7. Những đóng góp khoa học mới của tác giả luận án
2.1. Cơ sở khoa học của việc sử dụng tro, xỉ nhà máy nhiệt điện than làm vật liệu xây
2.1.2. Một số khái niệm liên quan đến tro, xỉ nhà máy nhiệt điện than được sử dụng
trong luận án
(1) Sản phẩm đốt than (CCP/CPPs):
CCP là các sản phẩm thu được chủ yếu từ q trình đốt than hoặc làm sạch khí
thải bao bồm: tro bay, tro đáy, xỉ lị hơi, tro đốt than tầng sơi (FBC), hoặc vật liệu khử lưu huỳnh trong khói thải (FGD)[5].
(2) Tro than:
Tro than là thuật ngữ chung chỉ các vật liệu rắn thu được chủ yếu từ q trình
đốt than (ví dụ bao gồm tro bay, tro đáy, hoặc xỉ lò hơi)[5]. (3) Nhà máy nhiệt điện than:
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 [1].
Nhà máy nhiệt điện là nhà máy dùng cơng nghệ đốt nhiên liệu hóa thạch (than,
dầu, khí) để sản xuất ra điện năng [9].
Nhà máy nhiệt điện than trong luận án được hiểu là nhà máy nhiệt điện dùng
cơng nghệ đốt nhiên liệu hóa thạch là than để sản xuất ra điện năng. (4) Tro, xỉ nhà máy nhiệt điện than:
Tro bay là tro than thốt ra từ buồng đốt, cuốn theo dịng khí thải và được thu lại tại các thiết bị kiểm sốt ơ nhiễm khơng khí, ví dụ lọc bụi tĩnh điện, lọc bụi kiểu túi và thiết bị lọc ướt [5].
Xỉ (tro đáy - xỉ đáy lị) là các hạt tro kết khối được hình thành trong lị hơi đốt than phun, do có kích thước lớn nên khơng thể bị cuốn theo dịng khí thải, sẽ va chạm vào tường lò hơi hoặc rơi xuống lọt qua các ghi lò, tới hộp thu tro ở đáy lị hơi. Tro đáy thường có màu xám hoặc màu đen, hồn tồn góc cạnh và có cấu trúc bề mặt xốp [5].
Thuật ngữ tro, xỉ trong luận án được hiểu là gồm 2 khái niệm “tro” và “xỉ”. Cả hai đều là những chất (cùng với nhiều chất khác) được thải ra trong quá trình phát điện và thuộc loại chất thải rắn. Trong đó, “tro” thải ra theo đường khói, hay cịn gọi là “tro bay”; còn “xỉ” được thải qua đáy của lò hơi, hay còn gọi là “tro đáy” hay “xỉ đáy lò”.
(5) Vật liệu và Vật liệu xây dựng:
Vật liệu là đầu vào trong một quá trình sản xuất hoặc thực hiện nhiệm vụ chuyên
môn cụ thể, được người lao động tác động, biến đổi hoàn toàn để thành sản phẩm theo yêu cầu đặt ra [7].
Vật liệu xây dựng là sản phẩm, hàng hóa được sử dụng để tạo nên cơng trình
xây dựng, trừ các trang thiết bị điện và thiết bị công nghệ [17].
Vật liệu xây dựng trong luận án được hiểu là nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng hoặc là vật liệu trực tiếp cấu thành cơng trình xây dựng.
(6) Vật liệu xây dựng làm từ tro, xỉ nhà máy nhiệt điện than:
Vật liệu xây dựng làm từ tro, xỉ nhà máy nhiệt điện than là thuật ngữ dùng để
chỉ các loại vật liệu xây dựng có nguồn gốc (hoặc thành phần) từ tro, xỉ của nhà máy nhiệt điện than được sử dụng để tạo nên cơng trình xây dựng.
