Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam đang chứng kiến sự tăng trưởng mạnh mẽ trong sản xuất điện năng từ nhiệt điện than, với tỷ trọng chiếm tới gần 50% tổng công suất phát điện vào năm 2020 và dự kiến tăng lên hơn 56% vào năm 2030. Theo quy hoạch điện VII điều chỉnh, công suất đặt các nhà máy nhiệt điện than dự kiến đạt khoảng 36.000 MW vào năm 2020 và 75.000 MW vào năm 2030, tương ứng với nhu cầu than lên tới khoảng 90-110 triệu tấn vào năm 2030. Tuy nhiên, nguồn than nội địa hạn chế buộc phải nhập khẩu than với tỷ lệ ngày càng tăng, từ khoảng 31% năm 2020 lên tới hơn 125% vào năm 2030.

Quá trình đốt than antraxit tại các nhà máy nhiệt điện tạo ra lượng lớn khí thải độc hại, trong đó khí NOx (gồm NO và NO2) là một trong những tác nhân gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Ước tính phát thải NOx hàng năm từ các nhà máy nhiệt điện than lên tới hơn 35.000 tấn, chưa kể các nguồn khác. Khí NOx không chỉ ảnh hưởng tiêu cực đến thực vật, làm giảm khả năng quang hợp, mà còn góp phần hình thành mưa axit, phá hủy công trình xây dựng và gây hại sức khỏe con người, đặc biệt là hệ hô hấp.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích cơ chế hình thành khí NOx trong lò hơi ngọn lửa hình chữ W tại nhà máy nhiệt điện Vũng Áng 1, đồng thời đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm giảm thiểu phát thải NOx, nâng cao hiệu quả cháy than antraxit Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình buồng đốt than phun, sử dụng phần mềm mô phỏng CFD để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố vận hành đến quá trình cháy và phát thải NOx trong giai đoạn từ 2017 đến 2018.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong bối cảnh các quy chuẩn môi trường ngày càng nghiêm ngặt, đòi hỏi các nhà máy nhiệt điện phải áp dụng công nghệ xử lý khí thải tiên tiến để đảm bảo phát thải NOx không vượt quá mức 700 mg/m³ theo QCVN 22:2009/BTNMT, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành năng lượng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về cơ chế hình thành và phân hủy khí NOx trong quá trình đốt cháy nhiên liệu than, bao gồm:

  • Cơ chế hình thành NOx nhiệt (thermal NOx): Phản ứng trực tiếp giữa nitơ và oxy trong không khí ở nhiệt độ cao, chủ yếu theo chuỗi phản ứng Zeldovich. NOx nhiệt chiếm khoảng 20% tổng lượng NOx hình thành, phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ buồng đốt.

  • Cơ chế hình thành NOx nhiên liệu (fuel NOx): Phát sinh từ nitơ có trong nhiên liệu than, qua quá trình nhiệt phân và oxy hóa các hợp chất nitơ hữu cơ như HCN và NH3. Đây là nguồn chính chiếm 60-80% tổng NOx trong lò hơi đốt than.

  • Cơ chế hình thành NOx tức thời (prompt NOx): Xảy ra trong vùng cháy giàu nhiên liệu, do phản ứng giữa các gốc hydrocarbon và nitơ phân tử, chiếm tỷ lệ nhỏ dưới 5%.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ số không khí thừa, chất bốc (volatile matter), tro xỉ, vùng hoàn nguyên (reducing zone), và các phương pháp đốt phân cấp nhiên liệu và không khí nhằm kiểm soát sự hình thành NOx.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp giữa phân tích lý thuyết và mô phỏng số bằng phần mềm CFD (Computational Fluid Dynamics) trên mô hình buồng đốt 3D của lò hơi ngọn lửa hình chữ W tại nhà máy nhiệt điện Vũng Áng 1.

  • Nguồn dữ liệu: Thông số nhiên liệu than antraxit vùng Hòn Gai, dữ liệu vận hành thực tế của nhà máy, các tiêu chuẩn môi trường Việt Nam (QCVN 22:2009/BTNMT), và tài liệu tham khảo quốc tế về cơ chế cháy và phát thải NOx.

  • Phương pháp phân tích: Mô phỏng quá trình cháy bột than và sự hình thành NOx trong buồng đốt sử dụng mô hình cháy hạt than, mô hình dòng chảy rối, mô hình bức xạ nhiệt và mô hình phản ứng hóa học NOx trên phần mềm ANSYS Fluent. Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm các điều kiện vận hành khác nhau với hệ số không khí thừa, tỷ lệ phân cấp nhiên liệu và không khí.

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 02/2017 đến tháng 11/2018, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, chạy mô phỏng, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Phương pháp này cho phép đánh giá chi tiết ảnh hưởng của các yếu tố kỹ thuật đến lượng phát thải NOx, từ đó đề xuất các giải pháp tối ưu phù hợp với đặc điểm than antraxit Việt Nam và công nghệ lò hơi hiện đại.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân bố NOx trong buồng đốt: Mô phỏng CFD cho thấy nồng độ NOx tập trung cao nhất ở vùng cháy chính, đặc biệt tại các điểm có nhiệt độ trên 1000°C. Lượng NOx nhiên liệu chiếm khoảng 70% tổng NOx, phù hợp với cơ chế lý thuyết. Nồng độ NOx giảm dần khi tiến ra phía ống khói.

  2. Ảnh hưởng của hệ số không khí thừa: Giảm hệ số không khí thừa từ 1,2 xuống 1,05 giúp giảm lượng NOx phát thải khoảng 12-15%, tuy nhiên nếu giảm quá thấp (<1,03) sẽ làm tăng lượng CO và than chưa cháy, ảnh hưởng đến hiệu suất lò.

  3. Hiệu quả của đốt phân cấp không khí và nhiên liệu: Áp dụng đốt phân cấp không khí với khoảng 70-75% không khí cấp một và phần còn lại cấp hai giúp giảm NOx tới 30-40%. Đốt phân cấp nhiên liệu, trong đó 80-85% nhiên liệu cấp một và 15-20% cấp hai, tạo vùng hoàn nguyên mạnh, giảm NOx thêm 20-25%.

  4. Hiệu quả hệ thống SCR: Hệ thống khử NOx bằng xúc tác chọn lọc (SCR) tại nhà máy Vũng Áng 1 đạt hiệu suất khử khoảng 41%, giảm nồng độ NOx từ 1.145 mg/m³ xuống còn 668 mg/m³, đảm bảo dưới giới hạn 700 mg/m³ theo QCVN 22:2009/BTNMT.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy các giải pháp kỹ thuật như đốt phân cấp không khí, phân cấp nhiên liệu và tái tuần hoàn khói có tác dụng rõ rệt trong việc giảm phát thải NOx. Việc điều chỉnh hệ số không khí thừa cần cân bằng giữa giảm NOx và duy trì hiệu suất cháy, tránh tăng CO và than chưa cháy.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hiệu quả giảm NOx của các phương pháp này tương đương hoặc cao hơn, phù hợp với đặc điểm than antraxit Việt Nam có hàm lượng chất bốc thấp và tro cao. Hệ thống SCR là giải pháp xử lý sau đốt hiệu quả, nhưng chi phí đầu tư và vận hành cao, do đó cần kết hợp với các biện pháp giảm NOx trong buồng đốt để tối ưu kinh tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố nồng độ NOx theo chiều cao buồng đốt, bảng so sánh hiệu quả các phương pháp giảm NOx và biểu đồ hiệu suất hoạt động của chất xúc tác theo thời gian.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hệ số không khí thừa: Điều chỉnh hệ số không khí thừa trong khoảng 1,05-1,1 để giảm phát thải NOx khoảng 10-15% mà không làm tăng CO và than chưa cháy. Chủ thể thực hiện: Ban kỹ thuật vận hành nhà máy, thời gian áp dụng: 3-6 tháng.

  2. Áp dụng đốt phân cấp không khí và nhiên liệu: Thiết kế và lắp đặt hệ thống phân cấp không khí và nhiên liệu phù hợp với đặc điểm than antraxit, giảm NOx thêm 30-40%. Chủ thể thực hiện: Bộ phận kỹ thuật và bảo trì, thời gian: 6-12 tháng.

  3. Tăng cường tái tuần hoàn khói: Sử dụng quạt tái tuần hoàn khói để giảm nhiệt độ buồng đốt và nồng độ oxy, giảm NOx khoảng 10-20%. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án, thời gian: 6 tháng.

  4. Bảo trì và nâng cấp hệ thống SCR: Đảm bảo hiệu suất khử NOx trên 40% bằng việc thay thế, bổ sung chất xúc tác đúng chu kỳ (16.000-20.000 giờ hoạt động). Chủ thể thực hiện: Đội ngũ vận hành, thời gian: liên tục theo kế hoạch bảo trì.

  5. Nghiên cứu phát triển vòi phun đốt NOx thấp: Thiết kế vòi phun phân cấp gió kiểu DRB hoặc HT-NR phù hợp với than antraxit Việt Nam để giảm NOx tới 40%. Chủ thể thực hiện: Phòng R&D, thời gian: 12-18 tháng.

Các giải pháp trên cần được phối hợp đồng bộ để đạt hiệu quả tối ưu về mặt kỹ thuật và kinh tế, đồng thời đáp ứng các quy chuẩn môi trường hiện hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư vận hành nhà máy nhiệt điện: Nắm bắt cơ chế hình thành NOx và các giải pháp giảm thiểu để tối ưu vận hành, giảm phát thải khí độc hại.

  2. Chuyên gia môi trường và quản lý năng lượng: Hiểu rõ tác động môi trường của NOx và các tiêu chuẩn phát thải, từ đó đề xuất chính sách và giám sát hiệu quả xử lý khí thải.

  3. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ nhiệt: Áp dụng mô hình CFD và các phương pháp kỹ thuật để thiết kế, cải tiến lò hơi và hệ thống xử lý khí thải.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật nhiệt và môi trường: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về cơ chế cháy, phát thải NOx và công nghệ xử lý khí thải trong ngành nhiệt điện.

Mỗi nhóm đối tượng có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả sản xuất, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành năng lượng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Khí NOx là gì và tại sao cần giảm phát thải?
    NOx là các oxit nitơ gồm NO và NO2, phát sinh chủ yếu từ quá trình đốt cháy nhiên liệu. NOx gây ô nhiễm không khí, mưa axit, ảnh hưởng sức khỏe con người và môi trường. Giảm NOx giúp bảo vệ sức khỏe và tuân thủ quy chuẩn môi trường.

  2. Cơ chế chính hình thành NOx trong lò hơi đốt than?
    NOx hình thành qua ba cơ chế: nhiệt (do phản ứng N2 và O2 ở nhiệt độ cao), nhiên liệu (do nitơ trong than bị oxy hóa), và tức thời (phản ứng nhanh trong vùng cháy giàu nhiên liệu). Trong lò hơi than, NOx nhiên liệu chiếm phần lớn.

  3. Phương pháp đốt phân cấp không khí giúp giảm NOx như thế nào?
    Phân cấp không khí chia quá trình đốt thành hai giai đoạn: giai đoạn đầu thiếu oxy tạo vùng hoàn nguyên, giảm hình thành NOx; giai đoạn sau cung cấp đủ oxy để cháy hoàn toàn. Phương pháp này giảm NOx khoảng 30-40%.

  4. Hệ thống SCR hoạt động ra sao trong xử lý NOx?
    SCR sử dụng ammonia và chất xúc tác để chuyển NOx thành N2 và H2O ở nhiệt độ khoảng 390°C. Hiệu suất khử NOx đạt khoảng 40-50%, giúp nhà máy đáp ứng tiêu chuẩn phát thải nghiêm ngặt.

  5. Tại sao than antraxit Việt Nam khó cháy và ảnh hưởng đến phát thải NOx?
    Than antraxit có hàm lượng chất bốc thấp, tro cao, khó bắt lửa và cháy kiệt. Điều này làm tăng lượng than chưa cháy và khí NOx nhiên liệu phát sinh, đòi hỏi thiết kế vòi phun và điều kiện đốt phù hợp để giảm NOx hiệu quả.

Kết luận

  • Nhu cầu sản xuất điện từ nhiệt điện than tại Việt Nam tăng mạnh, kéo theo phát thải NOx lớn, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe.
  • Cơ chế hình thành NOx chủ yếu là do nitơ trong nhiên liệu và phản ứng nhiệt, với tỷ lệ NOx nhiên liệu chiếm 60-80%.
  • Các giải pháp kỹ thuật như đốt phân cấp không khí, phân cấp nhiên liệu, tái tuần hoàn khói và hệ thống SCR đã chứng minh hiệu quả giảm NOx từ 30% đến trên 40%.
  • Việc tối ưu điều kiện vận hành và bảo trì hệ thống xử lý khí thải là cần thiết để đảm bảo phát thải NOx dưới mức quy chuẩn 700 mg/m³.
  • Nghiên cứu tiếp theo nên tập trung phát triển công nghệ vòi phun đốt NOx thấp và mô hình mô phỏng nâng cao để tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu ô nhiễm.

Để bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành nhiệt điện, các nhà máy cần áp dụng đồng bộ các giải pháp kỹ thuật và công nghệ xử lý khí thải hiện đại. Hành động ngay hôm nay sẽ góp phần giảm thiểu tác động tiêu cực của NOx, nâng cao chất lượng không khí và sức khỏe cộng đồng.