CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC VỀ NHIỆT ĐIỆN THAN 1.1 Năng lượng bền vững: Theo Luật Bảo vệ môi trường năm 2014 của Chính phủ định nghĩa: Phát triển bền vững là phát triển đáp ứng được nhu cầu của hiện tại mà không làm tổn hại đến khả năng đáp ứng nhu cầu đó của các thế hệ tương lai trên cơ sở kết hợp chặt chẽ, hài hòa giữa tăng trưởng kinh tế, bảo đảm tiến bộ xã hội và bảo vệ môi trường. Theo đó, năng lượng bền vững có thể được hiểu là năng lượng khi ta khai thác đáp ứng được nhu cầu của hiện tại mà không làm tổn hại đến khả năng đáp ứng nhu cầu của thế hệ tương lai trên cơ sở kết hợp chặt chẽ, hài hòa giữa tăng trưởng kinh tế, bảo đảm tiến bộ xã hội và bảo vệ môi trường.2 Sử dụng năng lượng bền vững Theo Khoản 40, Điều 3, Thông tư số 25/2016/TT-BCT ngày 30/11/2016 của Bộ Công thương về quy định hệ thống điện truyền tải: “Nhà máy nhiệt điện là nhà máy điện hoạt động theo nguyên lý biến đổi nhiệt năng thành điện năng, bao gồm cả các nhà máy điện sinh khối, khí sinh học và nhà máy điện sử dụng chất thải rắn”. Nguyên lý hoạt động của NMNĐT đó là: dùng than để đun nóng nước tạo ra hơi nước và sau đó được sử dụng để chạy tua bin (tua bin được nối với máy phát điện), chuyển động quay của tuabin dẫn đến chuyển động quay của máy phát điện và tạo ra điện. Sau khi hơi nước đi qua tuabin sẽ được ngưng tụ trong bình ngưng, hóa lỏng và đưa trở lại bể chứa.1: Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện than (Tạp chí công nghiệp môi trường, 2020) Một nhà máy nhiệt điện than gồm có hai cụm thiết bị chính là cụm lò hơi để tạo ra hơi nước và cụm tua bin– máy phát để biến đổi nhiệt năng của dòng hơi thành điện năng.
Ngoài ra còn có thêm lò hơi phụ trợ phục vụ cho khởi động nhà máy, hệ thống nước làm mát, hệ thống chuẩn bị nhiên liệu (kho than, băng chuyền, máy nghiền than), hệ thống sản xuất khí nén, hệ thống thu hồi tro bay, gom xỉ đáy lò, lọc bụi và xử lý khói thải, … Xét về mặt công nghệ, Việt Nam hiện chủ yếu sử dụng hai loại công nghệ lò hơi: công nghệ lò hơi đốt than bột (PC) và công nghệ lò hơi lớp sôi tuần hoàn (CFB): Lò PC dùng than có chất lượng tốt hơn lò CFB, nếu dùng than nhập khẩu (bitum và á bitum) thì hiệu suất sẽ cao hơn, phù hợp với tổ máy có công suất lớn (Tạp chí Năng lượng nhiệt, 2013). Lò CFB có thể đốt được nhiều loại nhiên liệu (riêng biệt hoặc hỗn hợp), rất phù hợp với các loại than khó cháy, hàm lượng lưu huỳnh cao, nhiệt lượng thấp, có thể đốt được hỗn hợp than nhiệt lượng 2000kcal/kg; hiệu suất cháy cao do đặc điểm nhiên liệu trong lò hơi được tái tuần hoàn cho đến khi nhiên 7 liệu được cháy kiệt mới thải ra khỏi buồng đốt; có thể khống chế chỉ tiêu phát thải CO₂, SO₂, NOx,… ngay trong quá trình đốt đảm bảo đáp ứng tiêu chuẩn môi trường hiện hành, mà không phải lắp thêm các bộ khử SO₂, NOx rất tốn kém; lò hơi sử dụng công nghệ này vẫn làm việc ổn định ngay cả khi khí phụ tải lò hơi xuống còn 40% (cá biệt có khi còn 25% - 30%) mà không phải đốt kèm dầu. Tuy nhiên chỉ phù hợp với tổ máy có công suất 300MW trở xuống. Nhiên liệu của NMNĐT (than trong nước hoặc than nhập khẩu) được vận chuyển đến cảng than và lưu trữ trong kho chứa.Sau đó được làm sạch bằng một máy lọc từ tính để lọc ra các chất cặn, hạt sắt vì nó có thể gây ra hao mòn trong thiết bị.
