1.2. Vai trò nhiệt điện đốt than ở Việt Nam và ý nghĩa việc nâng cao hiệu suất
1.2.4. Nghiên cứu nâng cao hiệu suất lò hơi nhà máy nhiệt điện thông qua việc tối ưu hóa đốt than trộn
Đối với nhà máy nhiệt điện hiệu suất bị chịu tác động chủ yếu từ các bộ phận: Lò hơi, các bộ trao đổi nhiệt, tổn thất các đường hơi, turbine, bình ngưng,… Hiện nay hiệu suất các bộ phận đa số đều đã được tối ưu hóa rất tốt, tuy nhiên bộ phận lò hơi có thể tiếp tục tối ưu hóa cho nhu cầu hiện tại.
Các phương án thiết kế lò hoặc đã tối ưu, hoặc có chi phí đầu tư quá lớn đề điều chỉnh hoặc xây mới, thời gian đáp ứng chậm so với nhu cầu hiện tại.
Đồng thời hiện nay nguồn tài nguyên đang bị cạn kiệt dần, lượng tài nguyên đặc biệt là than đang xấu dần, để sử dụng những tài nguyên xấu này phương án đốt than trộn là phương án rất tiềm năng được trong và ngoài nước đầu tư nghiên cứu vì tính đáp ứng nhanh, có thể sử dụng tài nguyên xấu và đặc biệt có thể sản xuất điện trên sở các nhà máy cũ, đã được thiết kế trước và xây dựng trước đó và có kết quả khả quan.
Một trong những giải pháp đốt hiệu quả than chất lượng thấp, hàm lượng tro cao là áp dụng công nghệ lò hơi lớp sôi tuần hoàn (CFB). Tuy vậy, lò hơi than phun vẫn là công nghệ đốt chủ đạo vì nó có nhiều ưu điểm như công suất lớn, hiệu suất cao phù hợp với các loại than ít lưu huỳnh. Trong khi đó lò hơi
8
tầng sôi tuần hoàn vẫn còn hạn chế về mặt công suất.
Tại Việt Nam, do hàm lượng chất bốc trong than Antraxit thấp, khó đốt cháy, cho nên tỉ lệ các bon chưa cháy hết trong tro bay tại các lò hơi đốt theo công nghệ than phun vẫn ở mức cao, đôi khi hàm lượng lên đến 18%, gây lãng phí lớn nguồn tài nguyên than.
1.2.4.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước [4]
Để đốt hiệu quả than Antraxit có chất bốc thấp, độ tro cao, một trong những phương án mà các nhà chế tạo lò hơi lớn trên thế giới (như ở Nhật có Mitsubishi, IHI, Idemitsu, Marubeni; ở Mỹ có Foster Wheeler; ở Trung Quốc…) lựa chọn là trộn than Antraxit với than Bitum hoặc á Bitum có chất bốc cao hơn, độ tro thấp hơn, để đốt trong các lò hơi của nhà máy nhiệt điện. Điển hình là nhà máy điện Hanfeng của Trung Quốc, vận hành từ năm 2000, có 2 tổ máy, công suất 660 MW, đốt than Antraxit mỏ Wannian trộn với than Bitum có chất bốc cao của tỉnh Shanxi.
Tây Ban Nha là nước có nhiều than Antraxit, với các đặc tính than (nhất là độ ẩm, chất bốc và độ tro) tương tự than Antraxit Việt Nam. Vì vậy kinh nghiệm đốt than của các nhà máy điện Tây Ban Nha là rất đáng chú ý. Một trong các kinh nghiệm đó là trộn than Antraxit với than Bitum. Điển hình nhất là việc nhà máy điện Compostilla trước năm 1992 chỉ đốt than Antraxit, nhưng do chất lượng nhiên liệu suy giảm và các khó khăn trong tối ưu quá trình cháy nên nhà máy đã nhập khẩu than Bitum của Nam Phi về trộn với than Antraxit trong nước để đốt. Cũng tại Tây Ban Nha một điều đáng chú ý là lò hơi của nhà máy điện Puente Nuevo sử dụng hai loại vòi đốt riêng biệt. Các vòi đốt bố trí tại vai lò, phun than xuống dưới chỉ dùng để đốt than Antraxit. Các vòi đốt than Bitum là các vòi đốt nằm ngang, được bố trí ở các tường trước và sau.
