiết thực vào chiến lược phát triển kinh tế tuần hoàn của ngành năng lượng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên ba trụ cột lý thuyết chuyên ngành nhiệt điện và kỹ thuật môi trường:

  • Chu trình nhiệt động lực học Rankine đốt than phun (Pulverized Coal Combustion): Phân tích quá trình chuyển hóa hóa năng của than antraxit thành nhiệt năng trong buồng lửa lò hơi ở nhiệt độ 1.200 - 1.400 °C, biến đổi nước khử khoáng thành hơi quá nhiệt áp suất cao để dẫn động tuabin máy phát điện công suất 300 MW, sau đó ngưng tụ tuần hoàn khép kín nhờ lưu lượng nước làm mát 48 m3/s lấy từ sông Diễn Vọng.
  • Lý thuyết trường điện từ và cơ chế lắng bụi tĩnh điện (Electrostatic Precipitator - ESP): Giải thích quá trình ion hóa pha khí dưới điện trường một chiều cao áp từ 50 kV đến 100 kV tạo ra giữa các điện cực phóng và bản cực lắng. Các hạt tro bay lơ lửng trong dòng khói mang điện tích âm sẽ dịch chuyển về bản cực lắng dương dưới tác dụng của lực Coulomb và được búa gõ cơ khí định kỳ thu gom vào phễu chứa với hiệu suất phân tách lý thuyết từ 98,5% đến 99,5%.
  • Lý thuyết hoạt tính Pozzolanic và phân loại khoáng ASTM C618: Định lượng phản ứng giữa các thành phần vô định hình giàu silica và alumina trong tro bay với canxi hydroxit Ca(OH)2 sinh ra từ quá trình thủy hóa xi măng Portland, hình thành cấu trúc tinh thể Calcium Silicate Hydrate (C-S-H) giúp gia tăng cường độ cơ học và độ bền hóa học của vật liệu xây dựng.

Các khái niệm trọng tâm bao gồm: Tro bay loại F (tổng hàm lượng SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 lớn hơn 70%, hàm lượng CaO dưới 10%), hệ thống khử lưu huỳnh bằng thạch cao ướt (FGD), tỷ lệ mất khi nung (MKN hay Loss on Ignition - LOI), và công nghệ khử oxit nitơ chọn lọc có xúc tác (SCR).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng hệ thống dữ liệu sơ cấp và thứ cấp thu thập trong giai đoạn từ tháng 8/2017 đến tháng 5/2019:

  • Kế thừa và hồi cứu số liệu: Tổng hợp báo cáo vận hành kỹ thuật 5 năm (2014 - 2018) của Công ty Cổ phần Nhiệt điện Quảng Ninh, hồ sơ quan trắc khí thải online 4 tổ máy, dữ liệu thủy văn trạm Dương Huy (1961 - 1974) và các tiêu chuẩn kiểm soát khí thải công nghiệp.
  • Cỡ mẫu và phương pháp lấy mẫu: Tiến hành lấy 04 mẫu nước thải sản xuất và 02 mẫu tro bay tại các silo chứa trung gian của nhà máy trong hai đợt khảo sát thực địa vào ngày 10/8/2017 và ngày 18/11/2018. Phương pháp chọn mẫu tuân thủ quy trình lấy mẫu composite ngẫu nhiên đa điểm nhằm đảm bảo tính đại diện tuyệt đối cho thành phần nguyên liệu than đốt và điều kiện vận hành lò hơi ở công suất định mức 300 MW.
  • Phương pháp phân tích phòng thí nghiệm và lý do lựa chọn:
    • Phân tích nước thải: Đo pH theo TCVN 6492:2011, nhiệt độ theo SMEWW 2550B:2012, COD theo SMEWW 5220C:2012, BOD5 theo TCVN 6001-1:2008, amoni (NH4+) theo TCVN 6179-1:1996, và hàm lượng kim loại nặng (Cu, Pb) theo TCVN 6193:1996. Các phương pháp chuẩn này cho phép so sánh trực tiếp với giới hạn cho phép của QCVN 40:2011/BTNMT (cột B).
    • Phân tích tro bay: Xác định xianua bằng EPA 9013A/9014, độc tính chiết ngâm kim loại nặng (TCLP) theo EPA 1311:2007, phá mẫu bằng lò vi sóng theo EPA 3051B và định lượng đa nguyên tố (As, Cd, Pb, Hg, Cr(VI), Co, Ni) trên thiết bị khối phổ plasma cảm ứng vi sóng ICP-MS theo SMEWW 3125:2012. Việc lựa chọn các phương pháp theo tiêu chuẩn EPA Hoa Kỳ là căn cứ khoa học chuẩn xác để đánh giá mức độ an toàn môi trường theo QCVN 07:2009/BTNMT trước khi đưa tro bay vào chuỗi sản xuất vật liệu tái chế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát thực tế và phân tích thực nghiệm tại Nhà máy Nhiệt điện Quảng Ninh ghi nhận các kết quả nổi bật sau:

  • Đặc tính nhiên liệu than và phát sinh chất thải: Than antraxit vùng Hòn Gai - Cẩm Phả cấp cho nhà máy có nhiệt trị làm việc thấp đạt 4.830 kcal/kg, độ ẩm 9,0%, hàm lượng cacbon cố định 54,43%, chất bốc thấp 6,83% và độ tro rất cao đạt 29,74%. Than được nghiền mịn với tỷ lệ hạt lọt qua rây 200 Mesh đạt trên 90%. Ở chế độ vận hành định mức 300 MW, mỗi tổ máy tiêu thụ 127 tấn than khô/giờ và thải ra 40 tấn tro xỉ khô/giờ (tương đương 160 tấn/giờ cho toàn nhà máy). Lượng dầu FO số 5 tiêu hao để khởi động và hỗ trợ duy trì phụ tải dưới 60% BMCR là 15.800 tấn/năm (khoảng 2,63 tấn/giờ).
  • Thành phần hóa học và phẩm cấp tro bay: Kết quả phân tích thành phần oxit cho thấy tro bay Nhiệt điện Quảng Ninh chứa SiO2 chiếm 54,27 - 57,02%, Al2O3 chiếm 23,82 - 25,02%, Fe2O3 chiếm 4,69 - 4,71%, K2O chiếm 6,56 - 6,76%, MgO chiếm 1,16 - 1,22% và CaO chỉ chiếm 0,81 - 0,91%. Tổng hàm lượng ba oxit chính (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) đạt từ 82,78% đến 86,75%, vượt xa ngưỡng quy định tối thiểu 70% của ASTM C618. Hàm lượng mất khi nung (MKN) đạt dưới 5,0%, độ mịn và hoạt tính pozzolanic sau 28 ngày đạt trên 75%, khẳng định tro bay của nhà máy thuộc loại Tro bay F (hàm lượng vôi thấp), đạt tiêu chuẩn chất lượng cao để làm phụ gia khoáng cho xi măng và bê tông.
  • Hiện trạng vận hành hệ thống thu gom và bãi xỉ: Hệ thống khử bụi tĩnh điện (ESP) đạt hiệu suất tách bụi 99,5%, thu gom tro khô bằng hệ thống hút chân không về 4 silo trung gian có dung tích 2.500 m3/silo (đủ sức chứa tro phát sinh trong 48 giờ vận hành cực đại). Tuy nhiên, phương pháp thải xỉ đáy lò và tro dư thừa hiện tại áp dụng công nghệ thủy lực với lưu lượng bơm hỗn hợp bùn đạt 872 m3/h ra bãi xỉ cách nhà máy 1,2 km. Lưu lượng nước cấp cho hệ thống thải xỉ là 1.343 m3/h lấy từ biển, lượng nước thẩm lậu và bốc hơi tại bãi xỉ chiếm 20% (khoảng 150 m3/h), lượng nước hồi lưu tái tuần hoàn đạt 596 m3/h.

