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
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 lò hơi, một phần lớn (khoảng 80%-90%) của các vật liệu không 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 thơng 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 cơng nghệ đốt than: Cơng nghệ lị đốt than phun – PC và Cơng nghệ lị hơi tầng sơi tuần hồn – CFB.
a. Công nghệ đốt than phun PC [67]
Tro, xỉ của NMNĐT cơng 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 khơng 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 lò và bị đốt cháy trong khơng gian của lị hơi. Than cháy để lại tro than, một phần quá nhiệt nóng chảy biến thành xỉ rơi xuống đáy lò 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]
Công 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 cơng đến cỡ hạt <10 mm chứa trong két có hệ thống cấp liệu và định lượng ở đáy. Than và đá vôi 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 cơng 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 vơi 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 cơng 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 cơng 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%. Lò 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 đòi 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 khơng 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 cơng 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, khơng phát sinh nước thải. Tuy nhiên vốn đầu tư dây chuyền tuyển theo cơng nghệ này cao. Đã có một số hãng cơng nghệ nước ngồi giới thiệu công nghệ tuyển khơ 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 sôi 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 cơng 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);
- Hàm lượng SO3, CaO tự do trong các mẫu tro bay đều thấp, nhưng hàm lượng kiềm quy đổi (Na2Otđ) tương đối cao, trong khoảng (2-4)%.
- Tro bay của các NMNĐT có hàm lượng MKN cao, dao động trong khoảng (5- 30)%, tùy thuộc vào mỗi nhà máy. Có thể thấy, chỉ tiêu này của tro bay Việt Nam có khoảng dao động lớn và phổ biến ở mức cao hơn so với mức cho phép để sử đụng cho xi măng, bê tơng. Đây là tính chất bất lợi làm hạn chế rất lớn đến việc sử dụng tro bay trong thực tế tại Việt Nam trong thời gian vừa qua. Lý do chủ yếu làm hàm lượng MKN trong tro cao là do than khu vực Quảng Ninh là loại than antraxit có hàm lượng chất bốc thấp (4-8)%, khó cháy, hàm lượng tro cao nên các NMNĐ hiện nay đang khó khăn trong việc đốt triệt để với loại than này.
- Các hạt tro bay hình cầu, ít lỗ xốp, xen lẫn là các hạt than chưa cháy hết xốp, góc cạnh;
- Các tính chất kỹ thuật phù hợp với tro bay loại F theo TCVN 10302:2014 và ASTM C618 trừ chỉ tiêu hàm lượng MKN của một số NMNĐ cao quá mức quy định. Bảng 2.2 thể hiện tính chất tro bay điển hình của NMNĐ đốt than phun sử dụng than khu vực Quảng Ninh tại Việt Nam. Hình 2.5 thể hiện hình dạng hạt tro bay điển hình của NMNĐ đốt than phun tại việt Nam.
