Công nghệ than sạch – Hiện trạng và triển vọng

Bảng 1. Tỷ lệ sản xuất điện năng từ than của một vài quốc gia điển hình

* Gồm Áo, Bỉ, Đan Mạch, Phần Lan, Pháp, Đức, Hy Lạp, Bồ Đào Nha, Ai-len, Ý, Lúc-xăm-bua, Hà Lan, Tây Ban Nha, Thụy Điển và Anh

Tỷ lệ điện năng sản xuất từ than của một vài quốc gia điển hình (xem bảng 1) cho thấy than là nguồn chủ yếu trong hệ thống năng lượng thế giới và kinh tế toàn cầu.

Với nguồn dự trữ lớn và chí phí nhiên liệu thấp, than vẫn sẽ tiếp tục giữ vai trò trong công cuộc tăng trưởng kinh tế và phát triển xã hội. Nhưng đồng thời, những thách thức của việc sử dụng than đối với sự phát triển bền vững về mặt môi trường cần phải được kiểm soát: Cần phải giảm đáng kể ảnh hưởng hiệu ứng nhà kính, mưa axít từ việc sử dung than. Công nghiệp than do vậy phải thoả mãn các cam kết này và chỉ có thể đạt được thông qua việc nghiên cứu, triển khai các công nghệ than sạch (CNTS).

Việc phát triển nhanh chóng của CNTS trong thời gian qua cho phép các chủ đầu tư có thể lựa chọn công nghệ phù hợp với các loại than và các tiêu chí môi trường khác nhau tuỳ thuộc vào mức độ phát triển kinh tế khác nhau. Thực tế cho thấy các kỹ thuật thực sự phù hợp với các nước phát triển có thể chưa được ứng dụng hiệu quả đối với các nền kinh tế đang phát triển với hai lý do cơ bản: 1) Công nghệ mới đắt đỏ và phức tạp, và 2) Cơ sở hạ tầng hiện tại ở các nước đang phát triển có yếu kém.

Hiệu suất của các nhà máy điện tại hầu hết các nước đang phát triển chỉ vào khoảng 30%, so với các nước trong khối hợp tác kinh tế và phát triển (OECD) là 36%. Quá trình chuyển giao công nghệ từ các nước tiên tiến sang các nước đang phát triển do vậy rất cần thiết để đạt được một sự cải thiện đáng kể về hiệu suất sử dụng toàn cầu. Các nhà máy điện dùng than với thông số hơi trên tới hạn (supercritical) có thể đạt được hiệu suất khoảng 43 - 45%. Tại nhiều nước (Mỹ, Nhật bản ,Châu âu, CHLB Nga,Trung quốc), loại hình nhà máy này đã được thương phẩm hoá: Hiệu suất được cải thiện rõ rệt ,việc giảm phát thải do vậy có thể được thực hiện mà không phải gánh chịu thêm các chi phí xã hội đáng kể nào. Gia tăng 1% hiệu suất sẽ có thể giảm khoảng 2% phát thải. Nâng cấp hoặc thay thế các nhà máy cũ cho phép giảm đáng kể CO 2từ 10 – 25% tuỳ thuộc vào điều kiện cụ thể. Lộ trình ứng dung CNTS có thể được thực hiện một cách bền vững theo 3 giai đoạn dưới đây.

Giai đoạn1: Cải thiện đặc tính môi trường của các nhà máy dùng than hiện tại

Việc sản xuất điện năng tại các nhà máy điện đốt than hiện nay chủ yếu dựa vào công nghệ đốt than phun (TP). Một loạt công nghệ đã được nhận dạng để cải thiện đặc tính môi trường của các nhà máy đốt than như sau.

