Công nghệ đốt kèm: Kinh nghiệm 10 năm của Hà Lan

Chủ đầu tư và người vận hành các nhà máy nhiệt điện than quan tâm đến việc đốt kèm sinh khối nên học tập Hà Lan là nước đã có kinh nghiệm trên 10 năm trong lĩnh vực này. Năm 2005, đốt kèm nhiên liệu sinh khối với tỉ lệ trên 10% theo trọng lượng đã trở thành phổ biến ở các nhà máy nhiệt điện than tại Hà Lan. Sau  3 năm, tỉ lệ này phải tăng lên gấp đôi nếu như các chủ đầu tư nhà máy nhiệt điện than muốn thực hiện nghĩa vụ của mình.

Theo Thoả ước về than (Coal covenant) ký kết vào tháng 5/2002, các công ty điện lực Hà Lan có nghĩa vụ cắt giảm mỗi năm 3 triệu tấn CO2 phát thải từ các nhà máy điện của họ với tổng công suất 4.000 MW, trong thời kỳ 2008-2012, để giúp nước này đáp ứng các cam kết theo Nghị định thư Kyoto. Đây chính là động lực quan trọng thúc đẩy gia tăng nhanh việc đốt kèm sinh khối tại các nhà máy nhiệt điện than, dựa trên phương thức đã được xác lập vững chắc, đó là tất cả các tổ máy đốt than ở Hà Lan đều đã có kinh nghiệm đốt kèm than thành công.

Các tổ máy đốt than bột tại Hà Lan có công suất điện đơn vị từ 400 tới 630 MW, đốt than dưới bitum trong các lò hơi loại đốt tiếp tuyến hoặc đốt theo vách lò, đáy lò khô, thông số hơi dưới tới hạn hoặc siêu tới hạn. Các lò hơi được trang bị các buồng đốt phát thải thấp NOX và các cổng gió thứ cấp trên ghi lò (over-fire air port), bộ lọc tĩnh điện lạnh và khử lưu huỳnh ướt. Tất cả các lò máy đều đã hoặc sẽ trang bị thiết bị khử chọn lọc có xúc tác.

Ngoài ra còn có nhà máy chu trình hỗn hợp kết hợp khí hoá than (integrated gasification combined cycle – IGCC) Willem Alexander công suất 250 MW điện tại Buggenum.

Tính chung cho cả nước, nếu thực hiện nghĩa vụ theo Thoả ước về than bằng cách đốt kèm sinh khối đồng nghĩa với việc lắp đặt khoảng 475 MW công suất điện chạy bằng sinh khối. Điều này có nghĩa là phải thay thế 12% tổng năng lượng đầu vào các nhà máy nhiệt điện than, như vậy yêu cầu mỗi năm phải có 2 triệu tấn sinh khối/chất thải.

Trong năm 2004, khoảng 1 triệu tấn sinh khối với tổng nhiệt trị là 15 PJ đã được đốt kèm, và năm 2005, con số này còn tăng hơn nữa. Để đáp ứng mục tiêu theo Thoả ước, tỉ lệ đốt kèm  phải tăng lên gấp đôi.

Các thử nghiệm đốt kèm đầu tiên tại Hà Lan được thực hiện vào năm 1993, trong lò hơi thử nghiệm đốt than công suất 1 MW nhiệt của KEMA, đốt kèm 3-5% theo trọng lượng là đồ gỗ phá bỏ, bùn thải và cốc dầu mỏ. Quan tâm chính trong các thử nghiệm đốt kèm này là tính năng đốt, chất lượng tro, và phát thải.

 

Trong giai đoạn 1996-2000, các nhà máy điện đã đốt kèm các loại nhiên liệu đa dạng, mức đốt kèm tối đa lên tới 10% theo trọng lượng, bao gồm cốc dầu mỏ, bùn thải, bùn giấy, gỗ củi phế thải, khí hyđrocacbon, sinh khối dạng viên, vỏ cam chanh dạng viên, chất thải đô thị, bã cà phê, vỏ cacao, mỡ động vật, và thức ăn thừa. Lần này, những vấn đề chính là khẳng định tính năng thông qua các thử nghiệm ở qui mô thực; ảnh hưởng của việc đốt kèm đối với đặc tính nhiệt và độ khả dụng của lò hơi; thực hiện cân bằng khối đối với các nguyên tố nói chung và các nguyên tố ở dạng vết; những hệ luỵ về sức khoẻ và an toàn của việc vận chuyển các nhiên liệu phụ này tại hiện trường.

