Tổng quan nghiên cứu

Trong cơ cấu nguồn điện quốc gia, nhiệt điện than đóng vai trò trụ cột khi cung cấp khoảng 48% đến 52% tổng sản lượng điện toàn hệ thống, đảm bảo an ninh năng lượng phục vụ công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước. Nhà máy Nhiệt điện Đông Triều - TKV được đầu tư xây dựng với tổng số vốn khoảng 9.315 tỷ đồng (tương đương 577 triệu USD), sở hữu quy mô công suất 440 MW gồm hai tổ máy, cung ứng khoảng 2,86 tỷ kWh điện thương phẩm mỗi năm vào lưới điện quốc gia. Nhà máy được xây dựng trên diện tích 72 ha, trải dài trên địa bàn ba xã Bình Khê, Xuân Sơn và Tràng An thuộc thị xã Đông Triều, tỉnh Quảng Ninh. Với mục tiêu tận dụng nguồn than cám nhiệt lượng thấp từ các mỏ than địa phương như Mạo Khê, Khe Chuối, Hồng Thái và Tràng Bạch, nhà máy tiêu thụ trung bình khoảng 135.000 tấn than mỗi tháng, tương đương 1,62 triệu tấn than mỗi năm.

Tuy nhiên, quá trình vận hành quy mô lớn này tạo ra áp lực phát thải đáng kể với hàng triệu tấn khí thải lò hơi, nước thải công nghiệp và hơn 480.000 tấn tro xỉ phát sinh hàng năm. Xuất phát từ yêu cầu cấp thiết về kiểm soát ô nhiễm công nghiệp, luận văn của tác giả Hoàng Thị Bích Hồng thuộc chuyên ngành Khoa học Môi trường đã tiến hành đánh giá toàn diện hiện trạng chất lượng môi trường không khí, môi trường nước, đất và công tác quản lý môi trường tại nhà máy trong giai đoạn từ năm 2012 đến tháng 3 năm 2017. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn sâu sắc khi cung cấp cơ sở khoa học xác thực nhằm tối ưu hóa công nghệ buồng đốt tầng sôi tuần hoàn, kiểm soát các chỉ số phát thải vượt chuẩn và xác lập các giải pháp sản xuất sạch hơn, hướng tới mô hình phát triển năng lượng bền vững cho ngành than và nhiệt điện Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên cơ sở lý thuyết nhiệt động lực học kỹ thuật và chu trình sinh hơi Rankine quá nhiệt trung gian, kết hợp chặt chẽ với nguyên lý vận hành của công nghệ lò hơi tầng sôi tuần hoàn (Circulating Fluidized Bed - CFB) do hãng Foster Wheeler cung cấp. Công nghệ CFB cho phép đốt cháy kiệt than cám nhiệt lượng thấp ở dải nhiệt độ tối ưu từ 800 đến 900 độ C, thấp hơn nhiều so với buồng đốt than phun truyền thống (1.200 đến 1.400 độ C). Nhờ dải nhiệt độ này kết hợp bổ sung bột đá vôi trực tiếp vào buồng đốt, phản ứng khử lưu huỳnh diễn ra tức thời trong buồng lửa giúp loại bỏ hơn 90% lượng khí SO2 và ức chế quá trình hình thành các oxit nitơ (NOx) do nhiệt.

Song song đó, luận văn áp dụng lý thuyết thu giữ hạt bụi bằng hệ thống lọc bụi tĩnh điện (ESP) với hiệu suất thiết kế đạt trên 99,8%, cùng phương pháp xác định hệ số phát thải các chất ô nhiễm không khí theo hướng dẫn của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US EPA AP-42) đã được hiệu chỉnh cho điều kiện Việt Nam. Nghiên cứu cũng ứng dụng khung lý thuyết sản xuất sạch hơn (Cleaner Production - CP) của Chương trình Môi trường Liên Hợp Quốc (UNEP), tập trung vào các khái niệm cốt lõi: kiểm toán dòng vật chất và năng lượng, hệ số phát thải chất ô nhiễm không khí (Eij), tải lượng ô nhiễm nước thải (BOD, TSS, kim loại nặng), và tái chế chất thải rắn công nghiệp theo định hướng kinh tế tuần hoàn.

