Tài liệu Nghiên cứu các phương pháp xử lý tro xỉ trên thế giới và lựa chọn ứng dụng vào việt nam

NGUYỄN VĂN THẠO BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- Nguyễn Văn Thạo KỸ THUẬT NHIỆT NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ TRO XỈ TRÊN THẾ GIỚI VÀ LỰA CHỌN ỨNG DỤNG VÀO VIỆT NAM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành : Kỹ thuật nhiệt KHOÁ 2015B Hà Nội – 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------Nguyễn Văn Thạo NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ TRO XỈ TRÊN THẾ GIỚI VÀ LỰA CHỌN ỨNG DỤNG VÀO VIỆT NAM Chuyên ngành : Kỹ thuật nhiệt LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Bùi Hồng Sơn Hà Nội – 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Báo cáo luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu của riêng tôi được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu các công nghệ đã được áp dụng rộng rãi và phổ biến trên thế giới dưới sự hướng dẫn của TS. Bùi Hồng Sơn. Các số liệu và kết quả trong luận văn được chỉ rõ nguồn trích dẫn trong danh mục tài liệu tham khảo. Kết quả nghiên cứu chưa có ai công bố trong bất kỳ công trình từ trước đến này. Hà Nội, ngày 25 tháng 10 năm 2017 Nguyễn Văn Thạo i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ....................................... iv DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ............................................................... vi MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1. CÁC CÔNG NGHỆ LÒ HƠI VÀ THẢI TRO XỈ TRONG CÁC NMNĐ Ở VIỆT NAM .................................................................................. 6 1.1. Tình hình phát triển các NMNĐ ở Việt Năm từ năm 2006 đến 2015 có xét đến năm 2025 có xét đến năm 2030 .............................................................. 6 1.2. Các công nghệ lò hơi phổ biến ở Việt Nam ............................................ 10 1.2.1. Công nghệ lò than phun .............................................................. 10 1.2.2. Công nghệ lò đốt tầng sôi tuần hoàn ........................................... 11 1.3. Các công nghệ thải xỉ phổ biến............................................................... 12 1.3.1. Giới thiệu chung ......................................................................... 12 1.3.2. Hệ thống thải xỉ đáy lò ................................................................ 13 1.3.3. Hệ thống thải tro bay................................................................... 16 1.3.4. Hệ thống thải tro xỉ tới bãi xỉ hoặc các hộ tiêu thụ ...................... 18 1.4. Kết luận chương 1 .................................................................................. 20 CHƯƠNG 2. CÁC ỨNG DỤNG CỦA TRO XỈ VÀ TIỀM NĂNG TIÊU THỤ, SỬ DỤNG TRO XỈ ................................................................................... 21 2.1. Các quy định về sử dụng và tiêu thụ tro xỉ của các nước trên thế giới ..... 21 2.1.1. Austrailia .................................................................................... 21 2.1.2. Canada ........................................................................................ 22 2.1.3. Trung Quốc ................................................................................. 23 2.1.4. Liên minh Châu Âu ..................................................................... 24 2.1.5. Nhật Bản ..................................................................................... 25 2.2. Tổng quan về công tác xử lý tro xỉ của các NMNĐ ở Việt Nam ............. 26 2.3. Các ứng dụng của tro xỉ đã và sẽ thực hiện ở Việt nam .......................... 29 2.3.1. Sử dụng tro xỉ làm phụ gia trong công nghệ sản xuất xi măng..... 29 2.3.2. Khả năng tiêu thụ của tro xỉ cho công nghệ sản xuất gạch ........... 32 2.3.3. Khả năng sử dụng tro xỉ làm vật liệu xây dựng và các nhu cầu khác .................................................................................................... 35 ii 2.3.4. Nghiên cứu gia cố nền đường yếu ............................................... 38 2.3.5. Nghiên cứu sử dụng tro làm bê tông đường bê tông xi măng ....... 40 2.3.6. Sử dụng tro xỉ cho các nhu cầu khác ........................................... 41 2.4. Quy hoạch phát triển sản xuất vật liệu xây dựng của Việt Nam .............. 41 2.5. Kết luận chương 2 .................................................................................. 42 CHƯƠNG 3. CÁC CÔNG NGHỆ PHÂN LY CÁC BON CHƯA CHÁY HẾT TRONG TRO XỈ TRÊN THẾ GIỚI VÀ LỰA CHỌN ÁP DỤNG Ở VIỆT NAM .......................................................................................................... 44 3.1. Tổng quan .............................................................................................. 44 3.2. Đặc tính của tro xỉ các nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam .......................... 44 3.3. Các công nghệ tách các bon chưa cháy trong tro bay .............................. 45 3.3.1. Công nghệ phân ly cơ khí (Classification) ................................... 45 3.3.2. Công nghệ tuyển nổi (Froth flotation) ......................................... 48 3.3.3. Công nghệ phân ly tĩnh điện ma sát (Triboelectricstatic separation) ................................................................................................ 55 3.4. Lựa chọn công nghệ và phương án xử lý tro xỉ ....................................... 64 3.4.1. Mục tiêu lựa chọn công nghệ và phương án xử lý ....................... 64 3.4.2. Yêu cầu....................................................................................... 64 3.4.3. Tổng hợp các công nghệ xử lý tro bay trình bày trên ................... 64 3.4.4. Lựa chọn công nghệ xử lý tro bay ....................................................... 65 3.5. Kết luận chương 3 .................................................................................. 66 CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ TRO XỈ NMNĐ HẢI PHÒNG........................................................................................... 67 4.1. Tính toán thiết kế hệ thống xử lý tro xỉ cho NMNĐ Hải Phòng .............. 67 4.1.1. Giới thiệu tổng quan về NMNĐ Hải Phòng................................. 67 4.1.2. Thiết kế hệ thống phân ly các bon trong tro bay áp dụng cho NMNĐ Hải Phòng .................................................................................... 67 4.2 Kết luận chương 4 ................................................................................... 81 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 82 1. Thực tiễn của Đề tài .................................................................................. 82 2. Kiến nghị .................................................................................................. 82 3. Hướng nghiên cứu tiếp theo của Đề tài...................................................... 82 PHỤ LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu q Điện tích trên hạt CD Hệ số lực cản của không khí (phụ thuộc vào kích thước của hạt) A Khối lượng riêng của không khí S Diện tích bề mặt nhô ra của hạt.  Vận tốc tức thời của hạt. m Khối lượng của hạt. g Gia tốc trọng trường.  Vec tơ vị trí hạt r F Lực điện trường E Cường độ điện trường Từ viết tắt QHĐVII Tổng sơ đồ quy hoạch điện VII NMNĐ Nhà máy nhiệt điện MKN Mất khi nung iv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Tiến độ phát triển các NMNĐ Đốt than theo QHĐ VII điều chỉnh........... 7 Bảng 2.1: Đặc tính tro bay quy định bởi tiêu chuẩn AS 3582 ................................. 21 Bảng 2.2: Đặc tính tro bay theo tiêu chuẩn CAS 3001 ........................................... 22 Bảng 2.3: Quy định đặc tính tro xỉ cho sử dụng trong xi măng của Trung Quốc...................................................................................................................... 24 Bảng 2.4: Đặc tính của tro bay theo tiêu chuẩn EN 450 của Liên minh Châu Âu ......................................................................................................................... 24 Bảng 2.5: Đặc tính của tro bay theo tiêu chuẩn JIS A6201 ..................................... 25 Bảng 2.6: Hiện trạng tiêu thụ tro xỉ của các NMNĐ ở Việt Nam ........................... 26 Bảng 3.1: Danh sách các nhà máy xử lý tro bay bằng công nghệ phân ly tĩnh điện [13] ................................................................................................................ 60 Bảng 3.2: Tổng hợp và so sánh các công nghệ xử lý tro bay .................................. 64 Bảng 4.1: Lượng than tiêu thụ trung bình của nhà máy ở chế độ định mức ............ 68 Bảng 4.2: Lượng tro bay, xỉ thải ra hàng năm của nhà máy ở chế độ định mức...... 68 Bảng 4.3: Danh mục các thiết bị chính .................................................................. 73 Bảng 4.4: Các thống số nguyên vật liệu đầu vào và ra dự kiến ............................... 75 v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Thống kế công suất đặt, lượng than tiêu thụ, lượng tro xỉ thải ra của các NMNĐ đốt than giai đoạn 2007-2015................................................................ 7 Hình 1.2: Tiến độ phát triển các NMNĐ đốt than theo QHĐ VII điều chỉnh ............ 8 Hình 1.3: Lò hơi đốt than phun (NMNĐ Phả Lại).................................................. 10 Hình 1.4: Mô hình lò hơi tầng sôi tuần hoàn .......................................................... 12 Hình 1.5: Sơ đồ điền hình của một nhà máy nhiệt điện đốt than............................. 13 Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống thải xỉ kiểu ướt NMNĐ Hải Phòng ................................ 14 Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống thải xỉ khô ..................................................................... 15 Hình 1.8: Sơ đồ hệ thống thải xỉ dùng băng tải xích............................................... 16 Hình 1.9.: Hệ thống thải tro bay (Hút chân không) ................................................ 17 Hình 1.10: Sơ đồ hệ thống thải tro bay điển hình (kết hợp chân không và khí nén) ....................................................................................................................... 18 Hình 2.1: Sơ đồ sản xuất xi măng điển hình (Nhà máy xi măng Nghi Sơn) ............ 29 Hình 2.2: Sơ đồ công nghệ dây chuyền sản xuất xi măng (Nhà máy xi măng Nghi Sơn) .............................................................................................................. 30 Hình 3.1: Bộ phân ly (Air classifier) ...................................................................... 46 Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý công nghệ phân ly khí .................................................. 47 Hình 3.3: Hệ thống phân ly khí nhiều tầng (nguồn: Công ty Techno Enterprise) ............................................................................................................. 48 Hình 3.4: Bể tuyển nổi........................................................................................... 49 Hình 3.5: Sơ đồ công nghệ tuyển nổi và cô đặc ..................................................... 51 Hình 3.6: Thiết bị tuyển nổi ................................................................................... 52 Hình 3.7: Hệ thống hút ẩm băng tải chân không (Vacuum belt filter) .................... 53 Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý của lò sấy cánh vẩy ...................................................... 54 Hình 3.9: Sơ đồ sấy tro bay ................................................................................... 55 Hình 3.10: Nguyên lý hoạt động của hệ thống phân ly tĩnh điện ma sát ................. 56 Hình 3.11: Sơ đồ biểu diễn trường điện từ giữa các tấm nghiêng [11].................... 58 Hình 3.12: Sơ đồ phân ly 3 dòng ........................................................................... 59 Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý tách tĩnh điện [12]...................................................... 62 Hình 3.14: Sơ đồ công nghệ bộ phân ly bằng tĩnh điện STI (Separation technology, 2009) .................................................................................................. 62 Hình 3.15: Bộ phân ly tĩnh điện [12] ..................................................................... 63 vi Hình 4.1: Sơ đồ thiết bị công nghệ tuyển nồi áp dụng cho NMNĐ Hải Phòng ....... 76 Hình 4.2: Sơ đồ thiết bị công nghệ sấy áp dụng cho NMNĐ Hải Phòng ................ 77 Hình 4.3: Sơ đồ hệ thống phân ly tĩnh điện áp dụng cho NMNĐ Hải Phòng .......... 80 vii MỞ ĐẦU Lý do lựa chọn đề tài Tro, xỉ nhiệt điện là sản phẩm phụ của các NMNĐ sử dụng nhiên liệu rắn là than. Tuỳ theo công nghệ đốt mà lượng tro, xỉ thải ra ở các NMNĐ có khác nhau. Tuy nhiên, thống kê cho thấy lượng tro xỉ thải ra tương ứng với 1 MW điện vào khoảng 400 – 1600 tấn/năm. Trong đó, tuỳ thuộc vào công nghệ đốt, lượng tro bay chiếm khoảng 50 – 85%, lượng xỉ đáy lò chiếm khoảng 15 – 50%. Theo Quyết định số 428/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ ngày 18/3/2016 phê duyệt điều chỉnh quy hoạch điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến năm 2030 (QHĐVII điều chỉnh) [2]. Đến năm 2020, tổng công suất khoảng 26.000MW tiêu thụ khoảng 63 triệu tấn than; đến năm 2025 tổng công suất khoảng 47.600MW tiêu thụ khoảng 97 triệu tấn than; năm 2030 tổng công suất khoảng 55.300MW tiệu thụ khoảng 129 triệu tấn than. Như vậy, khối lượng tro xỉ thải ra rất nhiều, hiện nay phần lớn tro xỉ thải ra các bãi thải xỉ của các NMNĐ sau đó chôn cất, điều này gây ra lãng phí và ảnh hưởng đến môi trường, chỉ một phần rất nhỏ được tái xử dụng làm phụ gia xi măng hoặc vật liệu xây dựng. Nguyên nhân chính của việc chưa tái sử dụng được khối lượng lớn tro xỉ chủ yếu là hàm lượng các bon chưa cháy hết (còn gọi là hàm lượng mất khi nung-MKN) trong tro xỉ cao hơn yêu cầu/tiêu chuẩn. Ngoài ra, nhà nước cũng chưa ban hành đầy đủ các cơ chế, chế tài đủ mạnh để hướng dẫn sử dụng tro xỉ làm vật liệu phối trộn xi măng hoặc sử dụng làm vật liệu xây dựng. giao thông. Điều này dẫn đến việc tái xử dụng tro còn bị hạn chế. Theo Quyết định 1696/QĐ-TTg ngày 23/09/2014 và 452/QĐ-TTg ngày 12/4/2017 của Thủ tướng Chính phủ về một số giải pháp thực hiện xử lý tro, xỉ, thạch cao của các Nhà máy Nhiệt điện, nhà máy hóa chất, phân bón để làm nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng. Các NMNĐ phải xây dựng các giải pháp thực hiện xử lý tro xỉ. Theo các kết quả phân tích mẫu tro, xỉ của một số NMNĐ đang vận hành ghi nhận các chỉ số phân tích thành phần của tro xỉ đều đáp ứng tiêu chuẩn làm vật liệu xây dựng tuy chỉ có chỉ số hàm lượng các bon chưa cháy hết (MKN) 1 trong tro xỉ cao hơn giới hạn cho phép vì vậy giải pháp chủ yếu là xử lý hàm lượng MKN trong tro xỉ đáp ứng yêu cầu tiêu chuẩn thì tro xỉ có thể được tái xử dụng với khối lượng lớn. Ở Việt Nam, ngay từ khi mới có dây chuyền 1 nhà máy nhiệt điện Phả Lại, đã có nhiều công trình nghiên cứu tích chứa và tái sử dụng tro xỉ nhiệt điện được triển khai. Tuy nhiên, lượng tro xỉ thực tế được tái sử dụng ở nước ta còn rất hạn chế. Trong khi đó ở trên thế giới các nước phát triển như Mỹ, Nhật và Tây Âu tỷ lệ tái sử dụng tro xỉ là rất lớn, hầu như các nhà máy ở các nước phát triển bãi chứ tro xỉ chỉ là bãi chứa tạm thời, tro xỉ được tái sử dụng làm vật liệu xây dựng, phụ gia xi măng và được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực như làm kè biển, làm lớp lót đường. Ở các nước như Mỹ, Nhật do chất lượng than dùng cho các NMNĐ chủ yếu là than Bitum hoặc á bitum có chất lượng tốt, độ tro trong than ít, công nghệ đốt hiện đại nên hàm lượng các bon chưa cháy hết trong tro xỉ nhỏ. Do vậy, tro xỉ có thể tái xử dụng trực tiếp mà không cần xử lý thêm, tuy nhiên vẫn nhiều nhà máy áp dụng thêm công nghệ phân ly hàm lượng các bon chưa cháy hết xuống mức thấp nhất theo yêu cầu tạo cạnh tranh trên thị trường tro xỉ. Ở trên thế giới đã áp dụng rộng rãi một số công nghệ phổ biến để phân ly hàm lượng các bon chưa cháy hết như: Công nghệ phân ly tro xỉ bằng tĩnh điện (ST Tribo-Electrostatic separation), công nghệ tuyển nổi (Froth flouration separation), công nghệ phân ly trọng lượng (Gravity Separation). Để hiểu rõ hơn các công nghệ phân ly các bon trong tro xỉ trên thế giới và lựa chọn công nghệ phù hợp để áp dụng vào Việt Nam, tác giả tập trung vào nghiên cứu công nghệ, ưu nhược điểm của mỗi công nghệ để đưa ra các kiến nghị, lựa chọn áp dụng vào Việt Nam nhằm xử lý tro xỉ đáp ứng các tiêu chuẩn về phụ gia làm vật liệu xây dựng góp phần tái xử dụng tro xỉ, giảm ô nhiễm môi trường nâng cao lợi nhuận cho nhà đầu tư, giải quyết công ăn việc làm cho người lao động, tạo niềm tin cho người dân đối với tro xỉ thải ra của các NMNĐ. Lịch sử nghiên cứu Trên thế giới, từ lâu người ta đã tuyển tro bay để lấy than tuyển đưa sử dụng lại, lấy tro tuyển dùng làm vật liệu xây dựng. 2 Ở Việt Nam, tại các nhà máy điện như Yên Phụ (Hà Nội), Cao Ngạn (Thái Nguyên), Việt Trì (Phú Thọ), Đạm Hà Bắc (Bắc Giang) và Ninh Bình – do lượng than chưa cháy hết trong tro xỉ còn cao, nhiệt cháy của tro còn đến 3000÷4000 kCal/kg; người dân địa phương đã khai thác tro xỉ, dùng sàng thủ công tách phần than sót để nung gạch, nung vôi và làm chất đốt dân dụng (than quả bàng). Tro xỉ còn lại được trộn lẫn với bùn làm chất dính để sử dụng trực tiếp, hoặc thêm vôi để đóng gạch xỉ. Những năm 80 của thế kỷ trước, Công ty Điện lực 1 kết hợp với Bộ môn Tuyển Khoáng, Trường Đại học MỏĐịa chất đã nghiên cứu và tuyển tro xỉ ở Nhà máy nhiệt điện Cao Ngạn (Thái Nguyên) và nhiệt điện Phả Lại (Hải Dương). Nghiên cứu chỉ tiến hành ở phòng thí nghiệm và quy mô dây chuyền tuyển chỉ gồm 4 ngăn máy thể tích nhỏ (ở Cao Ngạn, Phả Lại và Đức Giang). Khi đó, mục tiêu nghiên cứu chỉ là để thu lại lượng than chưa cháy hết còn lẫn trong tro xỉ. Do đó, đã hạn chế khả năng triển khai ứng dụng ở quy mô công nghiệp. Đầu những năm 90, Liên hiệp các Xí nghiệp xi măng áp dụng kết quả nghiên cứu của đề tài 26A-07-01 về “Nghiên cứu sử dụng tro xỉ nhiệt điện Phả Lại làm phụ gia sản xuất xi măng”, nhóm kỹ sư tuyển khoáng (Chi hội Tuyển khoáng khoá 7) nghiên cứu thiết kế và xây lắp dây chuyền tuyển tro xỉ của Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại có công suất 80.000 tấn/năm (tính theo tro tuyển). Ngày 25/3/1993, 1200 tấn xỉ tuyển đầu tiên đã được vận chuyển về nhà máy xi măng Hoàng Thạch để đưa vào sản xuất. Sau đó, Bộ Xây Dựng đã quyết định cho phép sử dụng phụ gia tro xỉ Phả Lại vào sản xuất xi măng ở các nhà máy xi măng lò quay Hoàng Thạch, Bỉm Sơn và Hải Phòng. Tỷ lệ pha trộn không quá 15 %, với điều kiện phụ gia tro xỉ Phả Lại phải đảm bảo yêu cầu hàm lượng MKN (than chưa cháy) < 11%. Hàm lượng MKN càng thấp thì phản ứng hình thành cường độ càng nhanh và cường độ của chất liên kết đạt được càng cao. Từ năm 1997, đáp ứng yêu cầu sử dụng tro tuyển để sản xuất bê tông khối lớn trong xây dựng các đập thuỷ lợi, công trình thuỷ điện và một số công trình xây dựng dân dụng khác, xưởng tuyển này đã cung cấp hàng chục ngàn tấn tro tuyển đạt yêu cầu (có hàm lượng MKN < 6%, độ ẩm Wa < 3%) sử dụng cho các công trình như 3 đập Bái Thượng (Thanh Hoá), đập Tân Giang (Ninh Thuận), đâp Lòng Sông (Bình Thuận). Năm 2006, Công ty cổ phần Bắc Sơn và Công ty cổ phần Cao Cường thực hiện 02 dự án xây dựng xưởng tuyển tro xỉ Phả Lại tại hồ Bình Giang. Các xưởng này hiện đang hoạt động với công suất 5.000 – 6.000 tấn/tháng sản phẩm tro tuyển. Nguồn nguyên liệu của các xưởng này là tro xỉ của hồ chứa thải Bình Giang, NMNĐ Phả Lại. Năm 2007, Ban Quản lý công trình Thuỷ điện Sơn La đã xây dựng xưởng tuyển liền kề với nhà máy nhiệt điện Phả Lại II, có công suất 10.000 tấn/tháng. Đầu năm 2008 xưởng này đã đưa vào hoạt động. Nguồn nguyên liệu là tro bay, lấy trực tiếp từ xilô của nhà máy nhiệt điện Phả Lại II. Năm 2008, Công ty phụ gia bê tông Phả Lại (PHALAMI), đã xây dựng xưởng tuyển tro bay nhiệt điện Phả Lại có công suất 5.000 tấn/tháng. Tháng 8-2009, chính thức đưa vào hoạt động. Nguồn nguyên liệu của xưởng tuyển này cũng lấy trực tiếp từ xilo của nhà máy nhiệt điện Phả Lại II. Cuối năm 2009, Công ty cổ phần Nhiệt điện Ninh Bình đã tiến hành đầu tư xây dựng xưởng tuyển tro xỉ, công suất 20.000 tấn/năm. Tháng 9/2011 xưởng đã khởi động vận hành. Nguồn nguyên liệu là tro xỉ lưu giữ tại bãi thải số 1, gần kề NMNĐ Ninh Bình. Năm 2010, NMNĐ Cạo Ngạn đã đưa vào dây chuyền đóng gạch sử dụng tro xỉ của nhà máy với công suất khoảng 20 triệu viên/năm. Năm 2011, tại nhà máy Nhiệt điện Uông Bí đã tiến hành thi công xưởng tuyển tro xỉ với công suất 50.000 tấn/năm [3]. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu. Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu các công nghệ phân ly hàm lượng các bon chưa cháy hết trong tro xỉ; Đề xuất ứng dụng công nghệ phù hợp nhất với từng NMNĐ đốt than ở Việt Nam. 4 Đối tượng nghiên cứu: Các công nghệ phân ly hàm lượng các bon chưa cháy hết trong tro xỉ Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu bằng lý thuyết các công nghệ phân ly hàm lượng các bon chưa cháy hết trong tro xỉ. Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả Đề tài tập trung nghiên cứu tình hình phát triển các NMNĐ ở Việt Nam, các công nghệ lò hơi và thải tro xỉ ở Việt Nam, ứng dụng tro xỉ của các nước trên thế giới, các công nghệ phân ly các bon chưa cháy hết trong tro xỉ. Tác giả đã đưa ra được các ưu nhược điểm của các công nghệ phân ly các bon chưa cháy hết trong tro xỉ, để xuất ứng dụng từng công nghệ vào xử lý tro xỉ của từng NMNĐ. Tác giả đã tính toán và thiết kế sơ bộ cho một dự án. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu bằng lý thuyết và kiểm tra các số liệu thực nghiệm đã thực hiện trên thế giới. Nội dung của luận văn gồm: Mở đầu Chương 1: Các công nghệ lò hơi và thải tro xỉ trong các NMNĐ ở Việt Nam. Chương 2: Các ứng dụng của tro xỉ và khả năng tiêu thụ. Chương 3: Các công nghệ phân ly hàm lượng các bon chưa cháy hết trong tro xỉ trên thế giới, và lựa chọn áp dụng ở Việt Nam. Chương 4: Tính toán thiết kế hệ thống xử lý tro xỉ cho NMNĐ Hải Phòng Kết luận và kiến nghị. Tài liệu tham khảo Phụ lục. 5 CHƯƠNG 1. CÁC CÔNG NGHỆ LÒ HƠI VÀ THẢI TRO XỈ TRONG CÁC NMNĐ Ở VIỆT NAM 1.1. Tình hình phát triển các NMNĐ ở Việt Năm từ năm 2006 đến 2015 có xét đến năm 2025 có xét đến năm 2030 Theo Quyết định số 110/2007/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ ngày 18/7/2007 phê duyệt tổng sơ đồ phát triển điện lực Quốc gia gian đoạn 2006 -2015 có xét đến năm 2025 [1]. Năm 2007 công suất của NMNĐ đốt than tăng thêm 100MW khi NMNĐ Cao Ngạn đi vào vận hành. Năm 2008 công suất của NMNĐ đốt than tăng thêm 520 MW, năm 2009 công suất của NMNĐ đốt than tăng thêm 1750MW, năm 2010 công suất của NMNĐ đốt than tăng thêm 1720MW, năm 2011 công suất của NMNĐ đốt than tăng thêm 3500MW, năm 2012 công suất của NMNĐ đốt than tăng thêm 3800 MW , năm 2013 công suất của NMNĐ đốt than tăng thêm 4800 MW, năm 2014 công suất của NMNĐ đốt than tăng thêm 4200MW, năm 2015 công suất của NMNĐ đốt than tăng thêm 5200MW. Tuy nhiên, trong giai đoạn từ năm 2006 đến 2015 do khủng hoảng kinh tế thế giới đã ảnh hưởng đến Việt Nam dẫn đến nhiều NMNĐ chậm tiến độ hoặc chưa triển khai theo đúng QHĐ VI, nhưng trong giai đoạn này thì trên cả nước tổng công suất của NMNĐ đốt than cũng tăng rất nhanh trong đó có một số nhà máy điển hình như NMNĐ Hải Phòng 1200MW, NMNĐ Quảng Ninh 1200MW, NMNĐ Uông Bí Mở Rộng 1 và 2. Sau năm 2010 tổng công suất của các NMNĐ đốt than đã vận hành khoảng 3165MW, sau năm 2015 tổng công suất của các NMNĐ đốt than đã vận hành vào khoảng 9615 MW tiêu thụ khoảng 25,894 triệu tấn than thải ra khoảng 8,145 triệu tấn tro xỉ. Qua hình 1.1, ta thấy rằng trong giai đoạn từ năm 2011 đến năm 2015, Tổng công suất đặt của các NMNĐ đốt than đã tăng lên gấp 3 lần, tương đương lượng than tiêu thụ và lượng tro xỉ thải ra cũng tăng gấp 3 lần. Lượng tro xỉ thải ra của các NMNĐ đốt than tính đến năm 2015 khoảng 8.415 nghìn tấn tro xỉ trong khi đó tái sử dụng chỉ chiếm khoảng 20%, trong đó chỉ là sử dụng nhỏ lẻ chưa có quy mô công nghiệp, điều này rất lãng phí và gây ô nhiễm môi trường. 6 Hình 1.1: Thống kế công suất đặt, lượng than tiêu thụ, lượng tro xỉ thải ra của các NMNĐ đốt than giai đoạn 2007-2015 Ngoài ra, theo quy hoạch phát triển điện lực Quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến năm 2030 [2] được thủ tướng chính phủ phê duyệt ngày 18 tháng 3 năm 2016. Trong QHĐ VII điều chỉnh, đến năm 2020 tổng công suất điện khoảng 26.000MW, tiêu thụ khoảng 63 triệu tấn than. Như vậy, so với năm 2015 tổng công suất đặt của các NMNĐ đốt than tăng gấp khoảng 3 lần, đến năm 2025 tổng công suất khoảng 47.600 MW, tiêu thụ khoảng 90 triệu tấn than, đến năm 2030 tổng công suất khoảng 55.300 MW tiêu thụ khoảng 129 triệu tấn than. Bảng 1.1: Tiến độ phát triển các NMNĐ Đốt than theo QHĐ VII điều chỉnh Năm 2020 2025 2030 Công suất (MW) 26000 47600 55300 Than tiêu thụ (1000 tấn) 63000 90000 129000 Tro xỉ thải ra (1000 tấn) (*) 13720 17770 23620 Ghi chú (*) lượng tro xỉ dự tính theo chất lượng than cung cấp cho các NMNĐ đốt than. 7 Hình 1.2: Tiến độ phát triển các NMNĐ đốt than theo QHĐ VII điều chỉnh Qua bảng 1.1, tính đến năm 2020 các NMNĐ đốt than ở Việt Nam thải ra khoảng 13,72 triệu tấn tro xỉ, năm 2025 khoảng 17,77 triệu tấn và năm 2030 khoảng 23,62 triệu tấn. Để tái sử dụng khối lượng lớn tro xỉ thải ra làm vật liệu xây dựng, phụ gia xi măng, vật liệu xây dựng cầu đường là rất cần thiết, giảm diện tích chiếm đất của các bãi thải xỉ, giảm thiểu tác động xấu đến môi trường. Tuy nhiên, để tái sử dụng được tro xỉ làm vật liệu xây dựng và các ứng dụng khác, một chỉ tiêu quan trọng là hàm lượng các bon chưa cháy hết (MKN) phải nhỏ hơn giá trị quy định của tro xỉ làm vật liệu xây dựng. Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, nhiều công nghệ đốt than trong lò hơi của các NMNĐ đốt than đã được cải tiến nâng cao hiệu suất cháy, giảm hàm lượng các bon chưa cháy hết trong tro xỉ xuống. Với các NMNĐ đốt than sử dụng than nhập khẩu loại bitum hoặc/và á bitum từ Australisa và Inđônêsia hàm lượng các bon chưa cháy hết trong tro xỉ có thể nhỏ hơn 6% (phần trăm khối lượng) do loại than nhập khẩu có chất lượng tốt (hàm lượng chất bốc cao dễ cháy, hàm lượng tro xỉ trong than thấp, dễ nghiền) tro xỉ có thể được xử dụng ngay mà không cần 8 phải xử lý thêm. Tuy nhiên với các NMNĐ đốt than hiện nay và trong thời gian tới đi vào vận hành sử dụng than anthraxit trong nước do than trong nước có chất lượng xấu (hàm lượng chất bốc thấp khó cháy, hàm lượng tro xỉ trong than cao, khó nghiền). Vì vậy, hàm lượng các bon chưa cháy hết trong tro xỉ cao (ví dụ NMNĐ Hải Phòng hàm lượng các bon chưa cháy hết trong tro dao động từ 15-20%) dẫn đến việc tái sử dụng khó khăn. Vì vậy, cần phải phân ly hàm lượng các bon chưa cháy hết trong tro xỉ để đảm bảo tro xỉ đạt tiêu chuẩn quy định làm vật liệu xây dựng. Hiện tại, trên thế giới đã có một số công nghệ phân ly hàm lượng các bon chưa cháy hết trong tro xỉ đặt hiệu quả cao được ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên, ở Việt Nam công nghệ phân ly hàm lượng các bon chưa cháy hết trong tro xỉ còn hạn chế, hoạt động chưa hiệu quả. Vì vậy, cần thiết phải nghiên cứu các công nghệ phân ly hàm lượng các bon chưa cháy hết trong tro xỉ trên thế giới để hiểu rõ ràng về công nghệ và hiệu quả, hiệu suất để lựa chọn ứng dụng vào Việt Nam. 9 1.2. Các công nghệ lò hơi phổ biến ở Việt Nam 1.2.1. Công nghệ lò than phun Hình 1.3: Lò hơi đốt than phun (NMNĐ Phả Lại) Than được nghiền mịn đến kích cỡ theo yêu cầu, sau đó được gió cấp 1 đưa vào buồng lửa qua vòi đốt, trong buồng lửa hạt than được hoà trộn với không khí cấp và cháy trong không gian buồng lửa, trong tương lai công nghệ này vẫn sẽ là một lựa chọn ưu thế cho các NMNĐ. Hiệu suất phát điện dự kiến sẽ tăng lên khoảng 50-53% vào năm 2020 và 55% vào năm 2050. Với công nghệ đốt than phun xỉ đáy lò chiếm khoảng 10-20%, tro bay chiếm khoảng 80-90%. Các NMNĐ ở Việt Nam đang áp dụng công nghệ này: NMNĐ Phả Lại, NMNĐ Uông Bí, NMNĐ Nình Bình, NMNĐ Quảng Ninh, NMNĐ Hải Phòng, NMNĐ Vĩnh Tân 1, NMNĐ Duyên Hải 1 và một số nhà máy khác. 10 1.2.2. Công nghệ lò đốt tầng sôi tuần hoàn Lò hơi tầng sôi tuần hoàn (Circulating Fluidized Bed Boiler - CFB Boiler) được phát triển từ những năm 70 của thế kỷ trước. Công nghệ lò hơi tuần hoàn áp dụng nguyên lý “hóa lỏng” các hạt than. Than được nghiền đến kích thước phù hợp sẽ được đưa vào buồng đốt, tại đây các hạt than được gió thổi bùng lên từ đáy buồng đốt và hạt than sẽ ở trạng thái lơ lửng trong khi cháy (trạng thái sôi). Gió tạo quá trình sôi được cấp từ đáy buồng đốt qua các vòi phun (nấm gió) đặt trên thiết bị phân phối gió (ghi phân phối) ở đáy buồng đốt. Lò hơi lớp sôi tuần hoàn được đặc trưng bởi tốc độ trượt giữa gió và hạt than cao và sự hoà trộn của các hạt rắn trong buồng đốt rất mãnh liệt. Tốc độ trượt cao sẽ thúc đẩy tốc độ truyền chất và do đó nâng cao tốc độ phản ứng oxi hoá (có nghĩa là nâng cao tốc độ cháy nhiên liệu) và cũng nâng cao khả năng khử lưu huỳnh trong buồng đốt. Khả năng hoà trộn mãnh liệt đủ để nhiên liệu và các sản phẩm cháy hoà trộn với không khí cháy và các chất khử khí phát thải. Trong buồng đốt lò lớp sôi tuần hoàn, gió có tốc độ cao (khoảng 4,5 – 5m/s) sẽ nâng các hạt rắn lên cao phía trên ghi, quá trình cháy được thực hiện trong toàn không gian buồng đốt với sự chuyển động mạnh mẽ của các hạt rắn, sản phẩm cháy được đưa qua hệ thống phân ly (cyclone) để phân ly các hạt than chưa cháy hết trong khói và đưa trở lại buồng đốt để cháy tiếp tạo vòng tuần hoàn cho đến khi than cháy kiệt mới thải ra ngoài [5]. Sự khác biệt của lò hơi tầng sôi tuần hoàn với lò than phun là than đốt trong lò tầng sôi có kích thước lớn hơn và được đốt cùng chất hấp thụ lưu huỳnh (đá vôi) trong buồng lửa. Công nghệ này cho phép đốt các nhiên liệu chất lượng xấu và chất lượng thay đổi trong khoảng rộng, nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao. Các lò hơi tầng sôi tuần hoàn hiện nay công suất đã đạt tới trên 500 MW (Nhà máy nhiệt điện Mông Dương 1 công suất lò là 540MW). Với công nghệ lò hơi tầng sôi tuần hoàn khối lượng xỉ đáy lò chiểm khoảng 40-50% và tro bay chiếm khoảng 50-60%. Các nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam đang áp dụng loại lò này: NMNĐ Na Dương, NMNĐ Cao Ngạn, NMNĐ Mạo Khê, NMNĐ Cẩm Phả, NMNĐ An Khánh, NMNĐ Thăng Long, NMNĐ Hải Dương, NMNĐ Nam Định, NMNĐ Mông Dương 1 và một số nhà máy khác. 11