Vào năm 2001, khi mà Thoả ước về than đang được soạn thảo và bắt đầu có những hình thức mới khuyến khích nâng tỉ lệ đốt kèm lên trên 10% theo trọng lượng, lò hơi thử nghiệm công suất 1 MW nhiệt của KEMA một lần nữa lại phát huy tác dụng. Lần này người ta tập trung vào việc đốt kèm các hỗn hợp than và củi gỗ, phân gà và nhiên liệu từ rác, với tỉ lệ khoảng 25% tính theo năng lượng. Vấn đề then chốt khảo sát trong quá trình thử nghiệm này là chất lượng tro tạo ra.

Các thử nghiệm đốt kèm tiên phong này cho thấy có khả năng đốt kèm tới khoảng 25% củi gỗ phế thải, phân gà tới vài phần trăm và nhiên liệu từ rác tới khoảng 15%, tính theo năng lượng, mà không ảnh hưởng đáng kể tới đặc tính của tro bay. Những kết quả này khuyến khích nâng cao hơn nữa tỉ lệ đốt kèm ở các nhà máy nhiệt điện than tại Hà Lan.

Nói chung, có thể phân biệt ba cấu hình đốt kèm trực tiếp hiện đang được áp dụng thương mại ở qui mô thực tại các lò hơi đốt than tại Hà Lan:

· Nghiền cùng với than đá

Ưu điểm: Mức đầu tư thấp và dễ dàng quay trở về trạng thái ban đầu.

Nhược điểm: Hạn chế về tỉ lệ đốt kèm sinh khối và hạn chế trong lựa chọn nhiên liệu.

· Nghiền trước và phun vào ống cấp than (sau máy nghiền)

Ưu điểm: Mức đầu tư vừa phải và thoải mái hơn trong lựa chọn nhiên liệu.

Nhược điểm: Đòi hỏi phải cho ngừng lò (mặc dù không lâu) để lắp đặt và bố trí không gian lắp đặt máy nghiền mới.

· Nghiền riêng và buồng đốt chuyên dụng

Ưu điểm: Không tác động tới việc nghiền than hoặc quá trình cháy, và cho phép tối ưu hoá buồng đốt dùng cho sinh khối.

Nhược điểm: Chi phí đầu tư cao, thời gian ngừng lò lâu hơn, lắp đặt các buồng đốt mới.

Cùng với việc lắp đặt các thiết bị đốt kèm chuyên dụng, người ta đưa vào sử dụng các loại nhiên liệu phụ bổ sung (chủ yếu là nhập khẩu), ví dụ như bã dầu cọ (palm kernel expeller – PFE), nhiên liệu rắn thu hồi (solid recovered fuel – SRF), bã ôliu, gỗ củi dạng viên, vỏ trấu dạng viên và vỏ đậu tương.

Các vấn đề chính hiện nay tập trung vào các khía cạnh vận hành của các thiết bị đốt kèm chuyên dụng, cụ thể như tính năng nghiền, công suất tổ máy, vận hành an toàn lò hơi và theo dõi lò hơi (ăn mòn, đóng xỉ, tắc), và ảnh hưởng đối với sự hoạt động của thiết bị xử lý khói thải, ví dụ như làm mất tác dụng xúc tác của thiết bị khử chọn lọc có xúc tác (SCR). Vấn đề sinh khối tự bốc cháy trong kho cũng được quan tâm nhiều hơn.

Ngoài đốt kèm trực tiếp, việc đốt kèm gián tiếp và khí hoá kèm cũng được áp dụng thành công tại các lò hơi đốt than tại Hà Lan, mặc dầu cho đến nay kinh nghiệm đốt kèm gián tiếp tại Hà Lan mới chỉ giới hạn ở thiết bị khí hoá gỗ củi tại tổ lò Amer 9.

Cũng đã có kế hoạch lắp đặt công trình đốt tầng sôi tuần hoàn và khí hoá song song với các nhà máy điện đốt than bột truyền thống, tuy nhiên các dự án này bị trì hoãn do vấn đề kinh tế.

Ngoài ra nhiên liệu sinh khối lỏng cũng đã được đốt kèm tại một lò hơi đốt khí của công ty điện lực.

Có thể nêu tóm tắt về các qui trình đốt kèm thành công tại Hà Lan như sau:

· Nhà máy điện Gelderland 13 của công ty Electrabel (tại Nijmegen). Gỗ củi vụn được vận chuyển đến nhà máy, cất giữ trong các thùng chứa trong bãi chứa được thiết kế đặc biệt, nghiền trong máy nghiền búa và bốn máy nghiền Fuller Micro. Công trình vận hành từ năm 1995 và hiện nay có thể xử lý tới khoảng 60.000 tấn mỗi năm (?).

Đầu tiên, gỗ củi nghiền được vận chuyển bằng khí nén cùng với không khí lạnh tới hai buồng đốt gỗ củi. Các buồng đốt này được bố trí ở hai bên lò đốt bên dưới các buồng đốt than bột. Tuy nhiên gần đây, Electrabel cấp gỗ củi nghiền trực tiếp vào các dây chuyền vận chuyển than bột sau máy nghiền. Trong giai đoạn 2002-2004, người ta đốt hỗn hợp bã ôliu và than, hỗn hợp này được xử lý như đối với than đá.

Hệ thống đốt tại Gelderland 13 bao gồm các buồng đốt than bột phát thải NOX thấp, đốt theo vách lò, không có gió thứ cấp trên ghi lò.

· Nhà máy điện Amer 8 của công ty Essent. Sinh khối (bao gồm gỗ củi dạng viên và bã ôliu) được tích trữ trong silô hoặc bình chứa, được nghiền trong máy nghiền búa riêng biệt chuyên dụng cho sinh khối và vận chuyển tới buồng đốt chuyên dụng cho sinh khối. Đốt kèm đã được áp dụng thương mại kể từ năm 1997.

Hệ thống đốt bao gồm các buồng đốt than bột đốt tiếp tuyến, có cổng gió sau (after-air port). Thiết bị làm sạch khói thải bao gồm bộ khử lưu huỳnh và bộ lọc tĩnh điện.

· Nhà máy điện Amer 9 của công ty Essent
sử dụng các buồng đốt than bột, phát thải NOX thấp, đốt tiếp tuyến, có cổng gió sau. Hiện nay đã có bộ khử lưu huỳnh nhưng chưa có bộ lọc tĩnh điện. Sinh khối (tương tự như các loại cung cấp cho nhà máy Amer 8) cũng được tích trữ trong silô hoặc bình chứa.

Việc đốt kèm đã được áp dụng thương mại từ năm 2000, theo phương pháp:

– Phương pháp 1: Sinh khối được nghiền riêng, không lẫn với than; sinh khối sau khi nghiền được cấp trực tiếp vào dây chuyền vận chuyển than bột sau máy nghiền.

– Phương pháp 2: Sinh khối được khí hoá trong thiết bị khí hoá tuần hoàn ở áp suất khí quyển và đốt kèm trong lò hơi đốt than.

· Nhà máy Borssele 12 của công ty EPZ. Sinh khối (bao gồm gỗ củi dạng viên, bã ôliu và vỏ cacao) được tích trữ trong silô hoặc kho, được nghiền bằng máy nghiền búa (phương pháp 1) hoặc đập vụn (phương pháp 2), và vận chuyển tới buồng đốt sinh khối và được đốt riêng rẽ, không cùng với than. Một phương án khác nữa (phương pháp 3) là sinh khối được trộn lẫn với than nguyên liệu trước máy nghiền. Việc đốt kèm đã được áp dụng thương mại từ năm 2002.

Hệ thống đốt bao gồm các buồng đốt than bột phát thải NOX thấp, đốt tiếp tuyến, có gió thứ cấp trên ghi lò. Bộ khử lưu huỳnh trong khói thải và lọc tĩnh điện hiện đang xây dựng tại nhà máy.