Phương pháp nghiên cứu

Để đảm bảo tính khách quan và đại diện, luận văn triển khai hệ thống phương pháp nghiên cứu đồng bộ:

Nguồn dữ liệu thứ cấp được thu thập từ hồ sơ thiết kế kỹ thuật, báo cáo sản xuất, và chuỗi số liệu quan trắc môi trường định kỳ của nhà máy phối hợp với Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ninh trong suốt giai đoạn 2012 đến tháng 3 năm 2017.

Phương pháp thu thập dữ liệu sơ cấp và khảo sát thực địa được thực hiện với cỡ mẫu gồm 9 vị trí quan trắc môi trường không khí lao động nội vi nhà máy (từ nhà điều hành, phân xưởng sản xuất, kho than, kho đá vôi đến khu vực bãi thải xỉ), 3 vị trí quan trắc không khí xung quanh khu dân cư (thôn Đông Sơn, xã Xuân Sơn và xã Bình Khê), cùng hệ thống các điểm lấy mẫu nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, nước mặt, nước ngầm và đất trên toàn bộ khuôn viên 72 ha. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích theo không gian trọng yếu được lựa chọn nhằm nhận diện chính xác các nguồn phát sinh ô nhiễm cục bộ tại các mắt xích công nghệ.

Phương pháp chuyên gia được thực hiện thông qua tham vấn ý kiến chuyên sâu của chuyên gia quản lý môi trường thuộc Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ninh và chuyên gia an toàn môi trường của nhà máy. Dữ liệu định lượng được tổng hợp, xử lý thống kê và đối chiếu với hệ thống quy chuẩn kỹ thuật quốc gia (QCVN 05:2013/BTNMT, QĐ 3733:2002/QĐ-BYT, quy chuẩn nước thải công nghiệp) bằng phần mềm Microsoft Excel 2007. Timeline nghiên cứu được thực hiện tập trung từ tháng 10 năm 2016 đến tháng 10 năm 2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả phân tích chuỗi dữ liệu thực nghiệm giai đoạn 2012 - 2017 và đợt quan trắc chi tiết tháng 3 năm 2017 chỉ ra 4 phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, đối với môi trường không khí nội vi, chỉ số tiếng ồn tại phân xưởng sản xuất (vị trí KV2) đạt 86,5 dBA, vượt 1,02 lần so với ngưỡng giới hạn cho phép theo Quyết định 3733:2002/QĐ-BYT (mức trần quy định là 85 dBA). Trong khi đó, các chỉ tiêu vi khí hậu và khí độc hại đều duy trì trong ngưỡng an toàn: nồng độ khí CO dao động từ 2,50 đến 6,12 µg/m3 (thấp hơn nhiều so với quy chuẩn 40 µg/m3), các nồng độ SO2 và NO2 đều nằm trong giới hạn cho phép.

Thứ hai, chất lượng môi trường không khí xung quanh tại các khu dân cư lân cận duy trì ở mức rất tốt. Nồng độ tổng bụi lơ lửng (TSP) tại các điểm dân cư dao động từ 80 đến 130 µg/m3, chỉ chiếm từ 26,7% đến 43,3% so với giới hạn trần 300 µg/m3 của QCVN 05:2013/BTNMT. Nồng độ SO2 đạt 54 đến 95 µg/m3 (so với giới hạn 350 µg/m3) và NO2 đạt 20 đến 40 µg/m3 (so với giới hạn 200 µg/m3), chứng minh phạm vi ảnh hưởng phát tán khí quyển ra khu dân cư là không đáng kể nhờ ống khói cao 150 mét.

