Chƣơng I CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.4. Tổng quan về ngành nhiệt điện đốt than tại Việt Nam
1.4.1. Thực trạng phát triển các nhà máy nhiệt điện đốt than
Nhà máy nhiệt điện là loại hình sản xuất điện phổ biến nhất trên thế giới, có lịch sử hình thành và phát triển lâu đời và đóng vai trị quan trọng trong sản xuất điện của thế giới. Từ các nguồn nhiên liệu hữu cơ như than, dầu, khí,... hố năng được chuyển hoá thành nhiệt năng thơng qua q trình cháy trong các thiết bị lị hơi. Nhà máy nhiệt điện vận hành dựa trên chu trình Rankine, trong đó hơi q nhiệt ra khỏi lị hơi được đưa vào tuabin, sau khi giãn nở sinh cơng trong tuabin, hơi được ngưng tụ hồn tồn thành nước bão hồ tại bình ngưng và được bơm trở lại lị hơi và thực hiện chu trình tiếp theo. Tuabin nối đồng trục với máy phát điện và làm quay máy phát sinh ra điện.
Cùng với lịch sử lâu đời của ngành khai thác than trên thế giới, các nhà máy nhiệt điện sử dụng than ra đời và phát triển mạnh mẽ trước khi các nhà máy đốt dầu và khí được xây dựng. Hiện nay, nhiệt điện than đang đóng vai trị rất quan trọng trong cơ cấu sản xuất điện của thế giới, cũng như từng quốc gia, ngay cả ở các quốc gia phát triển. Trên thế giới, lượng điện sản xuất từ các nhà máy nhiệt điện đốt than chiếm khoảng 40% tổng điện năng của tất cả các nước, một số nước thậm chí cịn có tỷ lệ cao hơn như Nam Phi (93%), Trung Quốc (79%), Ấn Độ (69%) và Hoa Kỳ (49%) [2].
Năm 2013, tổng công suất đặt nguồn điện Việt Nam là 30.500MW trong đó nhiệt điện than khoảng 6.863MW chiếm 22,5% tổng công suất nguồn điện cả nước. Tổng sản lượng điện sản xuất năm 2013 là 131.1 tỷ kWh trong đó lượng điện sản xuất từ than đạt khoảng 26,9 tỷ kWh chiếm 20,5% [21].
Hình 1.4: Phân bổ cơng suất lắp đặt và điện sản xuất năm 2013
Theo dự báo (dự thảo QHĐ VII hiệu chỉnh), tổng công suất đặt các nhà máy nhiệt điện than năm 2020 tăng thêm 30.000MW chiếm 50,1% tổng công suất nguồn và năm 2030 tăng lên 53.000MW chiếm 48,3% tổng công suất lắp đặt. Sản lượng điện từ nguồn điện than chiếm 52,8% tổng sản lượng sản xuất (264TWh) năm 2020 và tăng lên 57,8% tổng sản lượng sản xuất (548TWh) năm 2030 (Bộ Công Thương, 2012) [2].
