Hoàn thiện Tuabin khí để giảm thải khí độc vào môi trường

Trong những năm 60 của thế kỷ trước, người ta dùng các hợp kim có chứa niken cho phép tăng đáng kể nhiệt độ đầu vào tuabin. Vào những năm 70 xuất hiện công nghệ làm mát cánh tuabin khí. Vào những năm 80 người ta tiếp tục hoàn thiện các tổ máy và sơ đồ tua bin khí, đã tăng liên tục hiệu suất đặc biệt đối với các thiết bị làm việc ở phần gốc của đồ thị phụ tải. Tới những năm 90 còn tăng hiệu suất hơn nữa, nhưng không do tăng nhiệt độ ở đầu vào, mà bằng cách đốt cháy liên tiếp (tuabin khí có quá nhiệt trung gian)

Ngày nay các mục tiêu cơ bản của hoàn thiện các tuabin khí là :

- Bảo vệ môi trường xung quanh, chủ yếu giảm các khí thải NO _xvà CO ₂;

- Tiết kiệm các nguồn dự trữ bằng cách đạt công suất cực đại với tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất cũng như sử dụng khói lò và các sản phẩm còn lại khác;

- Giảm chi phí đầu tư nhờ tăng hiệu suất ở các tải trọng từng phần và nhờ sử dụng các hệ thống đơn giản nhưng đủ độ tin cậy;

- Bảo đảm độ tin cậy và độ sẵn sàng (sự giảm số lần dừng bắt buộc làm giảm công suất dự trữ cần thiết).

Nhiên liệu cơ bản đối với tuabin khí luôn là khí tự nhiên và nhiên liệu lỏng chuyên dùng cho tua bin khí. Cũng đã thử sử dụng nhiên liệu rắn (trong các sơ đồ có hoá khí bên trong chu trình), nhưng chỉ giới hạn bởi một vài thiết bị mang tính chất trình diễn.

Từ năm 1954 tới năm 2000 người ta đã lắp đặt các tổ máy có tổng công suất 510GW. Trong số chúng gần 80% còn làm việc đến ngày nay. Trong suốt 25 năm đầu, nhiên liệu cơ bản đối với tuabin khí là các dạng khác nhau của nhiên liệu lỏng, nhưng vài chục năm gần đây hầu như chỉ sử dụng khí thiên nhiên hoá lỏng. Phần các khí tổng hợp khác không vượt quá một vài phần trăm.

Vấn đề được quan tâm đối với tuabin khí hiện nay là tiếp tục giảm ô nhiễm môi trường bởi xả khí gây hiệu ứng nhà kính CO ₂và các khí độc được tạo thành từ ôxy (SO _xvà NO _x) .

Sự giảm thải khí đioxyt các bon CO ₂so với các công nghệ khác đã là một trong những ưu điểm quan trọng nhất của tuabin khí/tuabin khí hơi kết hợp.

Thực tế khối năng lượng hiện đại có tuabin khí hơi kết hợp xả CO ₂vào môi trường hầu như nhỏ hơn 3 lần so với khối năng lượng chạy bằng than trước đây có công suất tương tự với hiệu suất bằng 30% . Thậm chí khi so sánh thiết bị chạy cùng một thứ nhiên liệu, công nghệ tuabin hơi khí kết hợp đảm bảo giảm đáng kể lượng khí CO­ ₂thải vào môi trường nhờ hiệu suất cao hơn, có nghĩa sự giảm tiêu hao nhiên liệu khi sản ra cùng một lượng điện năng.

Các tính toán thực hiện trên cơ sở thiết bị công nghệ thực chỉ ra rằng hiệu quả tốt nhất do giảm khí thải CO ₂đạt được khi kết hợp các chu trình hiện đại (tuabin khí-hơi) có các bơm nhiệt. Do sự kết hợp này đã đảm bảo cấp nhiệt của hệ thống sưởi ấm trung tâm, điều đó làm giảm đáng kể lượng khí thải CO ₂( do giảm lượng các lò hơi sấy sưởi ).