· Các tổ máy Maasvlakte 1&2 của công ty E.ON. Sinh khối được tích trữ trong silô và/hoặc trong kho ngăn riêng. Việc đốt kèm được áp dụng thương mại từ năm 1998, nhiên liệu phụ bao gồm cả chất hữu cơ lỏng, sinh khối dạng viên, cũng như phế thải thực phẩm. Hệ thống đốt của mỗi tổ máy công suất 550 MW điện này bao gồm các buồng đốt than bột phát thải NOX thấp, đốt tiếp tuyến có cổng gió sau. Thiết bị khử lưu huỳnh trong khói thải đã có, bộ lọc tĩnh điện đang xây dựng. Áp dụng ba phương pháp đốt kèm:

– Phương pháp 1: Sinh khối được nghiền riêng, không cùng với than; sinh khối sau khi nghiền được cấp trực tiếp vào dây chuyền vận chuyển than bột sau máy nghiền.

– Phương pháp 2: Chất hữu cơ lỏng được đốt riêng rẽ, không cùng với than, trong buồng đốt dầu riêng.

– Phương pháp 3: Sinh khối được trộn lẫn với than nguyên liệu trước máy nghiền.

· Nhà máy chu trình hỗn hợp kết hợp khí hoá than Willem Alexander (Buggenum)
. Nhà máy công suất 250 MW điện này sử dụng thiết bị khí hoá than kiểu thổi ôxy tạo xỉ cuốn theo dòng (oxygen blown, entrained-flow slagging coal gasifier). Nhà máy được chuyển đổi từ nhiên liệu 100% than sang 70% than cộng với 30% sinh khối, như vậy phát ra được 43 MW điện “xanh”. Nhiên liệu phụ điển hình bao gồm củi gỗ, phân chuồng gà và bùn cống.

Đã bổ sung thiết bị mới cho nhà máy giúp cho việc vận chuyển nhiên liệu sinh khối.

· Nhà máy điện đốt khí Claus 9 (Maasbracht) công suất 2×600 MW điện của Essent. Nhà máy hiện nay đang đốt kèm dầu sinh học. Bởi vậy các thùng chứa dầu và tuyến vận chuyển hiện có đã được cải tạo để sử dụng cho dầu sinh học. Cũng đã tiến hành một số sửa đổi nhằm kiềm chế phát thải NOX.

Một số ràng buộc và hạn chế

KEMA đã khảo sát toàn diện các ràng buộc về kỹ thuật nhằm tăng tối đa tỉ lệ đốt kèm nhiên liệu phụ sinh học tại các nhà máy điện đốt than bột. Phạm vi khảo sát bao gồm nguồn cung cấp nhiên liệu, vận chuyển nhiên liệu tại hiện trường, kiểm soát và tránh hiện tượng sinh khối tự cháy trong quá trình lưu kho, nghiền và sấy khô, các đặc tính cháy, xu hướng đóng xỉ và gây tắc, đặc tính nhiệt của lò hơi, các hiện tượng ăn mòn và mài mòn, chất lượng tro tạo ra, ảnh hưởng đối với tính năng của thiết bị xử lý khói thải, phát thải vào khí quyển, năng suất của các thành phần khác nhau của thiết bị lắp đặt, và điều kiện sức khoẻ nghề nghiệp và an toàn.

Khả năng thay thế than bằng sinh khối tại các lò hơi hiện có không phải là vô hạn. Tiềm năng thay thế tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố, những hạn chế về kỹ thuật, những hạn chế từ phía các cơ quan chức năng và các vấn đề về tài chính và pháp lý.

Về các hạn chế kỹ thuật, có thể thấy rõ tiềm năng thay thế than phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng của sinh khối, ví dụ như nhiệt trị, nếu như muốn giữ nguyên phụ tải danh định của nhà máy. Dưới đây là danh mục một số các hạn chế kỹ thuật, mặc dù còn chưa đầy đủ:

· Khả năng nghiền của hỗn hợp sinh khối/than phối chế. Việc giảm kích cỡ hỗn hợp sinh khối/than phối chế trong máy nghiền than hiện có bị hạn chế chủ yếu bởi đặc tính nghiền và hàm lượng ẩm của sinh khối. Nói chung sinh khối mềm hoặc có dạng sợi, trong khi đó than bitum cứng hơn và giòn hơn.