Than được nghiền nhỏ và sau đó được đưa vào máy nghiền để tạo dạng bột. Than bột thô trải qua quá trình đốt hoàn toàn, do đó than nghiền cải thiện hiệu quả của nồi hơi. Tro tạo ra sau khi đốt sẽ đi qua hệ thống ống dẫn đến hai si lô sau đó được đưa vào xe tải có tưới nước lên trên để giảm bụi và vận chuyển đi nơi khác. Còn xỉ tại đáy lò sẽ được thu gom và vận chuyển ra bãi chứa xỉ (có che lưới và tưới nước lên trên để giảm bụi phát tán ra môi trường).
* Công nghệ lò hơi sử dụng cho các nhà máy nhiệt điện than: Hiệu suất trung bình toàn cầu của các NMNĐT hiện đang hoạt động là khoảng 33%, thấp hơn nhiều so với các nhà máy điện phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch khác và thấp hơn đáng kể so với hiệu suất 45% có thể với đốt than siêu tới hạn hiện đại. Trong suốt vòng đời hoạt động của một đơn vị sản xuất điện đốt than điển hình, mỗi điểm phần trăm tăng hiệu quả sẽ giúp giảm lượng khí thải CO2 lên tới hàng triệu tấn. Nếu các đơn vị đốt than hiện đang hoạt động trên khắp thế giới có thể được nâng cấp để hoạt động với hiệu suất trung bình 42%, lượng khí thải CO2 hàng năm sẽ giảm hơn 2 tỷ tấn. Ngoài ra, đối với mỗi đơn vị điện được tạo ra, các nhà máy đốt than hiệu quả cao sẽ tiêu thụ ít nhiên liệu hơn, thải ra ít chất gây ô nhiễm cục bộ hơn và sử dụng ít nước hơn.
(IEA, 2014) 8 Hiện nay, trên thế giới có các loại công nghệ lò hơi có thông số hơi như sau: - Công nghệ dưới tới hạn (subcritical – Sub SC) còn gọi là công nghệ truyền thống, với hiệu suất trung bình 38%. - Công nghệ siêu tới hạn (super critical – SC) với hiệu suất trung bình 42%, lò hơi sử dụng công nghệ SC có lượng khí phát thải thấp hơn, tiêu thụ nhiên liệu ít hơn và khởi động nhanh hơn lò hơi sử dụng công nghệ Sub SC. Một ví dụ điển hình của loại công nghệ này là nhà máy nhiệt điện Manjung 4 (tại Malaysia) được xây dựng trong 4 năm và bắt đầu đi vào vận hành thương mại từ ngày 14/4/2015. Sử dụng công nghệ lò hơi đốt than siêu tới hạn của Tập đoàn GE (General Electric) là một Tập đoàn đa quốc gia tại Mỹ hoạt động trong lĩnh vực năng lượng).
Nhà máy Manjung 4 có thể sản xuất điện năng với lượng phát thải thấp hơn đến 10% so với các lượng phát thải trung bình từ các NMNĐT trên toàn thế giới. Trong khi đó, mỗi phần trăm hiệu suất tăng lên cũng đồng nghĩa với việc giảm 2% lượng khí thải CO2 cũng như giảm chi phí vận hành và duy trì nhà máy. Nhà máy điện Manjung 4 sở hữu công nghệ kiểm soát môi trường cực kỳ tinh vi, giúp giảm thiểu đến 70% lượng khí thải SO₂ và NOx so với các nhà máy Manjung khác. Hệ thống khử lưu huỳnh trong khí thải từ nước biển (FGD) có thể giúp giảm đến 90% lượng khí SO₂, đồng thời giữ lượng phát thải khí SO₂ của Manjung 4 ở mức 200mg/Nm³, thấp hơn rất nhiều so với tiêu chuẩn của World Bank là 750 mg/Nm³.2: Nhà máy điện Manjung 4 (Tạp chí Năng lượng Việt Nam, số ra ngày 27/4/2017) 9 - Công nghệ quá siêu tới hạn (ultra super critical – USC (HELE)) hiệu suất lên tới 44 – 47%.