Khi tuabin khí chạy bằng nhiên liệu lỏng lượng khí thải CO ₂sẽ cao hơn một chút so với khí đốt cháy bằng khí tự nhiên. Nhưng phần nhiên liệu này sẽ giảm dần. Nói chung người ta rất ít khi sử dụng nhiên liệu lỏng sau sự kiện khủng hoảng dầu lửa vào những năm 70. Ngày nay dầu thô và madút nặng làm nhiên liệu đối với tuabin khí chỉ được sử dụng trong các nước sản xuất dầu mỏ hay ở nhà máy chế biến dầu mỏ. Các tuabin khí trong trường hợp này làm việc với nhiệt độ ở đầu vào từ 1000 tới 1050 ^oC .

Sử dụng hiđro đối với tuabin đã được nghiên cứu cẩn thận trong các điều kiện công nghiệp. Khi đốt cháy H ₂trong các vòi đốt khuyếch tán thực tế không có khí C0 ₂.

Sự thải ôxit lưu huỳnh SO _xcó trong sản phẩm cháy của tuabin khí chỉ khi sử dụng dầu thô hay các phân tử chất lỏng nặng, mà hàm lượng lưu huỳnh trong đó đạt tới đôi khi từ 2-3% khi đốt cháy các nhiên liệu như vậy lưu huỳnh biến thành oxit vì vậy biện pháp tin cậy nhất chống thải S0 _xlà giảm hàm lượng của nó trong nhiên liệu. Do lượng không khí thừa cao, sau các lò hơi tận dụng, khử lưu huỳnh trong khói thải thường không thực hiện. Giải pháp đơn giản nhất của vấn đề này trong các trường hợp như vậy là chuyển sang đốt cháy khí tự nhiên hay khí hoá lỏng. Khi cần thiết đốt cháy nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao cần phải tiến hành khí hoá bên trong. Công nghệ như vậy cho phép sử dụng một vài loại nhựa có chứa 6-8% lưu huỳnh ở các nhà máy chế biến dầu mỏ. Khi hoá khí các nhựa này, người ta thu được khí tổng hợp thực tế không có chứa lưu huỳnh và phù hợp để đốt cháy trong tuabin khí.

Ví dụ sử dụng khí hoá bên trong là khối năng lượng IGCC Falconara ở Ý có công suất 242MW (nét to) với hiệu suất bằng 32%. Nhiên liệu là các sản phẩm còn lại của nhà máy hoá dầu có sản lượng 59T/giờ .

Các cặn của các sản phẩm chế biến dầu thô cung cấp cho khối năng lượng chứa từ 6,8 tới 8,6% lưu huỳnh, tới 240ppm vanadi, có tỉ khối riêng lớn nhất 1,09 Kg/L và độ nhớt 37.10 ^-4m ²/s ở nhiệt độ 150 ^oC. Nhiên liệu có các đặc tính sử dụng với hiệu quả tốt như vậy ở các nhà máy nhiệt điện bất kỳ là không có thể. Nếu như tuabin khí hơi kết hợp bình thường (không có hóa khí bên trong) đốt cháy mazút nặng có hiệu suất đối với các trường hợp 45%, thì khí thải SO _2­vào môi trường (ở công suất bằng tuabin khí hơi kết hợp eplaconara) đạt tới 7000 Kg/giờ .

Các chất thải của nhà máy chế biến hoá dầu được khí hóa theo phương pháp Texaco (bằng thổi oxy) có sử dụng công nghệ UOP, Parsons và ABB Lummus. H ₂S được tạo thành trong quá trình này được nhờ phương pháp Claus thổi vào lưu huỳnh. Sự hoàn nguyên của lưu huỳnh đạt tới 99,9%, điều đó đảm bảo sản xuất 4 tấn/giờ lưu huỳnh tinh khiết. Hàm lượng lưu huỳnh trong khí tổng hợp không vượt quá 30 ppm, vì vậy lượng khí thải S0 ₂vào môi trường vào cỡ không quá 7,8 Kg/giờ.