Theo đó, các vật liệu xây dựng được làm từ tro, xỉ bao gồm clinker xi măng, bê tông, vữa, vật liệu tự chảy, vật liệu cường độ thấp có kiểm sốt; vật liệu đắp kỹ thuật; lớp base và lớp sub-base; vật liệu gia cố đất; bột khoáng; tấm tường và các vật liệu khác. (7) Chất thải: là vật chất được thải ra từ sản xuất, kinh doanh, dịch vụ, sinh hoạt hoặc hoạt động khác [43].
Chất thải rắn công nghiệp là chất thải rắn phát sinh từ hoạt động sản xuất, kinh
doanh, dịch vụ, trong đó bao gồm chất thải rắn nguy hại và chất thải rắn công nghiệp thông thường [8].
(8) Chất thải nguy hại: là chất thải chứa yếu tố độc hại, phóng xạ, lây nhiễm, dễ cháy, dễ nổ, gây ăn mịn, gây ngộ độc hoặc có đặc tính nguy hại khác [43].
Chất thải thơng thường là chất thải không thuộc danh mục chất thải nguy hại
hoặc thuộc danh mục chất thải nguy hại nhưng có yếu tố nguy hại dưới ngưỡng chất thải nguy hại [8].
(9) Phế liệu là vật liệu được thu hồi, phân loại, lựa chọn từ những vật liệu, sản phẩm đã bị loại bỏ từ quá trình sản xuất hoặc tiêu dùng để sử dụng làm nguyên liệu cho một quá trình sản xuất khác [43].
(10) Quản lý chất thải là q trình phịng ngừa, giảm thiểu, giám sát, phân loại, thu gom, vận chuyển, tái sử dụng, tái chế và xử lý chất thải [43].
(11) Tái sử dụng chất thải là việc sử dụng lại chất thải một cách trực tiếp hoặc sau khi sơ chế mà khơng làm thay đổi tính chất của chất thải [8].
(12) Tái chế chất thải là quá trình sử dụng các giải pháp công nghệ, kỹ thuật để thu lại các thành phần có giá trị từ chất thải [8].
(13) Xử lý chất thải là quá trình sử dụng các giải pháp công nghệ, kỹ thuật (khác với sơ chế) để làm giảm, loại bỏ, cô lập, cách ly, thiêu đốt, tiêu hủy, chôn lấp chất thải và các yếu tố có hại trong chất thải [8].
2.1.3. Cơng nghệ đốt than và tính chất tro, xỉ của nhà máy nhiệt điện than
2.1.3.1. Công nghệ đốt than sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện than và sự phát thải tro, xỉ
nhiệt than đã được trình bày trong Hình 1.1. Khi bột than được đốt trong lị hơi, một phần lớn (khoảng 80%-90%) của các vật liệu khơng cháy và tro bị cuốn vào khí thải và bay từ lị hơi tới hệ thống hút bụi, ví dụ như các thiết bị lọc hay túi lọc. Các hạt nhẹ hơn được giữ lại trong các thiết bị lọc, túi lọc, và trả về dưới dạng tro bay. Phần còn lại ở đáy nồi hơi được gọi là tro đáy (hay xỉ). Xỉ được thu gom tại đáy buồng đốt vào các phễu, sau đó sử dụng hai phương pháp thải bỏ thông thường trong các nhà máy nhiệt điện (hai phương pháp là khô và ướt). Tro, xỉ khô dễ tái chế hơn so với tro, xỉ ướt và từ đó có thể giảm được chi phí tái chế.
Hiện nay, các nhà máy nhiệt điện than tại Việt Nam đang sử dụng một trong hai loại công nghệ đốt than: Công nghệ lị đốt than phun – PC và Cơng nghệ lị hơi tầng sơi tuần hồn – CFB.
