Cơ chế hình thành NOx và n2o trong lò hơi tầng sôi tuần hoàn, các giải pháp kỹ thuật giảm thiểu phát thải khí trong buồng lửa lò hơi tầng sôi tuần hoàn đốt than

..
..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------Đỗ Văn Quân

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Cơ chế hình thành NOx và N2O trong lị hơi tầng sơi tuần hoàn, các giải
pháp kỹ thuật giảm thiểu phát thải khí trong buồng lửa lị hơi tầng sơi tuần
hồn đốt than AnThraxit trong các nhà máy điện ở việt nam

nhiệt-lạnh

NGÀNH: NHIỆT-LẠNH

ĐỖ VĂN QUÂN

2003 - 2005
Hà Nội
2005

Hà Nội-2005


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Cơ chế hình thành NOx và N2O trong lị hơi tầng sơi tuần hồn, các giải
pháp kỹ thuật giảm thiểu phát thải khí trong buồng lửa lị hơi tầng sơi tuần
hồn đốt than AnThraxit trong các nhà máy điện ở việt nam
Chuyên ngành: nhiệt-lạnh

ĐỖ VĂN QUÂN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

GS.TSKH. Nguyễn Sĩ Mão
Hà Nội-2005


Bộ giáo dục đào tạo
Trường đại học bách khoa

Cộng hoà x· héi chđ nghÜa ViƯt Nam

§éc lËp – Tù do Hạnh phúc
.

Bản cam đoan
Đề tài thạc sĩ khoa học: Cơ chế hình thành NOx và N2O trong lò hơi tầng sôi tuần
hoàn, các giải pháp kỹ thuật giảm thiểu phát thải khí trong buồng lửa lò hơi tầng
sôi tuần hoàn đốt than Anthraxit trong các nhà máy điện ở Việt Nam do
GS.TSKH: Nguyễn Sĩ MÃo hướng dẫn được thực hiện trên cơ sở lý thuyết và số
liệu thực tế do t«i thùc hiƯn. T«i xin cam quan kh«ng sao chép của người khác.

Người viết cam đoan

Đỗ Văn Quân


Lời cảm ơn
Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn tới Bộ môn Máy năng
lượng, Viện khoa học và công nghệ Nhiệt – Lạnh, Trường đại học
Bách Khoa Hà Nội, Ban giám hiệu trường Đại học Kỹ thuật công
nghiệp Thái Nguyên đã tạo điều kiện, dành thời gian và sự khích lệ
tinh thần đối với tơi trong suốt q trình học và thực hiện luận văn.
Tôi vô cùng biết ơn sâu sắc đến GS. TSKH. Nguyễn Sĩ Mão đã
không tiếc thời gian và cơng sức giúp đỡ tơi hồn thành luận văn này.
Tôi xin cảm ơn đến PGS.TS. Nguyễn Văn Mẫn, Ths. Lê Đức
Dũng đã dành cho tôi nhiều thời gian để động viên và đóng góp nhiều
ý kiến bổ ích.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các anh chị đồng
nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi cả về mặt thời gian cũng như sự
khích lệ tinh thần trong suốt q trình thực hiện luận văn.
Tơi xin chân thành cảm ơn các cơ quan: Viện khoa học và công
nghệ Môi Trường, Trường ĐHBK Hà Nội, Viện khoa học và công nghệ
Mỏ Việt Nam đã giúp đỡ tôi khi lấy mẫu và phân tích các đặc tính than
Việt Nam, các cán bộ kỹ thuật Nhà máy nhiệt điện Na Dương- Lạng
Sơn đã tạo điều kiện cho chúng tôi tham quan thu thập những số liệu
vận hành của nhà máy.
Và cuối cùng xin được bày tỏ lòng biết ơn đến người thân cùng
ban bè đồng nghiệp, những người đã thường xuyên cổ vũ và động
viên tôi thực hiện tốt luận văn này.