Thảo luận kết quả

Dữ liệu nghiên cứu phản ánh mối tương quan chặt chẽ giữa đặc tính nhiên liệu đầu vào và công nghệ xử lý phát thải. So sánh với các nhà máy nhiệt điện lân cận tại miền Bắc, hàm lượng oxit hoạt tính (SiO2 + Al2O3) của tro bay Nhiệt điện Quảng Ninh tương đương với Nhiệt điện Phả Lại (SiO2 57,02%, Al2O3 23,82%) và vượt trội hơn đáng kể so với Nhiệt điện Ninh Bình (SiO2 37,41%, Al2O3 5,61%).

Thông qua các biểu đồ phân bố cỡ hạt và bảng tổng hợp cân bằng vật chất dòng thải, nghiên cứu chỉ ra rằng việc đốt than antraxit có chất bốc thấp đòi hỏi buồng lửa duy trì nhiệt độ cao, dẫn đến lượng than chưa cháy kiệt trong tro bay thấp (LOI < 5%). Đây là lợi thế cạnh tranh rất lớn giúp tro bay khô của nhà máy được thị trường vật liệu xây dựng tiêu thụ trực tiếp mà không cần đầu tư thêm dây chuyền tuyển nổi tách than tốn kém.

Tuy nhiên, sơ đồ công nghệ hiện tại cho thấy việc duy trì hệ thống thải xỉ ướt ra bãi chứa 160 ha tiềm ẩn rủi ro phát tán bụi vào mùa khô và rò rỉ nước ngấm chứa kim loại nặng ra lưu vực sông Diễn Vọng nếu màng chống thấm HDPE bị suy giảm chất lượng. Do đó, việc chuyển đổi triệt để từ thu gom ướt sang xuất tro bay khô trực tiếp qua silo trung gian là giải pháp mang tính then chốt.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm giải quyết triệt để các tồn tại kỹ thuật và tối ưu hóa hiệu quả kinh tế - môi trường, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp hành động cụ thể:

  • Tối ưu hóa vận hành hệ thống lọc bụi tĩnh điện (ESP): Tiến hành lắp đặt hệ thống tự động điều chỉnh điện áp xung và tối ưu hóa chu kỳ rung gõ búa điện cực tại các trường lọc bụi, nâng hiệu suất khử bụi đối với các hạt kích thước siêu nhỏ (dưới 1 µm) từ 99,0% lên 99,7%, đảm bảo nồng độ bụi khói thải luôn dưới 100 mg/Nm3. Giải pháp do Phòng Kỹ thuật An toàn - Môi trường chủ trì thực hiện với thời gian hoàn thành trong 6 tháng.
  • Đầu tư lắp đặt hệ thống khử NOx chọn lọc bằng xúc tác (SCR): Lắp đặt cụm thiết bị phản ứng SCR sử dụng khí NH3 làm chất khử tại vị trí trước bộ lọc bụi ESP ở dải nhiệt độ 300 - 400 °C, nhằm đạt hiệu suất khử NOx trên 85%, đưa nồng độ phát thải NOx về dưới 500 mg/Nm3 theo đúng QCVN 22:2009/BTNMT. Dự án do Ban Quản lý Đầu tư nhà máy triển khai trong giai đoạn 2020 - 2022.
  • Nâng cấp dây chuyền xuất tro bay khô và thương mại hóa sản phẩm: Lắp đặt bổ sung hệ thống bơm vận chuyển tro bay khí nén đậm đặc (tỷ lệ tro/khí 30:1) kết nối trực tiếp từ 4 silo 2.500 m3 tới các trạm nạp xe bồn kín tự động, phấn đấu tiêu thụ 80% - 85% tổng lượng tro bay phát sinh (khoảng 800.000 tấn/năm) làm nguyên liệu sản xuất xi măng hỗn hợp pozzolan (tỷ lệ trộn 10 - 20%) và sản xuất gạch không nung (chiếm tới 70% khối lượng phối liệu). Thời gian hoàn thiện hạ tầng nạp tro trong năm 2020 do Phòng Kế hoạch Vật tư điều hành.
  • Nghiên cứu ứng dụng tro bay biến tính vào lĩnh vực công nghệ cao: Phối hợp cùng các viện nghiên cứu tiến hành biến tính bề mặt tro bay bằng chất liên kết silan (VTMS/GPTMS) để chế tạo vật liệu composite trên nền polyme (PE, PP, EVA với tỷ lệ độn 10 - 20%), đồng thời tổng hợp vật liệu zeolit P1 từ tro bay xử lý kiềm NaOH 3,5 M để xử lý nước thải chứa kim loại nặng đạt hiệu suất hấp phụ từ 83,3% đến 93,75%. Lộ trình thử nghiệm thực hiện từ 2021 đến 2023.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Tài liệu luận văn cung cấp hệ số kỹ thuật chi tiết và cơ sở thực nghiệm chuyên sâu, phù hợp cho 4 nhóm đối tượng:

  • Ban lãnh đạo và kỹ sư vận hành tại các nhà máy nhiệt điện đốt than: Cung cấp tài liệu tham khảo thực tế để tối ưu hóa chu trình nhiệt Rankine, cải tiến chế độ rung gõ hệ thống ESP, cân bằng lưu lượng nước thải xỉ và thiết lập quy trình kiểm soát khí thải đạt chuẩn môi trường.
  • Doanh nghiệp sản xuất xi măng, bê tông đầm lăn và gạch không nung: Khai thác số liệu thành phần hóa học, độ mịn và hoạt tính pozzolanic của tro bay loại F để thiết kế cấp phối bê tông thương phẩm, tối ưu tỷ lệ thay thế xi măng pozzolan từ 15% đến 30%, giúp tiết giảm chi phí sản xuất nguyên vật liệu.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Hóa học: Sử dụng phương pháp luận quan trắc composite, quy trình phân tích độc tính kim loại nặng theo tiêu chuẩn EPA và mô hình biến tính tro bay thành zeolit hấp phụ phục vụ công tác giảng dạy và nghiên cứu mở rộng.
  • Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên, môi trường và quy hoạch xây dựng: Cung cấp cơ sở khoa học xác thực nhằm xây dựng định mức kỹ thuật, hoàn thiện chính sách thúc đẩy kinh tế tuần hoàn và ban hành quy chuẩn hướng dẫn tái sử dụng tro xỉ nhiệt điện làm vật liệu san lấp công trình giao thông.

Câu hỏi thường gặp

  • Tro bay của Nhà máy Nhiệt điện Quảng Ninh thuộc loại nào theo tiêu chuẩn quốc tế? Tro bay tại nhà máy thuộc nhóm Tro bay Class F theo tiêu chuẩn ASTM C618. Phân tích thực nghiệm cho thấy tổng hàm lượng ba oxit chính (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) đạt trên 85%, hàm lượng canxi oxit (CaO) thấp dưới 1% và tỷ lệ mất khi nung dưới 5%, tạo hoạt tính pozzolanic cao rất phù hợp cho sản xuất xi măng và bê tông chịu lực.

  • Vì sao than antraxit sử dụng tại nhà máy lại tạo ra lượng tro xỉ phát sinh lớn? Than antraxit vùng Hòn Gai - Cẩm Phả có đặc thù độ tro cao đạt 29,74% và nhiệt trị làm việc thấp khoảng 4.830 kcal/kg. Để duy trì công suất 1.200 MW, nhà máy phải đốt gần 550 tấn than mỗi giờ, dẫn đến lượng tro xỉ rắn phát sinh liên tục ở mức khoảng 40 tấn/giờ cho mỗi tổ máy.