Thứ ba, môi trường nước thải là khu vực ghi nhận nhiều thông số vượt chuẩn nhất. Nước thải sau xử lý có chỉ số nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) vượt 1,84 lần, tổng chất rắn lơ lửng (TSS) vượt 1,37 lần và hàm lượng kim loại Niken (Ni) vượt 1,16 lần so với quy chuẩn quốc gia về nước thải công nghiệp. Tổng lưu lượng nước thải sinh hoạt của 332 công nhân viên phát sinh khoảng 26,56 m3/ngày đêm, trong khi lượng nước thải vệ sinh thiết bị công nghiệp phát sinh từ 246 phương tiện đạt khoảng 73,8 m3/ngày.

Thứ tư, môi trường đất và quản lý chất thải rắn đạt kết quả rất khả quan. Với tỷ lệ tro trong than cám đạt khoảng 30,32%, nhà máy phát sinh lượng tro xỉ lớn nhưng toàn bộ 90% tro bay thu giữ qua hệ thống lọc bụi tĩnh điện và 10% xỉ đáy lò đều được vận chuyển bằng băng tải kín ra bãi thải xỉ hoặc tái sử dụng, không ghi nhận thông số ô nhiễm nào trong đất vượt ngưỡng quy chuẩn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng ô nhiễm tiếng ồn tại khu vực sản xuất bắt nguồn từ đặc tính vận hành cơ học của cụm tuabin ngưng hơi 32 cấp áp lực, máy nghiền than va đập và hệ thống quạt hút khói công suất lớn hoạt động liên tục ở cường độ cao. Đối với chất lượng nước thải, việc các chỉ số BOD và TSS vượt ngưỡng xuất phát từ hệ thống bể lắng và xử lý sinh học nước thải sinh hoạt chưa đạt hiệu suất tối ưu khi phụ tải tăng cao, cùng với đặc thù nước rửa thiết bị chứa nhiều cặn than mịn khó lắng tự nhiên.

Về mặt kiểm soát khí thải, công nghệ CFB đã chứng minh tính ưu việt vượt bậc khi hệ số phát thải SO2 thực tế đạt 9,8 kg/tấn sản phẩm và bụi TSP đạt 1,357 kg/tấn sản phẩm, thấp hơn rõ rệt so với các nhà máy nhiệt điện sử dụng công nghệ lò đốt than phun cũ như Nhiệt điện Uông Bí (phát thải bụi lên tới 4,06 g/kg than). Dữ liệu này có thể được trình bày trực quan thông qua biểu đồ cột thể hiện tương quan tiếng ồn tại 9 vị trí làm việc và bảng so sánh nồng độ phát thải thực tế với hệ số US EPA, khẳng định nhà máy đã làm chủ tốt công nghệ xử lý khí thải nhưng cần tập trung cải tạo hệ thống xử lý nước thải và giảm ồn cơ học.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả phân tích thực nghiệm, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý môi trường khả thi, có tính hành động cao:

Thứ nhất, lắp đặt hệ thống vỏ bọc cách âm và vật liệu tiêu âm công nghiệp cho buồng máy nghiền than, cụm van điều áp tuabin và quạt hút gió: Mục tiêu hạ mức ồn tại khu vực phân xưởng sản xuất xuống dưới 80 dBA (giảm ít nhất 6,5 dBA so với mức 86,5 dBA hiện tại), hoàn thành trong Quý II năm 2018 do Phòng Kỹ thuật và An toàn nhà máy chủ trì thực hiện.

Thứ hai, nâng cấp trạm xử lý nước thải tập trung bằng công nghệ keo tụ tạo bông kết hợp màng lọc sinh học hiếu khí: Mục tiêu kéo giảm nồng độ BOD xuống dưới 30 mg/l (giảm 45%) và TSS xuống dưới 50 mg/l (giảm 30%), xử lý triệt để hàm lượng Ni để 100% nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn xả thải công nghiệp, tiến độ triển khai trong 6 tháng (Quý III đến Quý IV năm 2018) do Ban Quản lý Dự án Môi trường đảm nhận.