Công nghệ làm sạch than: Công nghệ làm sạch than có thể làm giảm hàm lượng xỉ trong than đến 50%, giảm phát thải SO 2, cải thiện hiệu suất nhiệt của nhà máy và do vậy giảm phát thải CO 2.Đối với các nước phát triển, công nghệ làm sạch than đã được ứng dụng rộng rãi như là một biện pháp chi phí để cải thiện đặc tính môi trường của việc sử dụng than. Hiện tại, chỉ có khoảmg 11% khối lượng than sử dụng ở Trung Quốc được làm sạch trước khi sử dụng. Nếu gia tăng khối lượng than được làm sạch, tiềm năng nâng cao hiệu suất nhiệt của các nhà máy ít nhất có thể đạt 2-3%, và trong một vài trường hợp có thể đạt được 4-5%.

Công nghệ xử lý phát thải bụi: Hiện tại có nhiều loại hình công nghệ và thiết bị xử lý phát thải bụi từ các nhà máy điện đốt than: Thiết bị khử bụi kiểu tĩnh điện, túi lọc, hệ thống khử bụi kiểu ướt. Cả hai loại khử bụi tĩnh điện và túi lọc có thể đạt được hiệu suất ở trên 99%. Mặt khác việc nâng cao hiệu suất cháy của than cho phép thu hồi phế thải rắn từ nhà máy điện để sử dụng trong các ngành sản xuất vật liệu xây dựng cũng đang được quan tâm và ứng dụng tại nhiều quốc gia trên thế giới.

Công nghệ giảm pháp thải SOx: Mối quan tâm của toàn cầu về hiện tượng mưa axít đã dẫn đến việc nghiên cứu và phát triển rộng khắp trên thế giới các công nghệ giảm nhẹ SO 2. Công nghệ khử lưu huỳnh trong khói thải (KLH) thường sử dụng vôi hoặc đá vôi để khử SO 2trong khói thải. Hiện tại, đã có 27 quốc gia sử dụng công nghệ KLH. Các hệ thống KLH kiểu ướt có thể đạt được hiệu suất 99%. Chi phí cho hệ thống KLH đã giảm đáng kể, hiện tại chỉ bằng 1/3 giá của KLH vào năm 1970 , nhưng được biểu diễn trong hình 1. Hiên tại ở Mỹ có hơn 400 tổ máy được trang bị hệ thống KLH. Trong giai đoạn 1980 - 2000, sử dụng than tại các nhà máy điện tăng 74%, nhưng phát thải SOx giảm 60%.

Hình 1: Chi phí của các hệ thống KLH ở Mỹ trong giai đoạn 1970-2000

Các dự án về XTLC đã được trình diễn và thương mại hoá ở Mỹ từ năm 1990, dẫn đến việc giảm đáng kể lương phát thải ô nhiễm môi trường. Vòi phun có phát thải NOx thấp đã được sử dụng tại 75% tổng số nhà máy nhiệt điện dùng than ở Mỹ và là một trong những thành tựu quan trọng nhất của công cuộc nghiên cứu và triển khai CNTS tại quốc gia này. Phát thải NOx từ các nhà máy của Mỹ giảm 56% trong khoảng thời gian 1988-2000.

Giai đoạn 2: Hoàn thiện và triển khai kỹ thuật tiên tiến

Một loạt các kỹ thuật tiên tiến đang được nghiên cứu và hoàn thiện tiếp tục giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường và cải thiên hiệu suất các nhà máy điện dùng than.

Hình 2: Thông số hơi và hiệu suất của các nhà máy điện có thông số trên tới hạn

Công nghệ cháy lớp sôi tuần hoàn (LSTH):Công nghệ LSTH trở nên đặc biệt hiệu quả đối với các loại than phẩm cấp thấp, có hàm lượng lưu huỳnh cao, khó nghiền và có đặc tính nhiên liệu thay đổi trong khoảng rộng. Nhà máy điện LSTH có thông số trên tới hạn đầu tiên của thế giới đang được xây dựng tai Lagiza, Ba Lan có công suất 460MW. Vận hành thương phẩm dự kiến sẽ được thực hiện vào năm 2006 với hiệu khoảng 43% cao hơn 7% so với hiệu suất trung bình tại các nhà máy đốt than của các nước OECD.

Thiết kế và vận hành máy điện có thông số trên tới hạn: Các nhà máy điện đốt than phun có thông số hơi trên tới hạn có thể đạt hiệu suất đến 45% và do vậy có thể giảm rõ rệt phát thải CO 2so với các nhà máy vận hành với thông số dưới tới hạn có cùng công suất đầu ra, như được biểu diễn trên hình 2.