a. Cơng nghệ đốt than phun PC [67]
Tro, xỉ của NMNĐT công nghệ đốt than phun được hình thành do các quá trình đốt than đã được nghiền mịn ở nhiệt độ cao 1400-16000C, gồm các hạt bị nóng chảy và các hạt than không cháy. Than được nghiền mịn trên máy nghiền sấy liên hợp đến cỡ hạt ≤ 0,09mm chuyển đến các két chứa. Than mịn được hệ thống cấp liệu, định hướng chuyển đến vòi phun than, phun vào lị và bị đốt cháy trong khơng gian của lò hơi. Than cháy để lại tro than, một phần quá nhiệt nóng chảy biến thành xỉ rơi xuống đáy lị được làm lạnh bằng nước, phần lớn tro than mịn theo gió lị vào lọc bụi điện để giữ lại, khí sạch thải ra mơi trường. Thạch cao từ hệ thống khử lưu huỳnh khói thải phát sinh và được thải riêng biệt với tro bay. Sơ đồ công nghệ được thể hiện như Hình 2.3.
Hình 2.3. Sơ đồ cơng nghệ hệ thống đốt than phun và quá trình hình thành tro, xỉ, thạch cao (nguồn: [67])
b. Công nghệ đốt than tầng sơi tuần hồn CFB [67]
Cơng nghệ này sử dụng khi than có chất lượng thấp (nhiệt trị thấp) và hàm lượng lưu huỳnh cao. Than đáp ứng yêu cầu sử dụng được nhập về nhà máy chứa trong các kho có thể đảo trộn hoặc phối trộn các mỏ để đồng nhất. Than được gia công trên máy đập búa đến cỡ hạt <10 mm chứa trong các két có hệ thống cấp và định lượng ở đáy. Đá vơi có chất lượng đạt yêu cầu cũng được gia công đến cỡ hạt <10 mm chứa trong két có hệ thống cấp liệu và định lượng ở đáy. Than và đá vơi được cấp vào lị đốt tầng sơi tuần hồn để sinh nhiệt cấp cho nước hóa thành hơi có áp suất lớn cấp cho tua-bin sinh công, phát điện. Sơ đồ công nghệ được thể hiện tại Hình 2.4.
Hình 2.4. Sơ đồ cơng nghệ hệ thống đốt than tầng sôi (nguồn: [67])
Than cháy sinh nhiệt, cùng đá vôi được tuần hồn trong buồng đốt phản ứng với khí SO2 của khói là chuyển thành CaSO4. Khói lị cùng tro mịn thu vào lọc bụi tĩnh điện thu được tro bay, khí sạch thải ra mơi trường theo ống khói. Các hạt tro than to và đá vôi đã hoặc chưa phản ứng hết rơi xuống đáy lị ra ngồi thành tro đáy (xỉ). Đối với các nhà máy sử dụng công nghệ CFB, thạch cao luôn luôn được thải ra lẫn lộn cùng với tro bay. Việc thải lẫn tro bay và thạch cao của các nhà máy dùng công nghệ CFB dẫn đến khó phân tách thạch cao ra khỏi tro bay dẫn tới khó khăn trong q trình sử dụng làm nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng.
c. Công nghệ đốt than của các nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam hiện nay
Công nghệ của các nhà máy nhiệt điện than ở Việt Nam hiện có 2 loại là lị tầng sơi tuần hồn và lị than phun, trong đó có 16 nhà máy sử dụng công nghệ PC và 9 nhà máy sử dung công nghệ CFB (xem Bảng 2.1).