Hà nội, ngày 30 tháng 10 năm 2005
Đỗ Văn Quân

3

Mở đầu
Ngày nay, trên thế giới để đáp ứng sự phát triển kinh tế thì các ngành
công nghiệp đÃ, đang và sẽ phát triển với tốc độ rất cao. Mặt trái của sự phát
triển này là môi trường (không khí, đất, nước và thế giới động thực vật) phải
hứng chịu một lượng chất thải khổng lồ. Trong các số chất thải này phải kể
đến các chất phát thải CO, SO2, SO3 và NOx. Lượng NOx sinh ra phụ thuộc
chủ yếu vào quá trình đốt nhiên liệu hoá thạch.
Hàng năm, khí phát thải NOx trên toàn thế giới ước tính lên tíi 180 ®Õn
200 triƯu tÊn [3a], mét nưa sè ®ã bắt nguồn từ công nghiệp. Có hai nguồn
chính phát thải NOx là các cơ sở đốt nhiên liệu hoá thạch và ngành luyện kim.
Quá trình đốt nhiên liệu hoá thạch có chứa Nito là một trong những
nguồn chính sinh ra NO, NO2 gọi chung là NOx và một lượng nhỏ N2O phát
thải vào khí quyển, NOx trong điều kiện thích hợp sẽ kết hợp với hơi nước tạo
thành hơi Axit. Khí NOx có thể gây ảnh hưởng xấu đến đường hô hấp của con
người gây viêm phổi và những di chứng về gen cho nhiều thế hệ. Còn hơi axit
có thể biến thành nước axit là tác nhân gây nên sự xâm thực, hư hỏng các
công trình kiến trúc.
Từ thập kỷ 80, luật phát thải NOx được ban hành trên rất nhiều quốc gia
công nghiệp hoá khác. Hầu hết, các thành viên của tổ chức kinh tế châu Âu
đều phải tuân theo các quy định này.
Để minh họa cho ảnh hưởng của quá trình hoạt động năng lượng đến
lượng phát thải và khí NOx bảng B.1 trình bày dự báo tổng lượng khí ô nhiễm
phát thải trong công nghiệp năng lượng của 6 nước ASEAN đến 2020.


1

Tóm tắt
Mục tiêu của luận án này là tiếp tục nghiên cứu làm sáng tỏ thêm cơ
chế hình thành khí NOx và N2O trong buồng đốt lò hơi tầng sôi tuần hoàn và
các biện pháp giảm thiểu phát thải. Với mục tiêu đó, bản luận án được hình
thành gồm các phần sau:
ã Nội dung 1: Trên cơ sở thu thập số liệu đánh giá hiện trạng, khả năng
phát thải khí NOx vµ N2O cđa ViƯt Nam vµ thÕ giíi trong những năm
gần đây, việc nghiên cứu sự hình thành NOx kết hợp với phương pháp
phân tích nhiên liệu và diễn biến của dây chuyền phản ứng tạo ra NOx
và N2O trong quá trình cháy than bằng công nghệ tầng sôi tuần hoàn.
Qua các kết quả tính toán, nghiên cứu, nội dung luận văn trình bày bức
tranh tổng quát về vấn đề ô nhiễm môi trường do các chất phát thải phát
ra và các công nghệ giảm thiểu khí ô nhiễm NOx và N2O khi đốt nhiên
liệu trong quá trình sản xuất và sử dụng than.
ã Nội dung 2: Từ những đánh giá phân tích trên, một số giải pháp giảm
thiểu NOx khả thi đối với Việt Nam đà được đề xuất và thảo luận.
Những giải pháp công nghệ sạch để phòng ngừa và giảm thiểu khí NOx,
N2O và SO2 phát tán ra không gian như nghiên cứu chế độ cháy tối ưu,
giảm thiểu phát thải khí trước khi ra khỏi buồng đốt, kết hợp công nghệ
giảm thiểu trong và sau quá trình cháy v.v, được ưu tiên hàng đầu.
ã Nội dung 3: Để làm sáng tỏ những kết luận về mặt lý thuyết và cũng
như thực hiện những nghiên cứu cụ thể, chúng tôi đà xây dựng chế độ
vận hành tối ưu cho nhà máy nhiệt điện Na Dương Lạng Sơn trên cơ
sở những số liệu thu thập được. Vì thời gian thực hiện đề tài ngắn, sự
vận hành nhà máy điện Na Dương đang còn ở trong giai đoạn thử
nghiệm ban đầu cho nên các số liệu cụ thể vẫn còn ở mức thô. Từ đó


2

các kết luận và kiến nghị đưa ra của chúng tôi chủ yếu là những kiến
nghị và lý giải phân tÝch tõ lý thuyÕt lµ chÝnh.