Nhà máy điện trên tới hạn đã được thương phẩm hoá tại nhiều nước. Hiện tại có khoảng 400 tổ máy trên tới hạn đang vận hành trên thế giới, kể cả tại các nước đang phát triển. Nhà máy điện đốt than trên tới hạn Thượng Hải có công suất 2 x 600 MW đã được đưa vào vận hành từ những năm đầu 1990. Hiện tại có khoảng 9 nhà máy điện trên tới hạn đang được vận hành ở Trung Quốc, 16 nhà máy đang được xây dựng, và 8 nhà máy đã được xây dựng trong thời gian tới với tổng công suất điện ước tính khoảng 21GW.

Chu trình kết hợp sử dụng kỹ thuật khí hoá (CTKHKH):Trong công nghệ CTKHKH, than phản ứng với ôxy và hơi nước để tạo ra khí tổng hợp (syngas)chủ yếu gồm H 2và CO. Khí tổng hợp được làm sạch và sau đó được đốt trong tuabin khí để sản xuất điện năng và sản xuất hơi cho chu trình hơi. Công nghệ CTKHKH có hiệu suất khoảng 45% và cho phép loại trừ khoảng 95-99% phát thải NOx và SOx. Công nghệ này sẽ tiếp tục được hoàn thiện và hiệu suất có thể đạt đến 56%. Hiện tại trên thế giới có khoảng 160 nhà máy điện sử dụng công nghệ CTKHKH. Công suất điện dự báo của các nhà máy điện sử dụng CNKHKH tại Mỹ đến năn 2020 khoảng 16500MW. Tại Nhật Bản, một dự án trình diễn công nghệ CTKHKH có công suất 250MW đã được Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp đề xướng năm 2001. Một công ty trách nhiệm hữư hạn sản xuất năng lượng theo công nghệ than sạch đã được thiết lập để thực hiện dự án trình diễn công nghệ CTKHKH, dự kiến sẽ hoàn thành vào năm 2009. Nhà máy trình diễn có mức tiêu thụ 1700 tấn than/ngày sẽ đạt hiệu suất khoảng 42%. Cho đến nay, ứng dụng công nghệ CTKHKH để sản suất năng lượng vẫn còn được xem là kém tin cậy hơn so với các kỹ thuật TP và LSTH.

Sử dụng than kết hợp với các nguồn năng lượng tái tạo: Các kỹ thuật năng lượng tái tạo ngày càng khẳng định tầm quan trọng của mình thông qua việc gia tăng tỷ lệ đóng góp trong cân bằng năng lượng trên thế giới. Tuy vậy, còn có rất nhiều rào cản về kỹ thuật và kinh tế đã hạn chế tốc độ phát triển của năng lượng tái tạo. Theo đánh giá của IEA, cho tới năm 2030 công nghệ năng lượng tái tạo sẽ chỉ đóng góp 5% cung cấp điện năng trên thế giới. Một trong những rào cản lớn nhất là bản chất tự nhiên của các nguồn năng lượng tái tạo: không liên tục và phụ thuộc nhiều vào địa điểm khai thác, sử dụng. Năng lượng gió phụ thuộc vào thời tiết và cường độ gió thổi, thậm chí ở những khu vực thuận lợi nhất thì cũng chỉ vận hành khoảng 1/3 thời gian trong năm. Tương tự, năng lượng thuỷ điện phụ thuộc vào điều kiện địa hình và mưa. Cuối cùng rất nhiều loại sinh khối chỉ sẵn có hoặc sản xuất theo mùa và đặc biệt khó khăn trong khâu vận chuyển do khối lượng riêng thấp và kích thước đa dạng.