  • Hệ thống lọc bụi tĩnh điện (ESP) của nhà máy vận hành với hiệu suất bao nhiêu? Hệ thống ESP sử dụng điện trường một chiều cao áp từ 50 đến 100 kV, cho phép thu giữ các hạt bụi mịn kích thước từ 0,005 µm với hiệu suất phân tách đạt 99,5%. Tro khô sau khi lắng trên bản cực được búa gõ đẩy xuống phễu và chuyển về hệ thống 4 silo trung gian dung tích 2.500 m3/silo.

  • Hướng ứng dụng tái chế tro bay nào mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất hiện nay? Sử dụng tro bay làm phụ gia khoáng pozzolan thay thế 15 - 30% xi măng trong sản xuất bê tông đầm lăn và phối trộn sản xuất gạch không nung (chiếm tới 70% nguyên liệu) mang lại hiệu quả cao nhất. Giải pháp này vừa giảm chi phí clinker vừa tạo vật liệu xây dựng có độ bền nén cao.

  • Luận văn đề xuất giải pháp công nghệ gì để giảm nồng độ khí NOx đạt quy chuẩn? Nghiên cứu đề xuất lắp đặt hệ thống khử chọn lọc có xúc tác (SCR) sử dụng khí amoniac (NH3) tại dải nhiệt độ 300 - 400 °C trước tháp lọc bụi ESP. Công nghệ này phân hủy chọn lọc các oxit nitơ thành N2 và hơi nước, mang lại hiệu suất xử lý đạt trên 85%, đáp ứng nghiêm ngặt QCVN 22:2009/BTNMT.

Kết luận

  • Đã phân tích toàn diện công nghệ sản xuất điện chu trình Rankine công suất 1.200 MW của Nhà máy Nhiệt điện Quảng Ninh, chỉ rõ nguyên nhân phát sinh 40 tấn tro xỉ/giờ/tổ máy là do sử dụng than antraxit có độ tro cao 29,74%.
  • Xác định tro bay của nhà máy đạt tiêu chuẩn Tro bay Class F theo ASTM C618 với hàm lượng oxit hoạt tính (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) vượt 85% và độ mất khi nung dưới 5%, sở hữu tiềm năng tái chế thương mại rất lớn.
  • Đánh giá hệ thống lọc bụi tĩnh điện ESP đạt hiệu suất 99,5%, kết nối 4 silo trung gian 2.500 m3, đồng thời chỉ ra hạn chế tiêu hao 150 m3 nước/giờ từ phương pháp vận chuyển thủy lực ra bãi xỉ 160 ha.
  • Đề xuất đồng bộ 4 giải pháp công nghệ khả thi: tối ưu hóa búa gõ ESP, lắp đặt hệ thống khử NOx SCR đạt chuẩn môi trường, mở rộng hệ thống xuất tro khô tự động đạt tỷ lệ tiêu thụ 85% và tổng hợp vật liệu composite, zeolit P1 xử lý môi trường.
  • Đóng góp luận cứ khoa học thực tiễn giúp nhà máy chuyển đổi từ mô hình xử lý chất thải bị động sang kinh tế tuần hoàn, gia tăng giá trị kinh tế hàng chục tỷ đồng mỗi năm.

Về lộ trình tiếp theo, nhà máy cần tập trung hoàn thành nâng cấp hạ tầng nạp tro bay khô trong năm 2020 và triển khai lắp đặt hệ thống khử khí NOx SCR giai đoạn 2021 - 2023. Các doanh nghiệp sản xuất vật liệu và cơ quan quản lý được khuyến khích liên kết khai thác nguồn dữ liệu thực nghiệm từ luận văn để thúc đẩy mạnh mẽ các dự án sản xuất vật liệu xây dựng xanh bền vững.