4

Bảng B.1.
Chất phát thải

tấn.103, phát thải Số lần tăng so Tỷ trọng do ngành
vào năm 2020

với năm 1988

Điện gây ra

SO2

7400

4,0

41%

NOx

12900

6,5

22%

(Nguồn: ASEAN 2020- Chiến lược năng lượng đến năm 2020-AEEMTRC-1996)

Theo báo cáo tổng kết chương trình KHCN-09 thì ở nước ta, tốc độ tăng
trưởng sản lượng điện bình quân trong giai đoạn 10 năm (1986-1995) là hơn
11%, riêng ba năm (1994-1996) đạt gần 17%, năm 1998 khi kinh tế tăng
chậm lại, điện sản xuất vẫn tăng 13,1%. Đến năm 2000 sản xuất điện đạt gần
27 tỷ kWh. Tổng công suất các nguồn điện khoản 6 triệu kW, trong đó nguồn
thuỷ điện chiếm 55% [6]. Phát triển nguồn điện, với phương án phụ tải điện cơ
sở: từ nay đến năm 2020, tổng công suất các nhà máy điện xây dựng thêm
khoảng gần 30.000 MW, trong đó thuỷ điện hơn 9.000 MW, nhiệt điện khí
trên 10.000 MW; nhiệt điện than 6.000ữ 7.000 MW; điện địa nhiệt 200 MW
và các nguồn điện khác. Với tỷ trọng thuỷ điện trong tổng công suất đặt
khoảng 35%; nhiệt điện khí 35ữ 40%; nhiệt điện than 15ữ 20%; còn lại là các
nguồn khác, đảm bảo có tỷ lệ dự phòng hệ thống 20ữ 23%[6]. Riêng nhiệt
điện than, công suất lắp đặt của nhiệt điện than hiện nay chỉ khoảng
1700 MW. Để đảm bảo tính đa dạng phát triển nguồn, đồng thời phát triển
ngành than, công suất các nhà máy nhiệt điện than trong nước sẽ nâng lên trên
3.000 MW vào năm 2010 và trên 6.000ữ 7.000 MW vào năm 2020. Sản lượng
nhiệt điện than năm 2020 vào khoảng 26ữ 30 tỷ kWh, tiêu thụ khoảng 13ữ15
triệu tấn than [6].
Từ các số liệu trên, có thể thấy ngày một tăng công suất nhiệt điện than
mạnh hơn nhiều so với hiện nay, trên 2 lần vào năm 2010, trên 5 lần vào năm
2020. Nói một cách khác hàm lượng Nitơ phát thải ra môi trường cũng tăng


5

tương ứng với việc tăng sự tiêu thụ than với giả thiết công nghệ khử Nitơ như

hiện nay.
Việc nghiên cứu sự hình thành NOx cũng như N2O và các giải pháp kỹ
thuật giảm NOx trong quá trình cháy than hoàn toàn phù hợp với chính sách
năng lượng của nước ta và đồng thời cũng phù hợp với xu thế chung của thế
giới về bảo vệ môi trường trong sạch là: Khuyến khích sử dụng các công
nghệ mới ở các nhà máy nhiệt điện: buồng đốt phun, tầng sôi, chu trình kết
hợp khí hơi, địa nhiệt; công nghệ xử lý chất thải v.v, để nâng cao hiệu suất và
bảo vệ môi trường. [6]
Xuất phát từ luận điểm nói trên, mục tiêu của luận án này nhằm:
- Cập nhật và hệ thống lại những lý thuyết cơ bản và mới về cơ chế hình
thành NOx và N2O, đồng thời đưa ra các biện pháp giảm thiểu chúng trong
công nghệ cháy than.
- Phân tích đặc điểm sản xuất năng lượng từ than của Việt Nam để lựa chọn
công nghệ khử Nitơ phù hợp với điều kiện thực tế của Việt Nam.
Phương pháp nghiên cứu được sử dụng để thực hiện các nhiệm vụ đặt
ra là:
- Trên cơ sở thu thập các tài liệu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài
nước, tiếp tục hoàn thiện phần lý thuyết về sự hình thành NOx và N2O trong
các nhà máy nhiệt điện than nhất là đối với than Việt Nam.
- Dựa vào các số liệu vận hành cụ thể của Nhà máy Nhiệt điện Na Dương
để phân tích và đưa ra các chế độ vận hành lò hơi hợp lí.


6

Luận án bao gồm:
Chương 1: Tình hình ô nhiễm NOx và N2O do các hoạt động Năng lượng
Chương 2: Nhà máy điện đốt than và vấn đề phát thải khí NOx
Chương 3: Cơ chế hình thành NOx và N2O trong quá trình cháy than nói
chung và cháy than antraxit trong lò hơi tầng sôi tuần hoàn nói riêng

Chương 4: Kỹ thuật giảm thiểu khí phát thải trong lò hơi tầng sôi tuần hoàn
Chương 5: Phân tích và đưa ra các chế độ vận hành hợp lí cho lò hơi tuần
hoàn tầng sôi nhà máy nhiệt điện Na Dương-Lạng Sơn
Kết Luận