Việc sử dụng than kết hợp với các kỹ thuật năng lượng tái tạo có thể khắc phục những khó khăn nêu trên, cải thiện rõ rệt hiệu suất sử dụng của kỹ thuật năng lượng tái tạo và có thể là phương thức hiệu quả nhất về góc độ kinh tế để gia tăng việc khai thác và sử dụng năng lượng tái tạo sản xuất điện năng. Hiệu quả kinh tế và hiệu suất của các nguồn nhiên liệu sinh khối có thể được cải thiện thông qua kỹ thuật đốt kèm than (co-firing).Các nhà máy điện đốt than truyền thống nhìn chung có thể sử dụng khoảng 10-20% sinh khối mà không cần có sự thay đổi cơ bản nào về hệ thống đốt nhiên liệu, cho phép giảm rõ rệt phát thải khí nhà kính. Nhà máy điện 300MW được xây dựng ở làng Tha Toom, Tỉnh Prachinburi, Thái Lan là một ví dụ điển hình về công nghệ đốt kèm than dựa vào nguồn sinh khối sẵn có tại địa phương. Nhà máy sử dụng 2 lò hơi TSTH và đốt kèm sinh khối là vỏ cây bạch đàn và trấu, đóng góp khoảng 50% nguồn nhiên liệu cung cấp.

Việc lai ghép các hệ thống sản xuất hơi nước từ kỹ thuật năng lượng mặt trời với chu trình hơi nước của nhà máy điện đốt than có thể được xem là biện pháp hữu hiệu biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng với chi phí thấp nhất và hiệu suất cao hơn so với phương thức biến đổi quang điện (photovoltaics).Ở dải công suất lớn hơn, các nhà máy điện đốt than có thể kết nối với các trạm phong điện hoặc thuỷ điện nhằm giữ ổn định việc sản xuất điện năng khi các nguồn năng lương tái tạo này không sẵn có trong các khoảng thời gian cố định trong năm.

Giai đoạn 3: Nghiên cứu và thương mại hoá các kỹ thuật thế hệ mới.

Các công nghệ được nêu ở giai đoạn 1và 2 cho phép nâng cao hiệu suất năng lượng, giảm thiểu đáng kể CO 2từ các nhà máy điện đốt than trong giai đoạn ngắn hạn và trung hạn. Trong tương lai, sự phát triển của các công nghệ thu hồi và lưu giữ các-bon sẽ không những khả thi về mặt kinh tế và môi trường, mà còn cho phép tạo dựng nền kinh tế hydrô từ nguồn nhiên liệu than của địa cầu.

Kỹ thuật thu hồi CO 2đã được phát triển và ứng dụng từ nhiều năm qua để sản xuất CO 2nguyên chất để sử dụng trong công nghiệp chế biến thực phẩm hoặc công nghệ hoá. Tuy nhiên, cần phải tiếp tục nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới phân tách CO 2từ dòng khí có thể tích lớn và với nồng độ CO 2thấp , như là khói thải từ các nhà máy đốt than phun thông thường. Các công nghệ này được xếp vào loại công nghệ thu hồi sau khi cháy. Một giải pháp nhằm hạ giá thành chi phí phân tách thu hồi CO 2, tạo ra nguồn CO 2đậm đặc và có áp suất được xếp vào công nghệ thu hồi trước khi cháy. Giải pháp này có thể được thực hiện thông qua công nghệ CTKHKH: H 2được tạo ra cùng với CO 2, không có CO. H 2sau đó được đốt cháy trong tua - bin khí và trong tương lai có thể sẽ được sử dụng trong pin nhiên liệu (fuel cell),còn CO ₂sẽ được thu hồi để lưu giữ lâu dài trong lòng đất hoặc sử dụng cho các mục đích khác. Một phương thức khác là đốt cháy than trong môi trường giàu ôxy (oxyfuel combustion) để tạo ra dòng khói hoàn toàn chứa CO 2.

Lưu giữ và sử dụng CO2:Tại Mỹ, việc lưư giữ CO 2trong các giếng dầu và mỏ khí đốt đã khai thác hiện đang được nghiên cứu chi tiết . Khí CO 2được nén, trước khi được đưa vào đường ống để dẫn tới các giếng dầu và mỏ khí đã khai thác ở ngoài khơi. CO2 cũng có thể được bơm vào các giếng dầu để nâng cao khai thác dầu hoặc có thể được bơm vào các mỏ than chưa khai thác nhằm cải thiện việc sản suất mêtan, một phụ phẩm có giá trị trong các mỏ than.