- Công nghệ quá siêu tới hạn tiên tiến (advanced ultra super critical – AUSC) là loại công nghệ hiện đại nhất đang được nghiên cứu phát triển, có hiệu suất lên tới 50%. Chi phí trả trước cho tổ máy công nghệ siêu tới hạn (SC) và quá siêu tới hạn (USC) đắt hơn chi phí tổ máy dưới tới hạn (subcritical). Tuy nhiên, hiệu suất lớn hơn sẽ làm giảm chi phí nhiên liệu và giảm phát thải.Vì vậy, xét về tổng thể, các tổ máy NĐT công nghệ SC và USC sẽ mang lại hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường cao hơn nhiều so với công nghệ dưới tới hạn.2 Cơ sở thực tiễn 1.1 Hiện trạng hoạt động nhiệt điện than trên Thế giới: - Tại Hoa Kỳ: Năm 2019, khoảng 539 triệu tấn than đã được tiêu thụ. Mặc dù việc sử dụng than đã từng phổ biến trong các lĩnh vực công nghiệp, giao thông, dân dụng và thương mại, nhưng ngày nay việc sử dụng than ở Hoa Kỳ chủ yếu là để sản xuất điện (Hình 1.3: Tiêu thụ than ở Hoa Kỳ theo từng lĩnh vực từ năm 1950-2019 (IEA, 2020) 10 Riêng tại bang Texas: Tiêu thụ năng lượng từ than đá đứng thứ 5 sau khí ga tự nhiên, khí thiên nhiên hóa lỏng, ethanol, xăng (Hình 1.4: Ước tính tiêu thụ năng lượng ở bang Texas (Hoa Kỳ) vào năm 2018 Texas là bang sản xuất dầu thô (crude oil) và khí đốt tự nhiên (natural gas) hàng đầu của Hoa Kỳ.
Năm 2019, bang này chiếm 41% sản lượng dầu thô của quốc gia và 25% sản lượng khí đốt tự nhiên được bán trên thị trường (Hình 1.5: Ước tính sản lượng năng lượng của Bang Texas năm 2017 11 Hình 1.6: Ước tính sản lượng năng lượng của Bang Texas năm 2018 Texas dẫn đầu quốc gia về sản xuất năng lượng gió và sản xuất khoảng 28% tổng lượng điện năng từ gió của Hoa Kỳ vào năm 2019. Các tuabin gió của Texas đã sản xuất nhiều điện hơn cả hai nhà máy điện hạt nhân của bang kể từ năm 2014. Texas sản xuất nhiều điện hơn bất kỳ bang nào khác, gần như gấp đôi Florida, bang sản xuất điện cao thứ hai, đồng thời cũng là bang sản xuất và tiêu thụ năng lượng lớn nhất trên toàn quốc. Khu vực công nghiệp, bao gồm các nhà máy lọc dầu và hóa dầu, chiếm một nửa năng lượng tiêu thụ trong bang.
(IEA, 2020) Có thể thấy, dù có giảm tiêu thụ than, thì nền kinh tế của Hoa Kỳ vẫn khó có thể bị ảnh hưởng vì nước này chủ yếu sử dụng khí ga tự nhiên, khí thiên nhiên hóa lỏng, xăng, dầu, và đặc biệt gần đây đã phát triển thành công công nghệ khai thác dầu đá phiến (shale oil) ít gây ô nhiễm môi trường. 12 - Thế giới: Sau hai năm suy giảm, nhu cầu than toàn cầu đã tăng 1% trong năm 2017 lên 7.585 triệu tấn do tăng trưởng kinh tế toàn cầu mạnh mẽ hơn làm tăng cả sản lượng công nghiệp và sử dụng điện. Nhu cầu than dự kiến sẽ tăng trở lại trong năm 2018 do sản lượng điện than tăng mạnh ở Trung Quốc và Ấn Độ (Hình 1.7: Thay đổi trong tiêu thụ than ở một số quốc gia, 2016-2017 (IEA, 2018) Nhu cầu than toàn cầu trong 5 năm tới được cho là sẽ ổn định, với sự sụt giảm ở Hoa Kỳ và Châu Âu, còn ở Ấn Độ và các nước Châu Á khác lại tăng trưởng mạnh.