Khác với SO­ _2,các oxit NO­ _xđược tạo thành khi đốt cháy tất cả các dạng nhiên liệu. Trong những năm 70 khi năng lượng bị đặt trước vấn đề cần thiết giải quyết chống ô nhiễm môi trường bởi các oxýt nitơ, các tuabin khí được lắp đặt các vòi đốt có ngọn lửa khuyếch tán. Đỉnh cao của nhiệt độ trong ngọn lửa như vậy dẫn tới nồng độ NO _xtrong các sản phẩm cháy đạt tới một vài trăm ppm.

Giới hạn đầu tiên về thải các oxýt nitơ bởi các tuabin khí do hãng Thông tin về bảo vệ môi trường của Mỹ và vào cỡ 75 ppm (theo thể tích) ở hàm lượng O ₂bằng 15% ( có nghĩa α = 3,5). Để thực hiện yêu cầu này người ta bắt đầu sử dụng phun nước, điều đó làm giảm nhiệt độ cực đại trong buồng đốt. Phụ thuộc vào cấu tạo vòi đốt và dạng nhiên liệu, tỷ số lượng nước với nhiên liệu thay đổi từ 0,5 đến 0,3.

Ngày nay người ta đã bắt đầu tìm ra các phương pháp khác đảm bảo giảm lượng khí thải NOx theo yêu cầu khi sử dụng các buồng cháy khô. Luật năm 1983 về sự cần thiết sử dụng BACT (Best Available Control Technology- công nghệ tốt nhất trong số các công nghệ giảm khí thải) có thể coi như cú hích để triển khai các phương pháp hiệu quả hơn loại trừ NOx . Ngày nay các oxýt nitơ tương ứng với các yêu cầu của BACT có giá trị nồng độ tương ứng bằng 2ppm. Nồng độ như vậy có thể thu được khi kết hợp đốt ít độc tố và thiết bị hoàn nguyên xúc tác chọn lọc (SCR) hay khi sử dụng phương pháp tổ hợp SCONOx. Ở ccá điều kiện công nghiệp đã cho thấy khả năng đạt nồng độ NOx vào cỡ 3ppm (giá trị trung bình trong suốt 3 giờ) khi sử dụng buồng đốt khô ít độc hại và thiết bị SCR.

Để hoàn thiện buồng đốt của tuabin khí các nhà thiết kế của Alstom Power đã thực hiện một khối lượng lớn công việc. Sau khi bỏ mỏ đốt đơn lẻ một thời gian người ta đẫ sử dụng mỏ đốt trộn sơ bộ (thế hệ đầu của mỏ đốt ít độc hại). Các mỏ đốt như vậy được sử dụng trong tuabin khí loại GT13E.

Cuối những năm 80 người ta đã sử dụng các vòi khô ít độc hại của thế hệ 2 có tên là mỏ đốt EV. Trong thiết bị, trộn khí và không khí xảy ra gay lập tức sau khi khí đi ra từ lỗ, ổn định ngọn lửa được đảm bảo bởi tạo xoáy nhỏ và không yêu cầu thiết bị làm ổn định ngọn lửa bằng cơ khí. Sự đồng nhất của hỗn hợp làm giảm các khí độc hại. Cấu tạo của mỏ đốt khác biệt bởi độ đơn giản và độ tin cậy cao. Các mỏ đốt như vậy ở tuabin khí loại GT8C và GT11N2.

Sau đó người ta đã tạo ra buồng đốt có các vòi đốt vành. Chính buồng đốt này được lắp đặt trong tuabin khí GT13E2. Cuối những năm 90 người ta đã đưa ra buồng đốt kiểu vành hoàn thiện hơn có trộn sơ bộ, cho phép giảm nồng độ khí NOx. Các buồng đốt loại này có trong các tuabin khí hiện đại nhất- GT24 và GT26 .