Thứ ba, đẩy mạnh liên kết tuần hoàn tiêu thụ tro xỉ và thạch cao làm nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng theo Quyết định 1696/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ: Mục tiêu tiêu thụ và tái chế 80% đến 90% tổng lượng tro bay phát sinh (tương đương khoảng 400.000 tấn/năm) cung cấp cho các nhà máy sản xuất gạch không nung và xi măng, lộ trình thực hiện liên tục từ năm 2018 do Phòng Kinh doanh và Quản lý Bãi thải xỉ phụ trách.

Thứ tư, tự động hóa hệ thống quan trắc môi trường online (CEMS) và triển khai chương trình sản xuất sạch hơn: Lắp đặt cảm biến truyền dữ liệu tự động 24/7 đối với khí thải ống khói về Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ninh, đồng thời tối ưu hóa chế độ cháy buồng đốt CFB để tiết kiệm 1,5% đến 2% lượng than tiêu thụ, hoàn thành trong Quý I năm 2019 do Ban Giám đốc Nhà máy chỉ đạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là công trình nghiên cứu chuyên sâu, mang lại giá trị học thuật và thực tiễn thiết thực cho 4 nhóm đối tượng:

Cán bộ quản lý, kỹ sư vận hành tại các nhà máy nhiệt điện than: Nắm bắt phương pháp kiểm soát công nghệ buồng đốt tầng sôi tuần hoàn CFB, kỹ thuật vận hành hệ thống lọc bụi tĩnh điện ESP đạt hiệu suất trên 99,8% và quy trình xử lý nước thải đặc thù ngành nhiệt điện.

Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và môi trường (Sở Tài nguyên và Môi trường Quảng Ninh, Cục Kiểm soát ô nhiễm môi trường, EVN, TKV): Sử dụng làm tài liệu thực chứng trong công tác thẩm định báo cáo đánh giá tác động môi trường, xây dựng định mức xả thải và ban hành các chính sách thanh kiểm tra môi trường ngành công nghiệp năng lượng.

Học viên cao học, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Năng lượng: Tham khảo khung phương pháp luận đánh giá tác động môi trường, phương pháp xác định hệ số phát thải chất ô nhiễm Eij và mô hình ứng dụng sản xuất sạch hơn trong công nghiệp nặng.

Các doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng và cấu kiện bê tông: Khai thác số liệu về tính chất cơ lý, hóa học của tro xỉ CFB để phát triển các dự án sản xuất gạch không nung, bê tông nhẹ và phụ gia đắp nền đường giao thông.

Câu hỏi thường gặp

Công nghệ buồng đốt tầng sôi tuần hoàn CFB có ưu điểm môi trường vượt trội gì so với công nghệ đốt than phun truyền thống? Công nghệ CFB cho phép đốt than ở nhiệt độ thấp (800 đến 900 độ C), giúp hòa trộn trực tiếp bột đá vôi để khử trên 90% lượng khí SO2 ngay trong buồng lửa và giảm thiểu tối đa sự tạo thành khí NOx. Ngoài ra, CFB đốt cháy kiệt than cám nhiệt lượng thấp, tạo ra nguồn tro xỉ sạch có giá trị tái chế cao làm vật liệu xây dựng.

Vì sao nồng độ tiếng ồn tại phân xưởng sản xuất của nhà máy lại vượt ngưỡng quy chuẩn của Bộ Y tế? Kết quả quan trắc tại phân xưởng (KV2) ghi nhận mức ồn 86,5 dBA, vượt 1,02 lần so với mức 85 dBA theo Quyết định 3733:2002/QĐ-BYT. Nguyên nhân chủ yếu do chuyển động cơ học tốc độ cao của cụm tuabin 32 cấp áp lực, máy nghiền than và hệ thống quạt khói vận hành liên tục chưa có hệ thống bọc cách âm tiêu chuẩn.