Hiện nay, ở Việt Nam có 15 nhà máy nhiệt điện đang hoạt động, chủ yếu là các doanh nghiệp thành viên của 2 Tập đoàn kinh tế lớn của Việt Nam là Tập đoàn Điện lực Việt Nam, Tập đồn Cơng nghiệp Than – Khống sản Việt Nam [14, 15, 20, 21]:
Bảng 2.1. Thông tin chung về các nhà máy đang hoạt động
TT Tên nhà máy Địa điểm Năm vận hành
Công suất (MW)
Nhiên liệu
I Các nhà máy theo công nghệ đốt than phun
1 Ninh Bình Ninh Bình 1976 4x25 Than antraxit (cám 5)
2 ng Bí Quảng Ninh 1975 110 Than antraxit
(cám 5)
3 Phả Lại 1 Hải Dương 1983 4x110 Than antraxit (cám 5)
(cám 6A)
5 Formasa Đồng Nai 2006 2x150 Bitum
6 ng Bí mở rộng 1
Quảng Ninh 2007 300 Than antraxit (cám 5)
7 Quảng Ninh 1 Quảng Ninh 2009 2x300 Than antraxit (cám 5, 6) 8 Hải Phòng 1 Hải Phòng 2009 2x300 Than antraxit
(cám 5, 6) 9 ng bí mở
rộng 2
Quảng Ninh 2013 330 Than antraxit (cám 5)
10 Nhiệt điện Vĩnh Tân 2
Bình Thuận 2014 2x622 Than cám 6A Hòn Gai
II Các nhà máy theo cơng nghệ đốt than tầng sơi tuần hồn (CFB)
1 Na Dương Lạng Sơn 2004 2x55 Than nâu
2 Cao Ngạn Thái Nguyên 2005 2x55 Than antraxit (cám 6b)
3 Cẩm phả 1, 2 Quảng Ninh 2009 2x110 Than antraxit (cám 6b)
4 Sơn Động Bắc Giang 2009 2x110 Than antraxit (cám 6b)
5 Mạo Khê Quảng Ninh 2012 2x220 Than antraxit (cám 6b)
(Nguồn: Viện Năng lượng, 2014 ) 1.4.2. Thực trạng công nghệ nhiệt điện đốt than tại Việt Nam
a) Cơng nghệ lị hơi đốt than phun
Cơng nghệ lị hơi đốt than phun đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy điện đốt than. Trong số 15 nhà máy điện hiện có trong hệ thống điện Việt Nam có đến 9 nhà máy sử dụng lị hơi đốt than phun với công suất lắp đặt là 3380MW chiếm 63% trong tổng số nhà máy nhiệt điện đốt than [21].
Hiệu suất đốt than antraxit trong các lò than phun của Việt Nam nhìn chung thấp hơn hiệu suất đốt than bitum trong các lò than phun của các nước khác trên thế giới bởi than antraxit Việt Nam là loại có chất bốc thấp, khó bắt cháy và khó cháy kiệt, mới chỉ đốt trong các lị hơi có thơng số dưới tới hạn. Hiệu suất trung bình năm 2012 của các nhà máy nhiệt điện than trong nước sử dụng cơng nghệ lị hơi đốt than phun chỉ đạt khoảng 32% [21].
Mặc dù các lò hơi đốt than antraxit trong các nhà máy nhiệt điện than hiện nay tại Việt Nam đã và đang đóng vai trị quan trọng trong sản xuất điện năng nhưng vẫn còn nhiều tồn tại, bất cập chưa được giải quyết. Một trong những số đó là hàm lượng các bon chưa cháy hết trong tro bay còn cao dẫn đến hiệu suất sản xuất điện thấp, lãng phí tài nguyên than [10].
Đường khói thốt Đường khói thốt Bộ hâm H2O từ gia nhiệt cao đến Bao hơi bộ quá nhiệt VÒI ĐỐT DẦU VÀ VÒI ĐỐT THAN từ turbine cao áp đến đến turbine trung áp
Về mặt cấu tạo hệ thống hơi nước, lò hơi đốt than phun được sản xuất với nhiều kiểu khác nhau: Tuần hoàn tự nhiên hoặc cưỡng bức (có bao hơi), hoặc kiểu trực lưu. Về thông số hơi quá nhiệt, lò hơi đốt than phun có rất nhiều dải thơng số, bao gồm cả dưới tới hạn và trên tới hạn.
Theo kinh nghiệm với loại than antraxit Việt Nam, buồng đốt ứng dụng công nghệ ngọn lửa hình W có thể sử dụng hiệu quả nhờ ưu điểm là “thời gian lưu dài của hạt than trong buồng lửa” – giúp tăng hiệu quả cháy kiệt than.
b) Công nghệ đốt than tầng sơi
Mặc dù lị hơi sử dụng công nghệ tầng sôi mới được phát triển vào những năm 70 của thế kỉ trước nhưng nhanh chóng khẳng định là một cơng nghệ có tiềm năng rất lớn. Hai ưu điểm quyết định đến sự lựa chọn công nghệ lị hơi tầng sơi áp dụng vào nhà máy nhiệt điện là: (1) cháy hiệu quả các loại nhiên liệu xấu, có chất lượng thay đổi trong phạm vi rộng và (2) có thể giảm phát thải các khí thải độc hại như NOx, SOx trong quá trình cháy nhiên liệu mà không cần trang bị các thiết bị xử lý đắt tiền [21].
Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của lị hơi tầng sơi
Nguyên lý cháy của lò hơi tầng sôi là đốt than theo kiểu trọng lực: Nhiên liệu được cấp vào vùng dưới của buồng đốt và cháy cùng với dịng
khơng khí nóng sau khi qua bộ sấy khơng khí 1 cấp từ dưới đi lên trên buồng đốt. Nhiên liệu, tro và nhiên liệu chưa cháy hết cùng nhau đi từ dưới đi lên trên và được thu hồi lại trong bộ phận thu bụi và quay trở lại vào buồng đốt. Đá vôi là chất hấp thụ lưu huỳnh sẽ được cấp ở dưới buồng đốt. Nhiệt độ buồng đốt được duy trì ở mức 1,5000F (8160C) đến 1,7000
F(9270C), thấp hơn rất nhiều so với lò than hiện nay. Hiệu suất của buồng lửa khá cao do thời gian lưu lại của hạt than lớn, than cháy kiệt hơn so với lò than phun.
Ngồi ra, lị hơi tầng sơi tuần hồn có sự khác biệt lớn so với lị than phun là trong quá trình cháy được đốt kèm với đá vôi vừa đủ để khử SOx sinh ra trong quá trình cháy nhiên liệu. Quá trình cháy và khử lưu huỳnh xảy ra ở nhiệt độ khoảng 8500C. Các hạt than cháy ở trạng thái lơ lửng (bay) nhờ khơng khí áp lực đẩy từ dưới lên trên. Dưới áp lực của gió cấp, vịi phun phun nhiên liệu vào lị bao trùm tồn bộ buồng đốt. Mật độ nhiên liệu giảm dần theo chiều thẳng đứng từ dưới lên.
Hình 1.7: Nguyên lý hoạt động của Cyclon
Cyclon được dùng để thu các hạt than chưa cháy hết và đưa trở lại buồng đốt tạo thành một vịng tuần hồn. Đây cũng là điểm ưu việt của lị tầng sơi tuần hồn so với lị tầng sơi thơng thường. Phần khói nóng sẽ tiếp tục đưa qua các bộ trao đổi nhiệt phần đi lị, qua hệ thống lọc bụi và được thải ra ngồi qua ống khói.
Hiện tại, Việt Nam đã có 5 nhà máy nhiệt điện sử dụng lị hơi tầng sơi (CFB) với tổng công suất gần 1500 MW chiếm hơn 36% tổng công suất nhiệt điện đốt than. 5 nhà máy này đều thuộc Tập đồn Cơng nghiệp Than khống sản Việt Nam (Vinacomin). Hiệu suất trung bình của các nhà máy này đạt 35% trong đó cao nhất là NMNĐ Cẩm Phả 1, 2 với hiệt suất đạt 38% [20].
Lị hơi tầng sơi là một loại cơng nghệ được chú ý nhiều tại Việt Nam trong những năm gần đây và được coi là giải pháp tiềm năng về giảm phát thải khí nhà kính cho các nhà máy nhiệt điện đốt than đang có nhu cầu cải tiến, thay đổi cơng nghệ vì một số lý do sau:
- Hiện nay, lượng than phụ phẩm chất lượng thấp tồn đọng trong ngành than lớn, cơng nghệ lị hơi tầng sơi sẽ tăng khả năng tận dụng một lượng lớn than phụ phẩm đó cho mục đích phát điện mà chi phi đầu tư khơng cao.
- Công nghệ đốt than tầng sơi cịn cho phép đốt các loại than có hàm lượng lưu huỳnh cao (nếu đốt bằng công nghệ than phun sẽ phải đầu tư rất lớn cho các thiết bị xử lý phát thải), giải quyết việc làm cho một lượng lớn lao động tại các mỏ than và khu vực lân cận.
- Nguồn cung cấp nhiên liệu ngày càng bất ổn so với trước.
- Tạo ra cơ hội lớn cho việc sử dụng các loại nhiên liệu phi truyền thống.
- Các tiêu chuẩn về môi trường ngày càng chặt chẽ, yêu cầu cháy phát thải thấp.
- Giá đầu tư có khả năng cạnh tranh với lị hơi than phun.
- Lị hơi tầng sơi có thể duy trì hiệu suất và tính linh hoạt khi sử dụng các loại than khác so với thiết kế.
1.4.3. Định hướng phát triển ngành nhiệt điện đốt than tại Việt Nam
Theo Quy hoạch phát triển điện VII tại Quyết định số 1208/QĐ-TTg ngày 21/7/2011 của Thủ tướng Chính phủ [2]: Quy hoạch nhiệt điện đốt than: Khai thác tối đa nguồn lực than trong nước cho phát triển các nhà máy nhiệt điện, ưu tiên sử dụng than trong nước cho các nhà máy nhiệt điện phía Bắc. Đến năm 2020, tổng công suất nhiệt điện đốt than khoảng 36.000 MW, sản xuất khoảng 156 tỷ kWh (chiếm 46,8% sản lượng điện sản xuất), tiêu thụ 67,3 triệu tấn than. Đến năm 2030, tổng công suất nhiệt điện đốt than khoảng 75.000MW, sản xuất khoảng 394 tỷ kWh (chiếm khoảng 56,4% sản lượng điện sản xuất), tiêu thụ khoảng 171 triệu tấn than. Các nhà máy sẽ đi vào vận hành sau năm 2015 gồm [2, 14, 15]:
+ Nhiệt điện Quảng Ninh II (300 MW) do EVN thực hiện; + Nhiệt điện Thái Bình I, II (1.200 MW) do PVN thực hiện; + Nhiệt điện Mông Dương I, II (1.200 MW) theo hình thức BOT; + Nhiệt điện Duyên Hải I, II (1.200 MW) do EVN thực hiện; + Nhiệt điện Hải Phịng mở rộng cơng suất đến 1.200 MW;
+ Nhiệt điện Mạo Khê II 300 MW (nâng tổng công suất lên 1.200 MW);
+ Nhiệt điện Nghi Sơn 600 MW;
+ Nhiệt điện Vũng Áng I, II (600 MW x 2); + Nhiệt điện Thăng Long I, II (300 MW x 2); + Nhiệt điện Nam Định I, II (600 MW x 2); + Nhiệt điện Hải Dương I, II (600 MW x 2).
Lựa chọn công suất tổ máy phát điện cho tương lai phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cơng nghệ, suất đầu tư, mặt bằng, trình độ vận hành, tính phổ biến của tổ máy, hệ thống điện quốc gia và khu vực... Công suất tổ máy đối với công nghệ đốt than phun hiện nay đang nằm trong dải rộng 50 - 1300 MW. Cơng suất lị hơi ở nước ta hiện đang phổ biến ở mức 300 MW, một số nhà máy đang xây dựng có cơng suất 500 -700 MW. Trong tương lai, công suất tổ máy ở Việt Nam sẽ tiến đến mức 1000 MW [2, 14].
Các nhà máy nhiệt điện đốt than phun phổ biến với thông số cận tới hạn và thông số trên tới hạn. Thông số hơi sẽ quyết định hiệu suất sản xuất điện năng của nhà máy. Nhiệt độ và áp suất hơi càng cao thì hiệu suất nhà máy càng cao. Do đó, hiệu suất của nhà máy đốt than dưới tới hạn sẽ không thể nâng cao hơn nữa ngoại trừ các cải tiến nhằm hoàn thiện q trình chuyển hóa năng lượng. Xu hướng áp dụng thông số hơi trên tới hạn đang chiếm ưu thế vì có thể nâng cao nhiệt độ và áp suất hơi nhờ những tiến bộ trong công nghệ vật liệu. Vấn đề cơ bản là khi tăng nhiệt độ và áp suất, lò hơi phải sử dụng kim loại chịu nhiệt đặc biệt có chi phí cao. Trong tương lai, sự phát triển của
ngành luyện kim sẽ cho phép thông số hơi tăng hơn nữa đồng thời giá thành cũng sẽ giảm, tạo điều kiện thuận lợi để nâng cao hiệu suất các nhà máy điện.