Các vòi đốt có trộn sơ bộ làm giảm khói thải NOx tới các giá trị nhỏ hơn 10ppm. Kết hợp với các thiết bị SCR nó cho phép tiến gần tới nồng độ 2-3ppm, chúng được lắp đặt theo các yêu cầu của BACT.

Các vòi đốt EV ít độc hại có thể sử dụng khí nhiên liệu đối với tuabin khí là các khí có nhiệt trị thấp và trung bình. Ở khối năng lượng Falconara có các mỏ đốt kiểu EV thuận tiện để đốt nhiên liệu diesel và khí tổng hợp được làm loãng bởi nitơ tới nhiệt trị thấp tiêu chuẩn cỡ 7000 kJ/kg (1670 kcal/kg). các vòi đốt kiểu mới có thể sử dụng để đốt khí tổng hợp mà không cần làm loãng bằng nitơ. Tuy nhiên sự tăng nhiệt trị thấp làm tăng khói thải NOx.

Khối lượng Falconara đã qua sử dụng ở quy mô công nghệp. Các kết quả thử nghiệm cho thấy nó đảm bảo thực hiện đốt các tiêu chuẩn về khí thải NOx cho phép thải vào môi trường mà không dùng SCR. Sử dụng lò phản ứng xúc tác (nó có thể giảm nồng độ NOx tới 17 ppm) được yêu cầu trong trường hợp thiết lập các tiêu chuẩn chặt chẽ hơn về khí thải NOx.

Các chuyên gia của Alstom Power cho rằng triển khai chúng có thể đạt thành tích để giảm các khí thải độc hai vào môi trường không chỉ trên các khối năng lượng mới mà cả trên các khối năng lượng đang hoạt động có tuabin khí. Có thể giảm khí thải CO ₂nhờ tăng công suất của thiết bị đang hoạt động khi nâng cấp, hay trang bị lại qui trình công nghệ hoăc biến đổi nó.

Các tính toán của các chuyên gia Alstom Power chỉ ra rằng, nếu như một phần ba cúa 245GW(công suất tuabin khí đã làm việc trên toàn thế giới theo sơ đồ chu trình đơn giản) chuyển sang tuabin khí hơi, thì độ tăng công suất sẽ bằng độ tăng công suất lắp đặt sau 4-6 năm khi đó các khí thải CO 2vẫn ở mức như cũ, có nghĩa sẽ thu được công xuất bổ sung với xả các khí hiệu ứng nhà kính bằng không. .

Mức độ thấp hơn để giảm các khí CO ₂là tăng công xuất của các tuabin khí đang làm việc. Hãng Alstom Power trong những năm gần đây đã triển khai các tổ máy GT8,GT9, GT-11 và GT-13 thay thế lẫn nhau, chúng có thể coi như một họ. Tuabin khí GT11 xuất hiện trên thị trưòng vào năm 1970, ban đầu ở dạng GT11B có công suất 35MW. Nhưng ngay từ năm 1974 đã bắt đầu sản xuất tuabin khí GT11D có công suất 68MW. Các thay đổi tương tự ngay cả với môđel GT13.

Các khí thải SO ₂, như đã biết, dễ giảm bằng cách thay đổi nhiên liệu. Các giải pháp như vậy đã thực hiện bởi vì các khí tự nhiên và hoá lỏng giá rẻ hơn những năm trước đây. Như ở nhà máy nhiệt điện Riyadh có công xuất 1.000MW đến nay đã chuyển từ dầu thô sang khí tự nhiên. Khi sử dụng nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh 1,8% nhà máy điện hàng năm đã thải vào môi trường 50.000 tấn CO ₂. Sau khi chuyển sang nhiên liệu mới với điều kiện hệ số sử dụng của công suất lắp đặt ở mức cũ khí thải giảm xuống 500 kg/năm.