Trong vận hành cả hai loại vòi cùng đồng thời được sử dụng. Gần đây hãng IHI (Nhật Bản) theo chương trình đốt than trộn được Bộ METI (Nhật Bản) tài trợ thông qua tổ chức NEDO và JCOAL đã và đang nghiên cứu, thí nghiệm đốt than
9
trộn Antraxit của Việt Nam và than nhập khẩu nhắm tới đối tượng phục vụ là các nhà máy điện đốt than cỡ lớn tại Việt Nam trong tương lai sử dụng công nghệ siêu tới hạn/ trên siêu tới hạn của Nhật Bản. Đã tiến hành nghiên cứu phân tích than trộn giữa than Antraxit Việt Nam (cám 5A Hòn Gai) và than nhập khẩu (á Bitum Indonesia) và đốt thử nghiệm hai giai đoạn: Giai đoạn 1 ở quy mô nhỏ trong lò làm mát bằng nước hình trụ kiểu đứng, công suất 1,2MW với 1 vòi đốt 150 kg/h (than Bitum); Giai đoạn 2 đã đốt thử nghiệm trong lò làm mát bằng nước kiểu đứng, công suất 12MW, dùng 2 loại vòi đốt, gồm vòi đốt cho than chất bốc thấp và vòi đốt IHI-DF, công suất 1600 kg/h cho than Bitum. Theo chương trình của JCOAL, tháng 12 năm 2012, Phòng Nghiên cứu, thí nghiệm than và môi trường của Công ty Idemitsu (Nhật Bản) đã có báo cáo kết quả mô phỏng trên máy tính quá trình cháy than trộn Antraxit của Việt Nam và than á Bitum của Indonesia cho lò hơi hiện có của Phả Lại 2 và lò đang lắp đặt tại Vũng Áng 1. Theo đó, việc trộn than chất bốc cao á Bitum của Indonesia với than Antraxit Việt Nam sẽ cải thiện độ ổn định cháy của than và làm tăng hiệu suất của lò hơi. Tuy nhiên, tỉ lệ trộn theo khuyến cáo cần lựa chọn trên cơ sở tính toán đảm bảo các yếu tố: độ ổn định ngọn lửa, khả năng đóng xỉ, nguy cơ nổ hỗn hợp than trong máy nghiền, nguy cơ làm hỏng các vòi phun than...
Tuy nhiên việc nghiên cứu đốt than trộn giữa than Antraxit Việt Nam với than Bitum Úc, á Bitum Indonesia của Nhật vẫn chỉ là nghiên cứu trên mô hình vật lý, ngoài ra việc nghiên cứu này cò hạn chế đối với các loại than nhiều chất bốc.
Một số ứng dụng hạn chế ở việc dùng chủ yếu than nhiều chất bốc và chỉ tỉ lệ nhỏ (xấp xỉ 15%) than Antraxit. Chưa có nghiên cứu trộn than cám 6a, 6b hay cám 7a của Việt Nam với các loại than có hàm lượng chất bốc thấp (Anthracite nhập khẩu).
Nghiên cứu sử dụng công nghệ lò hơi hiện có với các loại than anthraxcite nhập có tính tương thích khá cao, ngoài ra loại than nhập này thông thường có nhiệt trị cao hơn nhiều so với các loại than Bitum.
1.2.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Các nghiên cứu về cháy than trong nước hiện nay còn khá hạn chế, chủ yếu 10
là hiệu chỉnh các lò hơi đã xây dựng theo kinh nghiệm. Về cơ bản chưa có đơn vị nào nghiên cứu một cách bài bản từ khâu nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, mô hình tương tự thu nhỏ, rồi đưa ra áp dụng vào các nhà máy nhiệt điện thực tế. Toàn bộ các công nghệ lò hơi được áp dụng ở Viện Nam là do các hãng chế tạo nước ngoài nghiên cứu và xây dựng, nên rất hạn chế việc thay đổi nhiên liệu hay hiệu chỉnh hàng năm sau khi sửa chữa bảo dưỡng. Chỉ có ít hợp tác nghiên cứu cải tiến, năm 2007-2008, Viện Năng lượng Bộ Công Thương đã chủ trì thực hiện đề tài
“Nghiên cứu sử dụng than cám chất lượng thấp trộn với than nhập khẩu của các nước trong khu vực cho các lò hơi nhà máy nhiệt điện Việt Nam" có hợp tác với hãng MHI Nhật Bản. Đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ cấp Bộ do KS Nguyễn Tuấn Nghiêm làm chủ nhiệm. Đã nghiên cứu một số nội dung cơ bản sau đây:
- Các xu hướng bám xỉ, đóng xỉ tro bay trên bề mặt dàn ống trao đổi nhiệt.
- Đặc tính nóng chảy của than - Xu hướng đóng xỉ buồng đốt.
- Ảnh hưởng cỡ hạt và nồng độ Ô xy tới chế độ cháy.
- Hệ thống nghiền và hệ thống trộn than trong nhà máy điện.
- Tính toán kĩ thuật - kinh tế - môi trường sơ bộ.
Nghiên cứu trên vẫn là vấn đề cải tạo lại vòi phun, trộn than nhiều chất bốc.
Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu mới dừng lại trong điều kiện của phòng thí nghiệm và còn sơ bộ, ở dạng suy luận vì không đủ các số liệu đo đạc, phân tích và minh chứng nên chưa đủ cơ sở lý luận cũng như thực tiễn để đưa vào áp dụng trong sản xuất. Mặt khác kích thước mô hình quá bé, than đem đốt thí nghiệm trong mô hình có khối lượng quá ít (ít hơn nhiều so với lượng than đốt trong các mô hình thí nghiệm của IHI và của Idemitsu của Nhật), không xét gì đến ảnh hưởng của cỡ hạt than. Ngoài ra còn rất nhiều ảnh hưởng khác đến chế độ đốt cháy dòng than chưa được kể đến [8].
Cụ thể như sau:
11
- Ảnh hưởng của các chế độ vận hành của hệ thống nghiền than trộn (tỉ lệ phối trộn, nhiệt độ khí nóng để tải bột than, thời gian nghiền than,...) đến chất lượng than nghiền tại đầu ra thùng nghiền (trong trường hợp sử dụng thùng nghiền chung) và khả năng chống cháy nổ trong hệ thống nghiền than;
- Ảnh hưởng của các thông số vận hành của buồng đốt lò hơi khi đốt than trộn (tỉ lệ phối trộn, hệ số không khí thừa, nhiệt độ cháy, cấu trúc buồng đốt, kiểu bố trí vòi phun, kích thước hạt than đốt,...) đến đặc tính vận hành của lò hơi (phân bố tốc độ hạt và nhiệt độ dọc theo chiều cao buồng đốt, thành phần phát thải CO, CO2, NOx, SOx,...);
- Ảnh hưởng của các thông số vận hành của quá trình cháy than trộn (tỉ lệ phối trộn, thời gian cháy của than bột) đến đặc tính nóng chảy của xỉ trong buồng đốt lò hơi (nhiệt độ nóng chảy t1, t2, t3 của xỉ; thành phần xỉ, thành phần chuyển pha xỉ, độ nhớt của xỉ, …);
Việc trộn các loại than có chất lượng tốt với than xấu hơn của cùng một mỏ than hay của các mỏ khác nhau cũng đã từng được thực hiện ở nhiều NMNĐ ở Việt Nam. Như NMNĐ Phả Lại II đã trộn than của 4 mỏ khác nhau (Vàng Danh, Hòn Gai, Cẩm Phả, Mạo Khê) để có mẫu than dùng cho nhà máy, NMNĐ Quảng Ninh đã phối trộn than cám 5 + 6B để có than cám 6A dùng cho nhà máy.
Tuy nhiên, việc phối trộn này vẫn chỉ là sự phối trộn của cùng một chủng loại than (Antraxit), nghĩa là về chất bốc gần như không thay đổi bao nhiêu nên rất ít ảnh hưởng đến việc tổ chức quá trình cháy, chủ yếu là để bảo đảm nhiệt trị của than sử dụng, theo hương than sử dụng không quá xấu về nhiệt trị, không quá nhiều tro.
Trong thời gian gần đây (năm 2012), một số NMNĐ dùng lò hơi lớp sôi (CFB) đã đốt than Na Dương (chất bốc cao) trước khi đốt than Antraxit (chất lượng xấu và rất xấu) trong quá trình khởi động lò hơi nhằm giảm thiểu nguy cơ đóng xỉ lò hơi, giảm thời gian khởi động lò hơi từ trạng thái lạnh. Do dùng than Na Dương để hỗ trợ khởi động lò nên đã tiết kiệm được hàng chục tấn dầu FO cho mỗi lần khởi động. Hàng năm tiết kiệm được hàng tỉ đồng so với khởi động thông
12
thường. Tổng Công ty Điện lực Vinacomin đã và đang khuyến khích các nhà máy điện trực thuộc áp dụng phương pháp khởi động phối hợp này.
Tuy nhiên, giải pháp này mới chỉ dừng lại ở việc sử dụng than dễ cháy phối hợp với dầu FO để giảm lượng dầu tiêu thụ trong quá trình khởi động lò hơi, chưa nghiên cứu vấn đề đốt hỗn hợp than khó cháy với than dễ cháy nhằm nâng cao hiệu quả vận hành lò hơi CFB, đặc biệt là khi đốt than rất xấu ở phụ tải thấp, mặt khác cũng chưa có các nghiên cứu và thí nghiệm, đo đạc, phân tích để có những đánh giá đầy đủ về khoa học, về kinh tế, nhằm tiến tới việc xác định tỉ lệ các loại than phối trộn tối ưu, việc xây dựng quy trình trộn và đốt than trộn, phương pháp thí nghiệm và tính kết quả thí nghiệm đốt than trộn. Trên cơ sở đó xây dựng phương pháp chỉ dẫn kĩ thuật để áp dụng chung cho các lò CFB.