Chất lượng nước thải của nhà máy đang gặp phải những vấn đề ô nhiễm cụ thể nào? Nước thải sau xử lý có 3 chỉ số vượt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia: BOD vượt 1,84 lần, TSS vượt 1,37 lần và Niken vượt 1,16 lần. Vấn đề này xuất phát từ tải lượng chất rắn lơ lửng cao trong 73,8 m3/ngày nước rửa phương tiện thiết bị và hệ thống xử lý sinh học nước thải sinh hoạt (26,56 m3/ngày của 332 công nhân) chưa đạt hiệu suất tối đa.

Khối lượng tro xỉ phát sinh từ 1,62 triệu tấn than tiêu thụ mỗi năm được kiểm soát như thế nào? Với hàm lượng tro trong than đạt 30,32%, nhà máy phát sinh khoảng 480.000 tấn tro xỉ mỗi năm (gồm 90% tro bay và 10% xỉ đáy lò). Lượng tro bay được thu gom bằng hệ thống lọc bụi tĩnh điện hiệu suất trên 99,8% và vận chuyển bằng đường ống kín ra bãi thải xỉ 72 ha, kết hợp liên kết tiêu thụ sản xuất gạch không nung.

Hoạt động phát thải của nhà máy có gây suy giảm chất lượng không khí tại các khu dân cư lân cận không? Số liệu quan trắc tại thôn Đông Sơn, xã Xuân Sơn và xã Bình Khê cho thấy môi trường không khí xung quanh rất an toàn. Nồng độ bụi lơ lửng TSP (80 đến 130 µg/m3) và SO2 (54 đến 95 µg/m3) đều thấp hơn từ 2,5 đến 6 lần so với giới hạn quy định tại QCVN 05:2013/BTNMT nhờ ống khói cao 150 mét phát tán hiệu quả.

Kết luận

Công trình nghiên cứu đã mang lại 5 đóng góp học thuật và thực tiễn quan trọng:

  • Đánh giá toàn diện hiện trạng chất lượng môi trường không khí, nước, đất của Nhà máy Nhiệt điện Đông Triều - TKV công suất 440 MW trong chuỗi thời gian 5 năm (2012 - 2017).
  • Khẳng định hiệu quả bảo vệ môi trường vượt trội của công nghệ buồng đốt tầng sôi tuần hoàn CFB và hệ thống lọc bụi tĩnh điện ESP đạt hiệu suất trên 99,8%.
  • Nhận diện chính xác 2 điểm nghẽn môi trường trọng yếu: mức ồn phân xưởng sản xuất đạt 86,5 dBA (vượt 1,02 lần) và 3 thông số nước thải vượt quy chuẩn (BOD vượt 1,84 lần, TSS vượt 1,37 lần, Ni vượt 1,16 lần).
  • Xây dựng hệ thống 4 giải pháp khả thi với mục tiêu hạ mức ồn xuống dưới 80 dBA, xử lý 100% nước thải đạt chuẩn và tái chế 80% đến 90% tro xỉ (khoảng 400.000 tấn/năm).
  • Thiết lập lộ trình ứng dụng sản xuất sạch hơn, hướng đến tiết kiệm than và tự động hóa truyền dữ liệu quan trắc môi trường liên tục 24/7.

Lộ trình tiếp theo trong giai đoạn 2018 - 2020 đặt trọng tâm vào việc hoàn thiện nâng cấp trạm xử lý nước thải và ký kết hợp đồng tiêu thụ tro xỉ dài hạn với các đơn vị sản xuất vật liệu. Các đơn vị quản lý vận hành nhiệt điện và cơ quan hoạch định chính sách cần chủ động tham khảo, ứng dụng kết quả nghiên cứu của luận văn nhằm hiện thực hóa mục tiêu chuyển dịch năng lượng sạch và phát triển công nghiệp bền vững.