Khí thải NO _xở các tuabin khí hơi kết hợp có thể giảm một vài lần nhờ nâng cấp buồng đốt. Ví dụ tuabin khí GT9, ban đầu được xuất xưởng với một buồng đốt có kích thước lớn và với một mỏ đốt duy nhất. Hãng Alstom Power đã sản xuất toàn bộ là 109 tuabin khí loại này làm việc ở các dạng nhiệt khác nhau. Ở thành phố Baden, trên GT9, người ta đã thay mỏ đốt đơn chiếc trong buồng đốt duy nhất bẳng mỏ đốt EV thích ứng với loại tua bin khí này. Rõ ràng rằng, ở tải trọng 30MW thì nồng độ NOx trước khi cải tạo có thể đạt tới 200ppm (ở hàm lượng O ₂bằng 15%). Phun nước ở vòi phun đơn chiếc đã giảm nồng độ NO _x tới 60 – 75 pp (ở cùng tải này). Sau bộ vòi đốt EV thậm chí không phun nước nồng độ Nox chỉ vào cỡ 25ppm.

Như vậy, các giải pháp của hãng Alstom Power không chỉ làm giảm các kích thước và giảm giá thành tuabin khí, làm tăng độ tin cậy và hiệu suất của nó, mà còn đồng thời giải quyết vấn đề quan trọng về sinh thái. Đặc biệt sử dụng tuabin khí hơi kết hợp giảm đáng kể lượng khí thải CO ₂vào môi trường. Người ta tính rằng rong các lò hơi bình thường suất thải CO ₂(kể cả khi khai thác than và xây dựng nhà máy nhiệt điện) vào cỡ 964 T/(GW. giờ). Cũng ở các điều kiện như vậy, nhưng khi thay đổt vòi phun bằng đốt lớp sôi, áp suất khí quyển, xuất thải CO ₂thực tế cũng ở cùng mức [963T(GW.giờ)]. Chuyển từ sơ đồ tuabin kết hợp có hoá khí than đá bởi chu trình trong làm giảm khí thải CO ₂tới 751T(GW.giờ), còn khi sử dụng khí tự nhiên tới 464 T/GW.giờ).

Theo mức tăng giá thành của khí tự nhiên sẽ xuất hiện bước đi mới về tăng tính kinh tế của tuabin khí và về tạo ra các sơ đồ mới sử dụng nguyên lý đồng phát điện và nhiệt. Viễn cảnh là tổ hợp tuabin khí hơi có các bơm nhiệt để đảm bảo nhu cầu cần thiết của sấy sưởi trung tâm.

Giảm đáng kể các khí thải CO ₂vào môi trường có thể thực hiện bằng cách kết hợp tuabin khí hơi với các phần tử nhiên liệu. Khi sử dụng các phân tử nhiên liệu ở nhiệt độ cao trong tương lai có thể thấy rằng hiệu suất sản xuất điện năng đạt 70%.

Tiếp tục giảm các khí thải NO _xvà CO ₂có thể đảm bảo bằng cách tối ưu phương pháp cháy nghèo, cũng như nhờ sử dụng các công nghệ làm sạch khí thải khác nhau (SCR, SCONO _xvà CO - chất xúc tác). Hiệu quả lớn nhất do làm giảm khí thải NO _xcó thể thực hiện do sự đốt cháy khí thiên nhiên có chất xúc tác. Đưa hàng loạt các công nghệ đã nêu ra cũng cần thiết làm giảm lượng chất thải gây ô nhiễm như CO và hydrocácbon không cháy hết C _mH _n.

_{______________________________}

Tài liệu tham khảo

1. Basler B.Power Plant emission reduction potentials achievements and future reduction potetntials. Report of Alstom Power, Baden, SwitzerlandNovember 2001.

2. Trưong Ngọc Tấn.Tuabin khí thực trạng và tương lai, Điện lực và đời sống số 80, tháng 12-2005.

3. Trương Ngọc Tấn. Kinh nghiệm của Châu Âu và Mỹ trong giảm thiểu tác động môi trường của nhà máy nhiệt điện, Điện lực và đời sống số 78, tháng 10-2005.

Nguồn: Tạp chí KH - CN nhiệt, số 69, tháng 5 - 2006, trang 24.