Hình 2.5. Hình dạng hạt tro bay điển hình của NMNĐT cơng nghệ PC (nguồn [34]) Bảng 2.2. Tính chất của tro bay điển hình của NMNĐT cơng nghệ PC (nguồn [34])
TT Tên chỉ tiêu Đơn vị
Kết quả Phả Lại
2 ngBí QuảngNinh PhịngHải
1 Tổng hàm lượng các ôxit(SiO2, Al2O3, Fe2O3) % 71,26 87,23 85,23 77,81
2 Hàm lượng SO3 % 0,06 0,58 0,29 0,12
3 Hàm lượng Cao tự do % <0,008 <0,008 <0,008 <0,008
4 Hàm lượng kiềm NaO2tđ % 2,39 2,49 2,45 3,37
5 Độ ẩm % 1,2 0,8 - -
6 Hàm lượng MKN % 15-25 5,47 6,65 13,68
7 Khối lượng riêng g/cm3 2,22 2.35 2,28 2,23
8 Độ mịn trên sàng 45m % 23,3 17,6 23,20 15,10 9 Tỷ diện Blaine cm2/g - 3480 - - 10 Chỉ số hoạt tính cường độ - Ở tuổi 7 ngày - Ở tuổi 28 ngày % 80,1 85,3 79,2 86,4 - -
TT Tên chỉ tiêu Đơn vị Kết quả Phả Lại 2 ng Bí Quảng Ninh Hải Phịng
11 Lượng nước yêu cầu % 96 96 95 95
12 Độ nở Autoclave % 0,028 0,042 - - 13 Hàm lượng khoáng: - Quarzt: SiO2 - Mulite: Al6Si2O13 - Hemalite: Fe2O3 - Pha vơ định hình Có Có Có Có ~8 ~13 ~7 ~72 Có Có Có Có ~7 ~1,6 - ~91 Có Có Có Có
Tro, xỉ của NMNĐ theo công nghệ đốt than tầng sôi được hình thành do quá
trình đốt than đã được nghiền ở nhiệt độ khoảng 800-900oC. Các hạt tro bay thu được là thành phần trong than khơng cháy hoặc chưa cháy. Hình 2.6 thể hiện hình dạng hạt tro bay điển hình của NMNĐ cơng nghệ đốt than tầng sơi tại Việt Nam.
Hình 2.6. Hình dạng hạt tro bay điển hình của NMNĐT CFB (nguồn [34])
Qua nghiên cứu đánh giá của Viện Vật liệu xây dựng [67], có thể thấy tính chất của tro bay FBC chủ yếu phụ thuộc vào loại than đốt. Bảng 2.3 thể hiện tính chất tro bay điển hình của NMNĐ đốt than tầng sôi tại Việt Nam. Tro, xỉ FBC tại Việt Nam có thể chia thành ba nhóm với các đặc tính như sau:
- Các mẫu tro bay FBC của NMNĐ sử dụng nguồn than khu vực Quảng Ninh là Cẩm Phả, Mạo Khê, Sơn động: có tính chất tương đương nhau cơ bản phù hợp với yêu cầu của tro bay loại F theo TCVN 10302:2014 ngoại trừ chỉ tiêu lượng nước yêu cầu lớn hơn mức cho phép;
- Tro bay FBC của NMNĐ sử dụng than khu vực Thái Ngun: có hàm lượng canxi oxít (CaO) lớn hơn 10%; tổng hàm lượng oxyt (SiO2+Al2O3+Fe2O3) thấp ~ 45% (tính cả lượng MKN) hoặc ~ 61% (nếu loại bỏ lượng MKN); hàm lượng MKN, hàm lượng SO3, hàm lượng vôi tự do cao hơn mức cho phép đối với tro bay cho bê tông;
- Tro bay FBC của NMNĐ sử dụng than Na Dương - Lạng Sơn: có hàm lượng Cao lớn hơn 10%, tổng hàm lượng oxyt (SiO2+Al2O3+Fe2O3) ở mức trung bình ~ 66%, hàm lượng SO3, hàm lượng vôi tự do cao hơn mức cho phép đối với tro bay cho bê tơng; Tro bay NMNĐ Na dương có thành phần gần với tro bay loại C theo TCVN 10302:2014 nhưng các chỉ tiêu SO3 và MKN cao hơn mức cho phép của tiêu chuẩn này.
Bảng 2.3. Tính chất của tro bay điển hình của NMNĐT CFB tại Việt Nam (nguồn [34])
TT Tên chỉ tiêu Đơnvị
Kết quả Mạo Khê Sơn Động Cao Ngạn Na Dương 1 Tổng hàm lượng các ôxit
SiO2, Al2O3, Fe2O3 % 84,29 85,66 45,77 66,12
2 Hàm lượng SO3 % 0,66 1,06 10,44 8,26
3 Hàm lượng Cao tự do % <0,02 <0,02 1,8-2,0 2,0
4 Hàm lượng kiềm NaO2tđ % 2,80 1,53 0,81 2,22
5 Độ ẩm % - - 0,3 0,1