Dự kiến năm 2020, nhiệt độ hơi có thể lên tới 7750C và hiệu suất phát điện có thể đạt 50-53%. Nếu lựa chọn các tổ máy 1000 MW trong tương lai, thông số hơi dưới và trên tới hạn đều có thể nhưng phương án trên tới hạn sẽ chiếm ưu thế nhờ hiệu suất vượt hơn hẳn phương án dưới tới hạn [2, 14].
Như vậy, để nâng cao hiệu suất nhà máy, tăng hiệu quả kinh tế đồng thời đảm bảo các tiêu chuẩn môi trường ngày càng nghiêm ngặt, lò hơi đốt than phun vẫn sẽ là lựa chọn hiệu quả khi xây dựng nhà máy nhiệt điện đốt than ở Việt Nam. Công suất tổ máy sẽ trong khoảng 500 - 1000 MW với thông số trên tới hạn. Đây là xu hướng chung của các nhà đầu tư trong thời gian từ nay đến năm 2020. Bên cạnh đó, cơng nghệ tầng sơi tuần hoàn cũng là giải pháp tận dụng các nguồn than xấu, than có hàm lượng lưu huỳnh cao. Công suất tổ máy tiếp tục được nâng lên và ổn định ở mức 600 - 800 MW.
1.4.3. Thực trạng phát thải khí nhà kính trong ngành nhiệt điện đốt than
Ngành nhiệt điện đốt than là một trong những hoạt động phát thải khí nhà kính lớn nhất trong nhóm ngành sản xuất năng lượng. Lượng khí thải nhà kính từ ngành nhiệt điện đốt than phụ thuộc vào lượng than sử dụng, loại than sử dụng. Khí thải nhà kính từ nhà máy nhiệt điện đốt than chủ yếu là CO2.
Lượng khí thải CO2 của ngành nhiệt điện được tính tốn theo cơng thức sau:
Lượng CO2 = Lượng than đá sử dụng x Nhiệt trị than đá x Chỉ số phát thải CO2 [27]
- “Nhiệt trị than đá”: Các nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam chủ yếu sử dụng than Antraxit vùng Quảng Ninh nên giả định có giá trị giống nhau (5.000 kcal/kg).
- “Chỉ số phát thải CO2”: Đối với than Antraxit, “Chỉ số phát thải CO2
lớn nhất” = 98.538 kg-CO2/TJ, “Chỉ số phát thải CO2 nhỏ nhất” = 94.476 kg-CO2/TJ. Tính giả định bằng giá trị lớn nhất (98.538 kg- CO2/TJ) [10].
Bảng 2.2. Lượng CO2 thải ra hàng năm từ các nhà máy nhiệt điện than Năm 2011 2015 2020 2025 2030 CO2 (1000 tấn) Tổng 26.802 72.938 178.098 269.334 434.964 EVN 20.290 38.457 81.820 109.206 183.003 Than tiêu thụ (1000 tấn) Tổng 13.002 35.404 86.396 130.655 211.003 EVN 9.843 18.656 39.691 52.976 88.776 Lượng phát điện
từ nhiên liệu hóa thạch (GWh) Tổng 25.172 71.055 174.615 265.248 428.695 EVN 18.747 36.990 79.622 107.258 180.099 Cường độ phát thải CO2 (tCO2/GWh) (*) Tổng 1.065 1.026 1.020 1.015 1.014 EVN 1.082 1.039 1.027 1.018 1.016
(Nguồn: Báo cáo Dự án nghiên cứu đối sách hạn chế thải khí nhà kính ở các nhà máy nhiệt điện sử dụng than tại Việt Nam, JICA, 2011; Mục *
là Kết quả tự tính tốn)
Tổng lượng khí thải CO2 phát sinh từ các nhà máy nhiệt điện than năm 2011 là 26.802 triệu tấn CO2 (riêng EVN là 20.290 triệu tấn CO2) và dự tính tăng lên 434.964 triệu tấn CO2 (riêng EVN là 183.003 triệu tấn CO2) vào năm 2030.
Bảng 2.2 cho thấy: Cường độ phát thải CO2 trung bình của các nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam khoảng 1.028 tCO2/GWh; Cường độ phát thải CO2 trung bình tính riêng cho các nhà máy nhiệt điện của EVN khoảng 1.036