Bảng 2.1. Thống kê các NMNĐT sử dụng công nghệ đốt than tại Việt Nam (nguồn: [11]) STT Tên nhà máy Công suất (MW) Năm vận hành thương mại
Chủ đầu tư Công nghệ
I Miền Bắc
1 Mông Dương II (BOT) 1240 2015 AES (Mỹ) PC
2 Quảng Ninh I, II 1200 2011, 2014 EVN PC
3 Phả Lại I, II 1040 1986, 2003 EVN PC 4 Ninh Bình 100 1976 EVN PC 5 Thái Bình 600 2018 EVN PC 6 ng Bí mở rộng I, II 630 2009, 2013 EVN PC 7 Hải Phòng I, II 1200 2011, 2014 EVN PC 8 Cẩm Phả I, II 660 2010, 2011 TKV CFB 9 Mạo Khê 440 2012, 2013 TKV CFB 10 Na Dương I 110 2005 TKV CFB
11 Mông Dương I 1080 2016 EVN CFB
12 Cao Ngạn 100 2007 TKV CFB 13 Sơn Động 220 2011 TKV CFB 14 An Khánh I 110 2014 C.T.C.P.N.Đ. An Khánh CFB 15 Thăng Long 600 (300) 2018 CTCPNĐ Thăng Long CFB II Miền Trung 1 Nông Sơn 30 2015 TKV CFB
2 Nghi Sơn I 600 2014, 2015 EVN PC
3 Vũng Áng I 1200 2015 PVN PC
4 Vĩnh Tân II 1244 2015, 2017 EVN PC
STT Tên nhà máy Công suất (MW) Năm vận hành thương mại
Chủ đầu tư Công nghệ
6 Vĩnh Tân 1 (BOT) 1200 2018 CSG PC
7 Formosa Hà Tĩnh 300 2016 Formosa PC
III Miền Nam
1 Formosa Đồng Nai 450 2004, 2011,
2016 Formosa PC
2 Duyên Hải I 1200 2016 EVN PC
3 Duyên Hải III 1245 2016, 2017 EVN PC
Đến hết năm 2019, có 9/25 nhà máy với tổng cơng suất khoảng 3300MW sử dụng lị tầng sơi tuần hồn. Hiệu suất của các nhà máy này trong dải 30% - 41%. Lị CFB có khả năng làm việc ở mức tải thấp, với mức tải trên 50% sẽ không phải đốt kèm dầu. Tuy nhiên loại cơng nghệ này mới có kinh nghiệm sản xuất với cơng suất tổ máy dưới 600MW, chi phí đầu tư và bảo dưỡng cao.
Cơng nghệ lị hơi đốt than phun được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam với tổng công suất các nhà máy hiện lên tới hơn 16GW. Hiệu suất đốt than antraxit trong các lò PC của Việt Nam thấp hơn hiệu suất đốt than Bitum trong lò PC của các nước khác trên thế giới. Do than Antraxit Việt Nam là loại có hàm lượng chất bốc thấp, khó bắt cháy và khó cháy kiệt, loại than này hiện phần lớn được sử dụng trong các lị hơi có thơng số dưới tới hạn. Cơng nghệ lị PC hiện có cơng suất tổ máy cao, lên tới 1000MW. Nhiên liệu địi hỏi phải có chất lượng giới hạn trong khoảng nhỏ, có hàm lượng lưu huỳnh thấp, chất lượng than tốt. Khi làm việc ở mức tải thấp hơn 65-70% phải đốt kèm dầu. Lị PC có chi phí bảo dưỡng thấp, tuy vậy việc phải bổ sung các thiết bị khử NOx và SO2 làm tăng chi phí đầu tư của nhà máy [67].
2.1.3.2. Công nghệ xử lý tro, xỉ tại Việt Nam hiện nay
Hầu hết công nghệ sử dụng để xử lý tro, xỉ đều do các đơn vị trong nước tự nghiên cứu, chế tạo, quy mô nhỏ, mức độ hiện đại chưa cao, số lượng các nhà đầu tư xử lý cịn ít, hiệu quả của việc đầu tư xử lý chưa rõ. Việc thụ hưởng các chính sách ưu đãi của Nhà nước đối với các nhà đầu tư tái chế cịn có nhiều khó khăn vướng mắc.
+ Xỉ đáy của công nghệ đốt PC hiện nay đang được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau mà không cần qua xử lý.
+ Xỉ đáy của công nghệ CFBC: Đối với các nhà máy khơng khử lưu huỳnh thì xỉ đáy được sử dụng tương tự như xỉ đáy công nghệ đốt PC. Đối với các nhà máy có khử lưu huỳnh tại buồng đốt thì cần phải xử lý xỉ đáy trước khi sử dụng. Viện Vật liệu xây dựng đã nghiên cứu và hướng dẫn công nghệ xử lý cho NMNĐ Cao Ngạn (Thái Nguyên). Theo công nghệ này, xỉ được ủ với nước theo một quy trình xác định. Cơng nghệ này có ưu điểm đơn giản, chi phí đầu tư thấp.