· Năng suất của các bộ phận hợp thành của lò máy, ví dụ như quạt khói, hệ thống thải tro đáy lò và bộ gia nhiệt không khí. Thường thì sinh khối có hàm lượng ẩm cao, kết quả là lưu lượng khói thải tăng đáng kể khi đốt kèm lượng lớn sinh khối ẩm.

· Đóng xỉ và tắc lò. Nhiệt độ nóng chảy của tro đốt sinh khối có thể thấp do thành phần canxi và sắt cao. Điều này dẫn tới đóng xỉ nghiêm trọng buồng đốt, vách lò và các bộ quá nhiệt.. Ngoài ra hàm lượng cao natri và kali cũng dẫn đến tắc lò nghiêm trọng.

· Ăn mòn vách lò và bộ quá nhiệt. Lưu huỳnh và clo có thể làm tăng tốc độ ăn mòn vách lò. Đóng xỉ và tắc nghiêm trọng các bộ quá nhiệt có thể ảnh hưởng xấu tới các điều kiện cục bộ dẫn tới ăn mòn.

· Mài mòn. Hàm lượng tro cao có thể làm thiết bị chóng hỏng do mài mòn, đặc biệt nếu như lưu lượng khói thải tăng cao do hàm lượng ẩm cao.

Các khía cạnh kỹ thuật khác cần cân nhắc khi tăng lượng sinh khối đầu vào của các nhà máy nhiệt điện than hiện có là hậu quả đối với độ linh hoạt vận hành, tốc độ nâng tải, phụ tải tối đa, và độ khả dụng. Tất cả các khía cạnh này đều hết sức quan trọng trong điều kiện thị trường điện tự do. Cần đặc biệt chú ý tới chất lượng sản phẩm phụ, ví dụ như tro bay, tro đáy lò. Thường thì sản phẩm phụ cần được sử dụng vào mục đích nào đó, ví dụ như trong sản xuất xi măng, đổ bê tông, bởi vì giờ đây khó có thể sử dụng để chôn lấp. Chất lượng tro cũng phải đáp ứng các yêu cầu trong tiêu chuẩn quốc gia và EU.

Bước tiếp theo và cơ cấu mới

Khi đánh giá bước tiếp theo trong hoạt động đốt kèm ở Hà Lan cần phân biệt giữa thời kỳ trước khi Thỏa ước về than có hiệu lực, và thời kỳ kể từ khi áp dụng Thoả ước về than năm 2008.

Để thực hiện các yêu cầu của Thoả ước về than của Hà Lan, tỉ lệ đốt kèm tại các nhà máy điện đốt than tại Hà Lan sẽ phải tăng lên gấp đôi, đạt mức 12% vào năm 2008. Do vậy trong tương lai gần dự đoán sẽ có nhiều lò máy nộp đơn cấp phép kéo dài thời hạn đốt kèm.

Theo dự đoán, sau năm 2008, tỉ lệ đốt kèm trực tiếp tại các nhà máy nhiệt điện than ở Hà Lan sẽ vượt quá 12%. Ngoài ra, đối với các nhà máy nhiệt điện than và khí hoá than xây mới, dự báo tỉ lệ đốt kèm sẽ là trên 20%.

Cụ thể, khí hoá sinh khối đã được nhận diện là đặc trưng chính của nhà máy IGCC, công suất 1.200 MW điện mà công ty Nuon đang cân nhắc xây mới và một số nhà máy điện đốt than bột được các công ty điện lực khác đề xuất.

Sử dụng sinh khối, chất thải và nhiên liệu thu hồi để phát điện và nhiệt kết hợp giờ đây đã trở thành chủ đề chính trong ngành sản xuất điện ở phần lớn các nước châu Âu. Trong 10 năm qua, người ta đã thu thập được nhiều kinh nghiệm vận hành thành công trong việc đốt kèm trực tiếp và gián tiếp tại các nhà máy nhiệt điện than ở các nước EU, trong đó Hà Lan đã và sẽ đóng vai trò dẫn đầu trong lĩnh vực này.

Leave a Reply

Thư điện tử của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *