Tài liệu Nghiên cứu phát thải thủy ngân tại một số nhà máy nhiệt điện đốt than ở việt nam

. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐÀO THỊ HIỀN NGHIÊN CỨU PHÁT THẢI THỦY NGÂN TẠI MỘT SỐ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Hà Nội - 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐÀO THỊ HIỀN NGHIÊN CỨU PHÁT THẢI THỦY NGÂN TẠI MỘT SỐ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN Ở VIỆT NAM Chuyên ngành : Khoa học Môi trường Mã số : 9440301.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS NGUYỄN MẠNH KHẢI Hà Nội - 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Một phần kết quả nghiên cứu lấy mẫu, phân tích hàm lượng thủy ngân trong luận án thuộc phạm vi phối hợp cùng 02 dự án “Đánh giá hiện trạng phát thải và đề xuất biện pháp quản lý thủy ngân từ hoạt động nhiệt điện, khai thác, chế biến khoáng sản” và “Quản lý hóa chất có hại và POP của Việt Nam” đã được thỏa thuận cho phép sử dụng, công bố số liệu. Các kết quả nghiên cứu còn lại trong luận án là hoàn toàn trung thực, chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Các trích dẫn sử dụng trong luận án đã ghi rõ tên tài liệu tham khảo và tác giả của tài liệu đó. Những biểu, bảng trong luận án không ghi nguồn tài liệu là do chính tác giả luận án tự xây dựng. Tác giả Đào Thị Hiền LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc nhất đến PGS. TS Nguyễn Mạnh Khải - người đã tận tâm, nhiệt tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án: từ thời điểm hình thành ý tưởng đến lúc hoàn thiện; người luôn động viên, đồng hành và sẵn sàng thảo luận cùng tôi nhằm tháo gỡ những vướng mắc, khó khăn khi triển khai nghiên cứu một lĩnh vực tương đối mới tại Việt Nam (thủy ngân phát thải từ hoạt động đốt nhiên liệu hóa thạch); người đã truyền lại cho tôi cảm hứng, sự nhẫn nại, kiên trì, nghiêm túc và sự nỗ lực trong hoạt động nghiên cứu khoa học để đạt hiệu quả trong thời gian hạn định. Tôi học hỏi được nhiều điều từ thày, trân trọng và chân quý thày. Tôi cũng xin dành tình cảm tri ân đến thày giáo cũ, GS.TS Hoàng Xuân Cơ – người đã từng hướng dẫn tôi trong cả giai đoạn đại học, cao học trước đây để tôi có được nền tảng tư duy tiếp tục thực hiện nghiên cứu chuyên sâu này; người luôn ủng hộ, khuyến khích, giới thiệu tôi đến thày giáo mới - PGS.TS Nguyễn Mạnh Khải. Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn các cán bộ thực hiện dự án “Đánh giá hiện trạng phát thải và đề xuất biện pháp quản lý thủy ngân từ hoạt động nhiệt điện, khai thác, chế biến khoáng sản” - Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Bộ Công Thương; dự án “Quản lý hóa chất có hại và POP của Việt Nam” - Bộ Tài nguyên và Môi trường đã cùng tôi đồng hành nghiên cứu, khảo sát, lấy mẫu và phân tích thủy ngân phát thải từ các nhà máy nhiệt điện; cảm ơn những đồng nghiệp tại từng nhà máy được nghiên cứu đã nhiệt tình hỗ trợ, tạo điều kiện góp phần tạo nên kết quả luận án. Tôi xin cảm ơn tình cảm quý báu, sự giúp đỡ và những góp ý chuyên môn chân thành, giá trị các thày, cô giáo công tác tại Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội - đặc biệt các thày, cô giáo thuộc Bộ môn Công nghệ môi trường đã dành cho tôi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu tại trường. Xin cảm ơn các đồng chí lãnh đạo, đồng nghiệp tại cơ quan công tác - Tập đoàn Điện lực Việt Nam đã tạo điều kiện cho tôi tham gia chương trình học tập, nghiên cứu tại trường. Xin cảm ơn bố, mẹ, chị gái, chồng và hai con gái đã luôn ở bên, ủng hộ, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi có thể dành thời gian, tâm sức học tập, hoàn thành luận án kịp tiến độ. Tác giả Đào Thị Hiền DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AERMAP AERMET AERMIC AERMOD BĐKH BOT CFB CNNĐ FE EPA ESP EU FDA FGD GEF GEM GOM GWh HAP KCN KPH MEC NCAR NIOSH NM NMNĐ NRDC OSHA PBM PC : AMS/EPA Regulatory Map - Công cụ địa hình : AMS/EPA Regulatory Meteorology - Công cụ khí tượng : AMS/EPA Regulatory Model Improvement Committee : AMS/EPA Regulatory Model : Biến đổi khí hậu : Build - Operate - Tranfer (Xây dựng - Vận hành - Chuyển giao) : Circulating Fluidizing Bed - Sôi tuần hoàn : Công nghiệp nhiệt điện : Filter Fabric - Lọc bụi tay áo : United States Environmental Protection Agency - Cơ quan Bảo vệ môi trường Hoa Kỳ : Electrostatic Precipitator System - Hệ thống lắng bụi tĩnh điện : The European Union - Liên minh châu Âu : Food and Drug Administration - Cục quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ : Flue Gas Desulfurization - Khử lưu huỳnh trong khói thải : Global Environment Fund - Quỹ môi trường toàn cầu : Gaseous elemental mercury - Thủy ngân nguyên tố dạng khí : Gaseous oxidized mercury - Thủy ngân oxy hóa dạng khí : Giga watt hour : Hazardous Air Pollutant : Khu công nghiệp : Không phát hiện : International Mercury Emission from Coal Workshop - Hội nghị quốc tế phát thải thủy ngân từ than. : National Center for Atmospheric Research - Trung tâm Nghiên cứu khí quyển Quốc gia : National Institute for Occupational Safety and Health - Viện An toàn và Sức khỏe Nghề nghiệp Quốc gia : Nhà máy : Nhà máy nhiệt điện : Natural Resources Defense Council - Hội đồng Quốc gia về Bảo vệ Tài nguyên thiên nhiên : Occupational Safety and Health Administration - Cơ quan Quản lý An toàn và Sức khỏe Lao động : Particle bound mercury - Thủy ngân dạng hạt : Pulverized coal - Than phun PRTR POPs SCR SWFGD TM TN&MT TTĐL UBND UNDP UNEP USEPA WHO : Pollutant Release and Transfer Register - Phát thải chất ô nhiễm và Đăng ký chuyển giao : Persistant Organic Pollutants - Các hợp chất ô nhiễm hữu cơ bền. : Selective Catalytic Reduction - Giảm thiểu chọn lọc xúc tác : Sea Water Flue Gas Desulfurization - Thiết bị xử lý lưu huỳnh trong khói thải bằng nước biển : Tổ máy : Tài nguyên và Môi trường : Trung tâm Điện lực : Ủy ban nhân dân : United Nations Development Programme - Chương trình Phát triển của Liên hợp quốc : United Nations Environmnet Programme - Chương trình môi trường Liên Hợp Quốc : United States Environmental Protection Agency - Cơ quan Bảo vệ môi trường Hoa Kỳ : World Health Organization - Tổ chức Y tế thế giới MỤC LỤC Trang Lời cam đoan Mục lục Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU Chương 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Nguồn gốc phát thải thủy ngân trong môi trường Nguồn gốc phát thải thủy ngân do các quá trình diễn ra trong 1.1.1. tự nhiên 1.1.2. Nguồn gốc phát thải thủy ngân do các hoạt động nhân sinh 1.2. Các dạng tồn tại của thủy ngân trong môi trường 1.3. Độc tính của thủy ngân 1.4. Phát thải thủy ngân từ các NMNĐ đốt than Các loại nhiên liệu và thủy ngân trong nhiên liệu NMNĐ 1.4.1. đốt than Quá trình cháy của than nhiên liệu và phát thải thủy ngân 1.4.2. trong NMNĐ 1.4.2.1. Nguyên lý làm việc của lò hơi NMNĐ 1.4.2.2. Nguyên lý cháy 1.4.2.3. Quá trình chuyển hóa thủy ngân khi đốt than của NMNĐ Nghiên cứu liên quan vấn đề phát thải thủy ngân từ 1.5. quá trình đốt than của NMNĐ trên thế giới và tại Việt Nam 1.5.1. Các nghiên cứu trên thế giới 1.5.2. Các nghiên cứu tại Việt Nam Chương 2. 2.1. 2.1.1. 2.1.2. 2.2. 2.2.1. 2.2.1.1. 2.2.1.2. 2.2.1.3. 2.2.2. 2.2.2.1. 2.2.2.2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu NMNĐ đốt than Mẫu phân tích thủy ngân nghiên cứu Phương pháp lấy mẫu, phân tích thủy ngân Lấy mẫu, phân tích hàm lượng thủy ngân trong các mẫu rắn Lấy mẫu than nhiên liệu Lấy mẫu đá vôi, tro bay, xỉ, thạch cao Phân tích hàm lượng thủy ngân trong mẫu rắn Lấy mẫu, phân tích hàm lượng thủy ngân trong các mẫu nước Lấy mẫu nước mặt (đầu vào) hệ thống SWFGD Lấy mẫu nước thải hệ thống SWFGD 1 7 7 7 9 16 19 22 22 29 29 30 32 34 34 41 49 49 49 56 60 60 60 61 61 62 62 62 2.2.2.3. Phân tích thủy ngân trong mẫu nước biển và mẫu nước thải Lấy mẫu, phân tích hàm lượng thủy ngân trong khói thải 2.2.3. NMNĐ 2.2.3.1. Lấy mẫu bụi và khí thải tại ống khói 2.2.3.2. Phân tích hàm lượng thủy ngân trong mẫu bụi và khí thải 2.3. Phương pháp mô hình hóa Ước tính lượng thủy ngân đầu vào/đầu ra quá trình đốt than 2.4. sản xuất một đơn vị điện năng (01GWh), cân bằng thủy ngân trong các NMNĐ nghiên cứu Quy đổi, so sánh thủy ngân trong tro, xỉ, than trên cùng một 2.5. đơn vị khối lượng nhiên liệu thành tạo Thống kê, xử lý số liệu; thu thập, phân tích, đánh giá và 2.6. kế thừa dữ liệu 62 Chương 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Hiện trạng thủy ngân trong quá trình đốt than sản xuất điện 3.1. của NMNĐ Hàm lượng thủy ngân trong nhiên, nguyên liệu đầu vào 3.1.1. phục vụ quá trình đốt than của các NMNĐ nghiên cứu 3.1.1.1. Hàm lượng thủy ngân trong than nhiên liệu 3.1.1.2. Hàm lượng thủy ngân trong đá vôi Nồng độ thủy ngân trong nước biển đầu vào của hệ thống khử 3.1.1.3. lưu huỳnh SWFGD Phát thải thủy ngân trong các sản phẩm đầu ra quá trình đốt 3.1.2. than của các NMNĐ nghiên cứu 3.1.2.1. Hàm lượng thủy ngân trong thạch cao 3.1.2.2. Hàm lượng thủy ngân trong xỉ đáy lò 3.1.2.3. Hàm lượng thủy ngân trong tro bay Hàm lượng thủy ngân trong nước thải hệ thống khử SOx bằng 3.1.2.4. nước biển 3.1.2.5. Xác định thủy ngân trong bụi và khí thải các NMNĐ nghiên cứu Phát thải bụi, thủy ngân (PBM) từ ống khói NMNĐ vào 3.1.3. môi trường không khí Nghiên cứu phát thải thủy ngân (PBM) trong thành phần bụi từ 3.1.3.1. NMNĐ B1 (300MW) 3.1.3.2. Kiểm chứng mô hình Tính toán cân bằng thủy ngân trong quá trình đốt than của 3.1.4. NMNĐ Bước đầu xác định lượng thủy ngân có khả năng phát thải từ 3.2. các NMNĐ đốt than nghiên cứu 3.2.1. Hiện trạng tiêu thụ than của Việt Nam 70 62 62 65 65 65 67 67 70 70 70 77 79 79 79 82 87 95 95 103 104 112 117 126 126 3.2.2. Bước đầu ước tính lượng thủy ngân từ than khi sản xuất 01 đơn vị điện năng của các NMNĐ So sánh lượng thủy ngân đầu vào sản xuất điện từ than của 3.2.3. các NMNĐ nghiên cứu với một số NMNĐ đốt than, tiêu chuẩn phát thải trên thế giới Bước đầu ước tính lượng thủy ngân trong các thành phần 3.2.4. đầu vào và đầu ra sau khi đốt than sản xuất 01 đơn vị điện năng của một số NMNĐ nghiên cứu Các biện pháp kiểm soát, quản lý thủy ngân trong NMNĐ 3.3. đốt than 3.3.1. Xác định nguồn nguyên liệu cần kiểm soát thủy ngân 3.3.2. Xác định loại chất thải cần kiểm soát thủy ngân Biện pháp quản lý, kiểm soát, giảm phát thải thủy ngân trong 3.3.3. NMNĐ đốt than KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN KHUYẾN NGHỊ KIẾN NGHỊ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 1 – Một số tiêu chuẩn, kết quả thử nghiệm than PHỤ LỤC 2 – Thiết kế vị trí lấy mẫu (01 trường hợp cụ thể) 129 134 137 139 139 141 143 147 147 149 149 DANH SÁCH BẢNG Trang Nguồn phát sinh thủy ngân từ các hoạt động nhân sinh Thống kê các nguồn phát thải thủy ngân trên thế giới (2018) Ước tính lượng thủy ngân đầu vào các ngành sản xuất - dịch vụ Ước tính phân bố thủy ngân phát thải ra ngoài môi trường Các loại nhiên liệu cơ bản Thống kê sản lượng điện (2009-2019) Thông số nguồn thải NMNĐ B1 Hiện trạng NMNĐ than trong hệ thống điện Việt Nam Các NMNĐ đốt than được nghiên cứu Đối tượng lấy mẫu phân tích hàm lượng thủy ngân tại NMNĐ Địa điểm, thời gian, số lượng các mẫu lấy tại NMNĐ phục vụ Bảng 2.4. phân tích thủy ngân Giá trị hàm lượng thủy ngân trong than nhên liệu các NMNĐ Bảng 3.1. nghiên cứu So sánh giá trị hàm lượng thủy ngân trong than nhiên liệu Bảng 3.2. sử dụng cho NMNĐ tại Việt Nam và một số quốc gia trên thế giới Giá trị hàm lượng thủy ngân trong đá vôi nguyên liệu của Bảng 3.3. 10 NMNĐ nghiên cứu Bảng 3.4. Hàm lượng thủy ngân trong một số vật liệu Giá trị hàm lượng thủy ngân trong thạch cao của 04 NMNĐ Bảng 3.5. nghiên cứu So sánh giá trị hàm lượng thủy ngân trong thạch cao các NMNĐ Bảng 3.6. nghiên cứu tại Việt Nam và một số quốc gia trên thế giới Giá trị hàm lượng thủy ngân trong xỉ đáy lò các NMNĐ Bảng 3.7. nghiên cứu Tỷ lệ % hàm lượng thủy ngân trong xỉ quy đổi và hàm lượng Bảng 3.8. thủy ngân trong than nhiên liệu các NMNĐ nghiên cứu So sánh giá trị hàm lượng thủy ngân trong xỉ đáy lò các NMNĐ Bảng 3.9. nghiên cứu và một số quốc gia trên thế giới Giá trị hàm lượng thủy ngân trong tro bay các NMNĐ Bảng 3.10. nghiên cứu Giá trị hàm lượng thủy ngân trong tro bay các NMNĐ đốt than Bảng 3.11. trên thế giới Bảng 1.1. Bảng 1.2. Bảng 1.3. Bảng 1.4. Bảng 1.5. Bảng 1.6. Bảng 1.7. Bảng 2.1. Bảng 2.2. Bảng 2.3. 9 10 11 12 23 43 46 49 55 56 58 70 71 78 78 80 82 82 85 87 88 88 Bảng 3.12. Bảng 3.13. Bảng 3.14. Bảng 3.15. Bảng 3.16. Bảng 3.17. Bảng 3.18. Bảng 3.19. Bảng 3.20. Bảng 3.21. Bảng 3.22. Bảng 3.23. Tỷ lệ % hàm lượng thủy ngân trong tro bay quy đổi và hàm lượng thủy ngân trong than nhiên liệu các NMNĐ nghiên cứu Tỷ lệ % hàm lượng thủy ngân trong xỉ và hàm lượng thủy ngân trong tro bay (sau quy đổi) tại các NMNĐ nghiên cứu Kết quả phân tích thủy ngân trong bụi, khí thải các NMNĐ nghiên cứu Một số kết quả nghiên cứu thủy ngân trong bụi và khí thải của các NMNĐ trên thế giới Tỷ lệ thủy ngân trong dòng khói một số NMNĐ đốt than trên thế giới Số liệu căn cứ để tính toán cân bằng thủy ngân trong quá trình đốt than của các NMNĐ nghiên cứu (số liệu tham chiếu năm 2019) Dự kiến nhu cầu tiêu thụ than để sản xuất điện từ năm 20202025 (phương án huy động công suất cao) Ước tính lượng thủy ngân đầu vào khi sản xuất 01GWh điện mỗi nhà máy dựa trên lượng than tiêu thụ dự kiến trong năm 2020 - phương án huy động công suất cao Ước tính lượng thủy ngân đầu vào khi sản xuất 01GWh điện mỗi nhà máy dựa trên lượng than tiêu thụ dự kiến trong năm 2021 - phương án huy động công suất cao Ước tính lượng thủy ngân đầu vào khi sản xuất 01GWh điện mỗi nhà máy dựa trên lượng than tiêu thụ dự kiến trong năm 2022 - phương án huy động công suất cao Lượng thủy ngân đầu vào từ than nhiên liệu của một số NMNĐ, tiêu chuẩn phát thải thủy ngân theo đơn vị điện năng của một số quốc gia trên thế giới Lượng thủy ngân trong từng thành phần đầu vào và đầu ra khi đốt than nhiên liệu sản xuất 01GWh điện của 03 NMNĐ nghiên cứu (số liệu năm 2019) 90 92 96 102 103 117 128 130 131 132 135 138 DANH SÁCH HÌNH Hình 1.1. Hình 1.2. Hình 1.3. Hình 1.4. Hình 1.5. Hình 1.6. Hình 1.7. Hình 1.8. Hình 1.9. Hình 1.10. Hình 1.11. Hình 1.12. Hình 1.13. Hình 1.14. Hình 1.15. Hình 1.16. Hình 2.1. Hình 2.2. Hình 2.3. Hình 2.4. Hình 2.5. Hình 2.6. Hình 2.7. Hình 2.8. Hình 3.1. Hình 3.2. Hình 3.3. Hình 3.4. Trang Sơ đồ chuyển hóa thủy ngân trong quá trình đốt cháy than 14 nhiên liệu Sự chuyển hóa thủy ngân trong môi trường tự nhiên 17 Quá trình tích lũy thủy ngân trong môi trường 18 Các con đường xâm nhiễm của thủy ngân vào cơ thể người 21 Quá trình hình thành các loại than 24 Cấu trúc than lignite 24 Cấu trúc than bitum 24 Cấu trúc than antraxit 25 Cấu trúc than graphite 25 Phát triển thông số hơi lò đốt than ở Nhật Bản 29 Quá trình phát triển thông số hơi trên tới hạn của BHK 29 Quá trình hạt than nhiên liệu bị đốt cháy 31 Chu trình dòng khói được hình thành và lưu chuyển trong 33 quá trình đốt của NMNĐ Tương quan giữa tỷ lệ % thủy ngân được oxy hóa với nhiệt độ 35 Sản lượng điện của hệ thống và đóng góp của từng loại hình 42 Vị trí NMNĐ B1 47 Sơ đồ cấu hình lò CFB 51 Sơ đồ cấu hình lò PC 52 Bản đồ phân bố các NMNĐ đốt than được nghiên cứu 54 Thiết kế vị trí lấy mẫu phân tích thủy ngân với từng đối tượng 57 NMNĐ nghiên cứu Hình ảnh lấy mẫu than nhiên liệu tại hiện trường 61 Hình ảnh lấy mẫu thạch cao tại hiện trường 61 Sơ đồ hệ thống lấy mẫu hơi kim loại nặng từ nguồn thải 64 Sơ đồ nghiên cứu của Luận án 69 Kết quả phân tích hàm lượng thủy ngân trong mẫu than 71 nhiên liệu tại 16 NMNĐ nghiên cứu So sánh hàm lượng thủy ngân trong than nhiên liệu giữa các 76 NMNĐ dùng công nghệ lò than phun (PC) và lò tầng sôi tuần hoàn (CFB) So sánh hàm lượng thủy ngân giữa các NMNĐ sử dụng than 77 nội địa và than nhập khẩu được nghiên cứu Kết quả phân tích hàm lượng thủy ngân trong thạch cao tại 81 04 NMNĐ nghiên cứu Hình 3.5. Hình 3.6. Hình 3.7. Hình 3.8. Hình 3.9. Hình 3.10. Hình 3.11. Hình 3.12. Hình 3.13. Hình 3.14. Hình 3.15. Hình 3.16. Hình 3.17. Hình 3.18. Hình 3.19. Hình 3.20. Hình 3.21. Hình 3.22. Hình 3.23. Phân bố các NMNĐ khi xét đồng thời hàm lượng thủy ngân trong than nhiên liệu và hàm lượng thủy ngân trong xỉ So sánh tỷ lệ hàm lượng thủy ngân trong xỉ/hàm lượng thủy ngân trong than giữa hai nhóm NMNĐ sử dụng công nghệ lò PC và CFB Phân bố các NMNĐ khi xét đồng thời hàm lượng thủy ngân trong than nhiên liệu và hàm lượng thủy ngân trong tro bay So sánh tỷ lệ hàm lượng thủy ngân trong tro/hàm lượng thủy ngân trong than giữa nhóm các NMNĐ dùng công nghệ PC và CFB Mối liên quan giữa hàm lượng thủy ngân trong xỉ và tro sau quy đổi theo đơn vị khối lượng than nhiên liệu Mối liên quan hàm lượng thủy ngân trong tro/xỉ sau quy đổi theo cùng khối lượng than nhiên liệu sử dụng giữa nhóm các NMNĐ dùng công nghệ lò PC và công nghệ lò CFB Hàm lượng thủy ngân trong bụi các NMNĐ nghiên cứu So sánh hàm lượng thủy ngân trong bụi giữa nhóm các NMNĐ sử dụng công nghệ lò PC và công nghệ lò CFB So sánh hàm lượng thủy ngân trong bụi giữa nhóm các NMNĐ sử dụng than trong nước và than nhập khẩu Nồng độ thủy ngân trong khí thải các NMNĐ nghiên cứu So sánh nồng độ thủy ngân giữa nhóm các NMNĐ sử dụng công nghệ lò PC và công nghệ lò CFB So sánh nồng độ thủy ngân giữa nhóm các NMNĐ sử dụng than trong nước và than nhập khẩu Mối liên quan giữa hàm lượng thủy ngân trong bụi và nồng độ thủy ngân trong khí thải tại các NMNĐ nghiên cứu Kết quả dự báo phát tán bụi từ ống khói NMNĐ B1 đạt giá trị cực đại (kịch bản cao) Vị trí dự báo phát tán bụi từ ống khói NMNĐ B1 đạt giá trị cực đại (kịch bản cao) Kết quả dự báo phát tán bụi lắng (Dry Depos.) từ ống khói NMNĐ B1 (kịch bản cao) Kết quả dự báo phát tán bụi lắng (Wet Depos.) từ ống khói NMNĐ B1 (kịch bản cao) Kết quả dự báo phát tán bụi từ ống khói NMNĐ B1 đạt giá trị cực đại (kịch bản trung bình) Kết quả dự báo phát tán bụi lắng (Dry Depos.) từ ống khói NMNĐ B1 (kịch bản trung bình) 83 86 90 92 94 95 97 98 99 99 100 101 101 105 105 106 106 107 107 Hình 3.24. Hình 3.25. Hình 3.26. Hình 3.27. Hình 3.28. Hình 3.29. Hình 3.30. Hình 3.31. Hình 3.32. Hình 3.33. Hình 3.34. Hình 3.35. Hình 3.36. Hình 3.37. Hình 3.38. Hình 3.39. Hình 3.40. Hình 3.41. Kết quả dự báo phát tán bụi lắng (Wet Depos.) từ ống khói NMNĐ B1 (kịch bản trung bình) Vị trí dự báo phát tán bụi từ ống khói NMNĐ B1 đạt giá trị cực đại (kịch bản trung bình) Kết quả dự báo phát tán bụi từ ống khói NMNĐ B1 (kịch bản thấp) Vị trí dự báo nồng độ bụi đạt giá trị cực đại sau khi phát tán từ ống khói NMNĐ B1 (kịch bản thấp) Kết quả dự báo phát tán bụi lắng (Dry Depos.) từ ống khói NMNĐ B1 (kịch bản thấp) Kết quả dự báo phát tán bụi lắng (Wet Depos.) từ ống khói NMNĐ B1 (kịch bản thấp) Vị trí các điểm dự báo nồng độ bụi/thủy ngân (PBM) sau khi phát tán từ ống khói NMNĐ B1 đạt giá trị cực đại Kết quả dự báo phát tán bụi từ ống khói NMNĐ B1 (ngày 31/10/2019) Kết quả kiểm chứng phát thải bụi từ ống khói NMNĐ B1 (ngày 31/10/2019) Vị trí nồng độ bụi đạt giá trị cực đại theo kết quả mô hình dự báo và số liệu kiểm chứng ngày 31/10/2019 Nồng độ GEM mô phỏng từ ngày 01/01/2013 đến ngày 31/12/2013 Cân bằng thủy ngân trong quá trình đốt than ở một số NMNĐ sử dụng than bitum tại Thái Lan Biểu đồ cân bằng vật chất của thủy ngân tại NMNĐ đốt than nghiên cứu thí điểm ở Hà Lan (có lắp thiết bị ESP và FGD) [43] Dự kiến nhu cầu tiêu thụ than để sản xuất điện từ năm 2020-2025 (phương án cao) Ước tính tổng lượng thủy ngân đầu vào dựa trên lượng than tiêu thụ dự kiến cho mỗi NMNĐ trong 03 năm (2020-2022) - phương án huy động công suất cao Mối tương quan giữa hàm lượng thủy ngân trong than nhiêu liệu và lượng thủy ngân khi sản xuất 01kWh điện mỗi nhà máy (phương án cao) Mối tương quan giữa hàm lượng thủy ngân trong than nhiên liệu và hàm lượng thủy ngân trong đá vôi Quá trình thủy ngân thay đổi dạng tồn tại phụ thuộc vào nhiệt độ dòng khói NMNĐ đốt than 108 108 109 110 111 111 112 113 114 114 116 123 126 128 129 133 140 142 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Thủy ngân là một kim loại ở thể lỏng tại nhiệt độ thường, rất dễ bốc hơi, được phát thải vào môi trường một phần do các quá trình diễn ra trong tự nhiên (cháy rừng...) nhưng phần nhiều là do các hoạt động nhân sinh, đặc biệt là hoạt động đốt nhiên liệu hóa thạch (sản xuất điện, xi măng, thép...). Trong môi trường, thủy ngân tồn tại ở ba dạng: nguyên tố, hợp chất vô cơ, hợp chất hữu cơ và đều có thể gây độc, ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người, môi trường [26]. Mức độ gây độc của thủy ngân tùy thuộc liều lượng, thời gian tiếp xúc với thủy ngân và dạng tồn tại của thủy ngân. Trong môi trường, thủy ngân có đặc tính bền vững, tích tụ sinh học qua chuỗi thức ăn rất cao. Rất nhiều thảm họa môi trường liên quan đến độc tính của thủy ngân đã được các nhà khoa học, các nhà quản lý về môi trường phát hiện trong đó điển hình là vụ nhiễm độc thủy ngân tại vịnh Minamata, Nhật Bản. Di chứng, hậu quả của vụ nhiễm độc thủy ngân này đối với con người nặng nề đến mức các hội chứng bệnh lý của người dân nhiễm độc thủy ngân mắc phải tại đây được các nhà nghiên cứu gọi tên là hội chứng Minamata nhằm ghi lại dấu ấn "đen tối" trong lịch sử con người do ảnh hưởng của thủy ngân gây ra. Ở Việt Nam, vụ cháy xảy ra tại Công ty cổ phần Bóng đèn Phích nước Rạng Đông - cơ sở phường Hạ Đình, Thanh Xuân, Hà Nội diễn ra ngày 28/08/2019 đã thiêu rụi 6.000m2 nhà xưởng, kho thành phẩm thuộc bộ phận làm đèn dây tóc, bóng đèn huỳnh quang và CFL đã dẫn đến nhiều lo ngại về vấn đề phát tán thủy ngân ra ngoài môi trường. Về mặt nguyên lý, thủy ngân giải phóng ra khỏi vật thể ban đầu sau quá trình cháy sẽ tồn tại dưới dạng pha khí, tác động trực tiếp hoặc gián tiếp đến con người. Trường hợp tác động gián tiếp, khí thải chứa thủy ngân theo hoàn lưu khí quyển xâm nhập vào môi trường nước (nước mặt, nước biển), môi trường đất; cũng có thể lắng đọng qua mưa/các hạt sol khí để xâm nhập vào môi trường đất, nước (nước mặt, nước ngầm), tích tụ tại biển, đi vào chuỗi thức ăn của hệ sinh thái, gây hại cho con người theo các dạng thức như nước thải có chứa thủy ngân. Theo U.S EPA, thủy ngân trong khói thải có thể lan truyền và lắng đọng xuống bề mặt đất/nước tại các vị trí cách xa nguồn thải hàng nghìn mét khiến kiểm soát khó khăn. 1 Theo số liệu thống kê [103], việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch trong các NM điện và lò hơi sinh nhiệt chiếm 46% tổng lượng thủy ngân phát thải toàn cầu chiếm tỷ lệ lớn nhất, tiếp theo là hoạt động khai thác và chế biến vàng (18%), sản xuất xi măng và luyện kim đều chiếm khoảng 10%, lượng phát thải thủy ngân còn lại do hoạt động xử lý rác, sản xuất hỗn hỗng nha khoa… Đến năm 2018 [35], lượng thủy ngân phát thải trên toàn cầu ước tính là hơn 2,22 triệu tấn trong đó chủ yếu từ các hoạt động khai thác mỏ, chế biến quặng (37,7%), hoạt động đốt than sản xuất điện chiếm 21%, xi măng là 11%. Như vậy, trong các hoạt động nhân sinh, lò đốt nhiên liệu hóa thạch (NMNĐ, thép, xi măng, luyện kim...) chiếm vai trò đặc biệt quan trọng. Dự án kiểm kê thủy ngân quốc gia năm 2015 [1] ước tính tổng lượng phát thải thủy ngân từ tiêu thụ năng lượng (theo năm) tại Việt Nam chiếm 13,3% cao thứ hai trong số các ngành/lĩnh vực được thống kê. Khí thải chứa thủy ngân (bao gồm cả nguồn thải nhân sinh lẫn tự nhiên) trong đó chủ yếu từ hoạt động đốt nhiên liệu hóa thạch tại các lò đốt quy mô công nghiệp với một lượng lớn. Thủy ngân trong khí thải được phát thải qua các ống khói có độ cao hàng trăm mét, khuếch tán trong môi trường không khí, dễ dàng chuyển từ môi trường không khí sang các thành phần môi trường khác (đất, nước) nên tác hại của thủy ngân được phát huy trên diện rộng, tích tụ trong các hệ sinh thái. Đặc điểm này khiến cho nguồn khí thải có chứa thủy ngân cần được kiểm soát chặt chẽ. Nghiên cứu độc tính, đặc điểm tồn tại của thủy ngân trong môi trường đã được các nước trên thế giới đặt ra từ những năm 80 của thế kỷ trước. Các nghiên cứu về nguồn gốc, sự tồn tại và chuyển hóa cũng như phát sinh thủy ngân trong quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch của các NMNĐ đã được nghiên cứu, công bố nhưng chủ yếu mới đưa ra các số liệu phân tích đối với than bitum, á bitum (loại than sử dụng phổ biến tại Hoa Kỳ, Úc, Châu Âu, thậm chí Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc). Tài liệu đề cập đến hàm lượng thủy ngân trong than antraxit cũng như phát thải thủy ngân từ các NMNĐ đốt than antraxit (loại than đặc trưng đang khai thác, sử dụng nội địa của Việt Nam hiện nay) rất hiếm trong khi than antraxit có đặc tính lý - hóa khác hẳn than bitum và á bitum. Việt Nam là nước mới gia nhập công ước Minamata về thủy ngân (ký kết ngày 11/10/2013, phê chuẩn ngày 23/06/2017). Theo lộ trình, Việt Nam cần thực 2 hiện điều tra quốc gia về hiện trạng sử dụng, phát thải thủy ngân, hướng tới kiểm soát phát thải. Tuy nhiên, đến nay Việt Nam vẫn chưa có cơ sở dữ liệu về thủy ngân đáng tin cậy, đồng bộ; một số hoạt động kiểm kê nguồn phát thải thủy ngân đã được xúc tiến trong những năm 2014-2015, chủ yếu dựa trên nguồn tài trợ của quốc tế, phạm vi hẹp (dự án “Kiểm kê thủy ngân quốc gia” dưới sự tài trợ của UNEP [1] là ví dụ), cung cấp những số liệu bước đầu, mức độ chính xác còn xem xét, cần tiếp tục sàng lọc để có một hệ thống dữ liệu thủy ngân tin tưởng hơn. Như vậy, có thể thấy lĩnh vực phát thải thủy ngân được thế giới cũng như Việt Nam quan tâm là ngành CNNĐ. Tại Việt Nam, nhiệt điện đốt than với vai trò là một nguồn thải lớn, tốc độ phát triển nhanh nhằm đáp ứng nhu cầu tăng trưởng, phát triển của nền kinh tế quốc dân nên việc nghiên cứu hàm lượng thủy ngân trong than (than antraxit) sử dụng trong các NMNĐ là hết sức cần thiết. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Đánh giá được hiện trạng thủy ngân trong: than nhiên liệu, các nguyên liệu đầu vào khác (nếu có), các sản phẩm đầu ra quá trình đốt than sản xuất điện của các NMNĐ nghiên cứu tại Việt Nam. - Ước tính được trung bình lượng thủy ngân đầu vào từ than nhiên liệu khi sản xuất một đơn vị điện năng và phát thải ra từ một số nguồn thải (01GWh điện) của những NMNĐ đốt than nghiên cứu. - Xác định mối tương quan lượng thủy ngân giữa nguyên liệu đầu vào và các sản phẩm đầu ra; trong các loại chất thải khác nhau khi xem xét cân bằng vật chất của quá trình đốt than tại các NMNĐ nghiên cứu, từ đó đề xuất biện pháp quản lý phù hợp trong điều kiện hiện tại của Việt Nam. 3. Nội dung nghiên cứu - Thông qua kết quả phân tích, xác định hàm lượng thủy ngân trong: than nhiên liệu; một số nguyên liệu đầu vào khác tham gia vào quá trình biến hóa năng của than nhiên liệu thành nhiệt năng tại các NMNĐ nghiên cứu; các sản phẩm đầu ra sau khi đốt than tại NM. So sánh kết quả nghiên cứu với những số liệu đã công bố trong nước và quốc tế để phân tích, đánh giá. 3 So sánh lượng thủy ngân trong mỗi sản phẩm đầu vào, đầu ra của quá trình đốt than giữa các NMNĐ được nghiên cứu để phân tích và đánh giá. Nghiên cứu sử dụng mô hình AERMOD tính toán nồng độ thủy ngân dạng PBM (liên kết trong các hạt tồn tại ở thể rắn không bị thu giữ bởi thiết bị lọc bụi) của 01 NMNĐ điển hình nhằm bước đầu xem xét mức độ phát thải thủy ngân (PBM) từ ống khói NMNĐ trong môi trường không khí. - Căn cứ hàm lượng thủy ngân trong than nhiên liệu tại mỗi NMNĐ nghiên cứu, sản lượng than tiêu thụ và sản lượng điện sản xuất tương ứng, xác định lượng thủy ngân đầu vào khi sản xuất một đơn vị điện năng (GWh) các NMNĐ nghiên cứu. So sánh kết quả tính toán với số liệu đã công bố trước đây để đánh giá. - Căn cứ lượng thủy ngân trong các sản phẩm đầu ra quá trình đốt than tại các NM nghiên cứu đã xác định, xem xét mối tương quan lượng thủy ngân giữa các loại chất thải khác nhau trong cùng một NM cũng như cân bằng thủy ngân trong quá trình than cháy để sản xuất điện từ đó xác định loại chất thải (rắn/lỏng/khí) có khả năng chứa hàm lượng thủy ngân cao hơn cần tập trung kiểm soát. So sánh cân bằng thủy ngân trong quá trình đốt than tại các NMNĐ nghiên cứu với các kết quả, đánh giá trên thế giới; phân tích nguyên nhân mất cân bằng và nhận xét. Rà soát các biện pháp quản lý, giảm thiểu phát thải thủy ngân từ lĩnh vực CNNĐ trên thế giới, đưa ra một số giải pháp phù hợp với Việt Nam trong điều kiện hiện nay. 4. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu thủy ngân của luận án được thực hiện trên đối tượng là nhiên liệu đầu vào (than), các sản phẩm cháy đầu ra (tro, xỉ, bụi, khí thải) của một số NMNĐ đốt than ở Việt Nam. Một số NMNĐ tiến hành khử SOx trong khí thải (bằng đá vôi hoặc nước biển) sẽ xác định thêm thủy ngân trong đá vôi hoặc nước biển cấp cho hệ thống FGD cũng như chất thải đầu ra (thạch cao, nước thải FGD). 4 - Phạm vi nghiên cứu: Trong khoảng thời gian 03 năm tiến hành luận án (2016-2019), nghiên cứu được tiến hành trên 16 NM trong tổng số 24 NMNĐ đốt than đang vận hành hiện nay của Việt Nam. Các NMNĐ được lựa chọn nghiên cứu đại diện cho cả 02 công nghệ lò hơi phổ biến hiện nay (CFB và PC); sử dụng các nguồn than trong nước cũng như nhập khẩu; bao gồm cả các NM điện cũ lẫn các NM mới đưa vào vận hành; từ các NM có hệ thống xử lý khí thải chỉ lắp đặt thiết bị lọc bụi (ESP) đến những NM có hệ thống xử lý khí thải tương đối đầy đủ (lắng bụi tĩnh điện, khử SOx và NOx trong khí thải). Luận án cũng nghiên cứu thí điểm sự phát thải thủy ngân (thông qua bụi PBM) từ ống khói một NMNĐ điển hình để so sánh, đánh giá mức độ phát thải thủy ngân từ NMNĐ trong môi trường không khí. Thời gian ước tính lượng thủy ngân đầu vào quá trình sản xuất các NMNĐ đốt than được nghiên cứu là 03 năm gần nhất kể từ thời điểm kết thúc luận án (2020-2022), dựa trên số liệu đầu vào tiêu thụ than, sản lượng điện dự báo trong 05 năm gần nhất (2020-2025). Các tính toán cân bằng thủy ngân; lượng thủy ngân trong nguyên, nhiên liệu đầu vào/sản phẩm đầu ra khi đốt than sản xuất 01kWh điện một vài NMNĐ nghiên cứu căn cứ số liệu thời điểm năm 2019. 5. Những điểm mới của luận án - Luận án cung cấp, đánh giá các số liệu phân tích thủy ngân trong than antraxit sử dụng tại các NMNĐ đốt than của Việt Nam. - Luận án nghiên cứu sự phát thải thủy ngân từ quá trình đốt cháy nhiên liệu, trong đó có thủy ngân dạng hạt (PBM) liên kết cùng hạt bụi theo dòng khói thải vào môi trường không khí từ NMNĐ (thí điểm tại một nhà máy điển hình). Việc nghiên cứu phát thải tại các NMNĐ từ trước đến nay tại Việt Nam chủ yếu tập trung vào các thành phần ô nhiễm: bụi, khí SOx, NOx, ít đề cập đến thủy ngân. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Luận án cung cấp bộ dữ liệu kết quả phân bố thủy ngân trong hoạt động NMNĐ đốt than bao gồm từ nguyên/nhiên liệu đầu vào: than nhiên liệu, đá vôi/nước biển dùng để khử SOx trong khí thải đến các sản phẩm cháy đầu ra: tro, xỉ, thạch cao, bụi, khí thải, nước thải hệ thống khử SOx. 5 - Thông qua kết quả phân tích hàm lượng thủy ngân trong các sản phẩm cháy sau khi đốt than tại các NMNĐ, luận án bước đầu xác định mức độ tồn tại của thủy ngân trong các loại chất thải khác nhau của NMNĐ, từ đó đề xuất đối tượng cần kiểm soát và biện pháp quản lý phù hợp. - Từ năm 2015 đến nay, Bộ TN&MT đã nhiều lần dự thảo sửa đổi quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải CNNĐ - QCVN 22:2009/BTNMT trong đó dự kiến bổ sung kiểm soát thêm thông số thủy ngân trong khí thải. Việc bước đầu nghiên cứu, đánh giá hàm lượng thủy ngân trong bụi, nồng độ thủy ngân trong khí thải tại các NMNĐ này sẽ có giá trị thực tiễn khi trở thành một phần tham khảo trong quá trình xây dựng, hiệu chỉnh quy chuẩn; xây dựng quy định về đăng ký phát thải và chuyển giao phát thải (PRTR) thủy ngân sau này. 7. Cấu trúc của luận án Luận án bao gồm 03 chương không kể phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo. Chương 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương 2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu Chương 3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận. 6