- Đối với tro bay:
+ Tro bay của công nghệ đốt PC:
Đối với tro bay của công nghệ đốt than phun, vấn đề cần phải xử lý là làm giảm hàm lượng MKN (Cacbon chưa cháy) trong tro bay. Hiện nay có 2 phương pháp tuyển tro bay là tuyển ướt và tuyển khô.
* Phương pháp tuyển ướt: Phương pháp này dùng nước và thuốc tuyển để tách lượng than chưa cháy ra khỏi tro. Công nghệ này đơn giản, mức đầu tư không cao, tuy nhiên sử dụng công nghệ tuyển này, tro bay phải qua công đoạn sấy tiêu tốn năng lượng làm tăng giá thành, hoạt tính tro bay bị giảm do bị ngâm trong nước và phát sinh nước thải sau khi tuyển. Hiện nay công nghệ này đang được sử dụng tại Công ty Cổ phần Sông Đà Cao Cường, Công Ty TNHH Vina Fly Ash and Cement và một số đơn vị khác [67].
* Phương pháp tuyển khô: Ưu điểm của cơng nghệ này là có thể thu được tro bay có hàm lượng MKN < 4%, tro bay được tuyển khô, tro không bị giảm hoạt tính do khơng bị ngâm trong nước, không phát sinh nước thải. Tuy nhiên vốn đầu tư dây chuyền tuyển theo công nghệ này cao. Đã có một số hãng cơng nghệ nước ngồi giới thiệu cơng nghệ tuyển khô tại Việt Nam nhưng hiện tại chưa có đơn vị nào đầu tư [67].
+ Tro bay của công nghệ đốt than CFBC:
Tro bay đốt than tầng sơi có hàm lượng SO3, CaOtd và Cacbon chưa cháy (MKN) lớn rất khó xử lý đảm bảo yêu cầu làm phụ gia xi măng và bê tơng.
2.1.3.3. Tính chất của tro, xỉ nhà máy nhiệt điện than Việt Nam
Tính chất của tro, xỉ NMNĐT chủ yếu phụ thuộc vào tính chất nguồn than đốt và cơng nghệ đốt than. Theo Quy hoạch điện VII thì đến năm 2020 và 2030 thì cơng nghệ đốt than tầng sơi nước ta chỉ chiếm khoảng 10% tổng công suất NMNĐ than. Do đặc điểm công nghệ khác nhau, nên tro, xỉ các NMNĐ theo hai loại công nghệ đốt than này cũng rất khác nhau.
Đối với nguồn than cho NMNĐT tại Việt Nam, hiện tại các NMNĐT chủ yếu sử dụng nguồn than nội địa. Than nội địa có thể phân chia thành 3 nguồn chính: (1) than antraxit khu vực Quảng Ninh; (2) than bán antraxit khu vực Thái Nguyên; và (3) than lignite khu vực Na Dương - Lạng Sơn [34].
Tro, xỉ của NMNĐ công nghệ đốt than phun được hình thành do các quá trình
đốt than đã được nghiền mịn ở nhiệt độ cao 1400-1500oC do vậy tro, xỉ thu được gồm các hạt bị nóng chảy và các hạt than khơng cháy. Các NMNĐT sử dụng dụng công nghệ PC tại Việt Nam hiện nay hầu hết sử dụng than khu vực Quảng Ninh (trừ hai NMNĐ Formosa). Qua kết quả nghiên cứu của Viện Vật liệu xây dựng [67], tro bay NMNĐ đốt than phun sử dụng than khu vực Quảng Ninh có các đặc điểm sau:
- Tổng hàm lượng các oxit chính (SiO2+Al2O3+Fe2O3) lớn ~ 90% (thành phần khơng tính lượng MKN);