Sản suất và sử dụng hydro từ than:Một giải pháp kỹ thuật đầy hứa hẹn trong tương lai là sử dụng H 2để sản suất điện năng trong các tua - bin khí hoặc trong các pin nhiên liệu. Một trong những rào cản của việc ứng dung pin nhiên liệu là khả năng sẵn có của H 2trong tự nhiên. H 2cần phải được sản suất và năng lượng hoá thạch có thể là nguồn cấp phù hợp nhất. Than có thể được xem là nguồn nhiên liệu sơ cấp quan trọng nhất để sản xuất H 2thông qua kỹ thuật khí hoá. Hiện tại trên thế giới đã có rất nhiều quốc gia bắt đầu thực hiện chương trình sản xuất H 2,trong đó châu Âu, Mỹ, Nhật Bản, Úc đang xem xét than là giải pháp để sản xuất H 2.Uỷ ban châu Âu đã xây dựng 1 dự án với tổng kinh phí 1,3 tỷ Euro để sản xuất H 2từ các nguồn năng lượng hoá thạch gồm có cả than. Tương tự, chương trình Future Gen của Bộ Năng lượng Mỹ đã xây dựng kế hoạch 10 năm để trình diễn kỹ thuật sản xuất H 2từ quá trình khí hoá than. Và như vậy, để trở thành một giải pháp chấp nhận được về mặt môi trường, việc sản xuất và sử dụng H 2từ than cần phải đi liền với việc thu hồi và lưu chứa CO 2.

Tổ hợp pin nhiên liệu với kỹ thuật khí hoá: Một hệ thống lai ghép có tiềm năng lớn là tổ hợp khí hoá pin nhiên liệu. Pin nhiên liệu cho phép biến đổi năng lượng hoá có trong nhiên liệu, ví dụ H ₂, trực tiếp thành điện với hiệu suất cao và gần như không gây ô nhiễm môi trường. Các hệ thống pin nhiên liệu hàng đầu có hiệu suất khoảng 60%. Chúng đồng thời cũng tạo ra nguồn khí thoát có nhiệt độ rất cao, có thể được sử dụng trực tiếp trong chu trình kết hợp hoặc chạy tua- bin khí. Việc sử dụng pin nhiên liệu đã và đang được trình diễn ở dải công suất 2MW tại Úc.

Từ các công nghệ nêu trên, một lần nữa có thể khẳng định việc sử dụng than hoàn toàn không đi ngược lại các tiêu chí bảo vệ môi trường. Trong lĩnh vực than sạch, đã có rất nhiều công nghệ xử lý ô nhiễm được coi là công nghệ đã được chứng minh ( proven technology)và được thuơng phẩm hoá trên diện rộng. Tuy nhiên, lộ trình sử dụng hiệu quả về kinh tế và bền vững về môi trường cần phải được tiếp tục thông qua việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ không phát thải (Zero- Emission Technologies). Nó đòi hỏi phải có sự cố gắng và cam kết của chủ đầu tư, các sáng kiến và hỗ trợ của các tổ chức quốc tế. Với chính sách phù hợp và thiện chí đẩy mạnh việc nhân rộng các công nghệ than sạch hiện tại đồng thời hỗ trợ cho các hoạt động nghiên cứu phát triển các công nghệ than sạch thuộc thế hệ tương lai, viễn cảnh về một hệ thống năng lượng toàn cầu với phát thải cực thấp có thể trở thành hiện thực trong thế kỷ 21 này.

___________

Tài liệu tham khảo

1. “Than sạch - Xây dựng tương lai thông qua phát triển công nghệ”, Viện nghiên cứu than thế giới (WCI, 2004).

2 . “Công nghệ than sạch” và “Nâng cao hiệu suất của các nhà máy điện đốt than tại các nước phát triển”,, Cơ quan năng lượng quốc tế (IEA, 2003).