7

Chương 1
Tình hình Ô nhiễm NOx do các hoạt động Năng lượng
Nói đến bảo vệ môi trường ta cần phải xem xét đánh giá nhiều mặt,
trong bản luận văn này chúng tôi chỉ đề cập đến sự ô nhiễm khí NOx và tác
động của nó. Vấn đề đầu tiên cần phải đề cập đến là nguồn gốc sinh ra khí
NOx.
1.1. Nguån gèc sinh ra khÝ NOx
Nguån gèc sinh ra khÝ ô nhiễm NOx chủ yếu do nguồn gốc nhân tạo nó
rất đa dạng: do hoạt động công nghiệp đốt cháy nhiên liệu hoá thạch và hoạt
động của các phương tiện giao
thông vận tải... Một ví dụ để làm
sáng tỏ vấn ®Ị ®ã, biĨu ®å 1 cho
1

biÕt tû lƯ l­ỵng chÊt thải (NOx) có

2

nguồn gốc nhân tạo của thế giới

3

năm 1992 [10]. Lượng NOx phát

4
5

thải từ các nguồn nhân tạo trên
thế giới năm 1992.
1. Nguồn giao thông vận tải
7,3 triệu tấn

Biểu đồ 1: Tỷ lệ các nguồn phát thải NOx

2. Nguồn ®èt nhiªn liƯu 8,8 triƯu tÊn, trong ®ã ®èt than chiếm 3,6 triệu tấn
3. Quá trình sản xuất công nghiệp 0,2 triệu tấn
4. xử lý chất thải rắn 0,5 triệu tấn
5. Các hoạt động khác 1,6 triệu tấn
1.2. Tình hình ô nhiễm NOX ở Việt Nam
Các hoạt động sử dụng năng lượng hữu cơ trong sản xuất điện, trong công
nghiệp, trong giao thông vận tải gây ô nhiễm môi trường chủ yếu bởi các loại


8

khói thải và bụi, gây hiệu ứng nhà kính hoặc gây độc hại. Bảng 1-1 cho các
đánh giá một số nguồn phát thải trong một năm khoảng thời gian 1996- 1997.
Bảng 1-1: Tải lượng phát thải trong một năm của các ngành có sử dụng
nhiên liệu hữu cơ [6].
Chất thải

CO2

NOx

Ngành

(1000t)

Điện

CO

SOx

(1000t)

(1000t)

(1000t)

3000

12

1

18

280

CN

15.740

214

478

1559

GTVT

3884

104

326

6

823

918

4

207

Tổng

22.624

330

327

502

823

918

1843

207

B
6

B
1

VOC
B
2

RCHO
B
5

(1000t)

(t)

Bụi/muội
B
3

(1000t)

Chì
B
4

(t)

Ghi chú: VOC chất thơm, RCHO-CmHmR-CHO: các hợp chất hữu cơ

Lượng phát thải dự báo trong sử dụng nhiên liệu hữu cơ.
Bảng 1.2. Dự báo phát thải khi sử dụng nhiên liệu hữu cơ trong công nghiệp
và sản xuất điện, năm 2010 [6]
Phát thải

Đơn vị đo

SX Điện

Công nghiệp

Bụi

ngàn tấn

1.178

470

SOx

ngàn tấn

101

117

NOx

ngàn tấn

120

59

CO2

ngàn tấn

36.102

4.269

Chi phí khắc

triệu USD

1.482

0B

phục
Từ bảng 1 và 2 ta thấy rằng, tổng lượng khí ô nhiễm NOx sinh ra riêng
do sản xuất điện năng đà tăng 10 lần chỉ trong hơn 10 năm.
Theo nhu cầu sử dụng điện hiện nay và trong tương lai cùng với trữ
lượng than hiện có thì, khí ô nhiễm NOx sẽ còn tiếp tục tăng rất mạnh trong
những năm tiếp theo.


9

1.3. ảnh hưởng của NOx tới sức khoẻ con người và môi trường sinh thái
Như trên đà nói, quá trình đốt nhiên liệu hoá thạch có chứa Nitơ là một trong
nh÷ng nguån chÝnh sinh ra NOx gåm cã NO, NO2 và một phần N2O trong
không khí. Khi được thải vào khí quyển, NOx kết hợp với hơi nước tạo thành
hơi Axit HNO3.
Axit HNO3 sẽ gây ăn mòn các công trình xây dựng, các di tích kiến trúc.
Đối với cơ thể con người, NOx có thể gây ảnh hưởng đường hô hấp như
gây tức ngực, đau đầu, nôn mửa [10].
Với thực vật, NOx trở thành chất độc ở nồng độ 0,1ữ 0,2 ppm. ở nồng
độ 0,4 ppm nó phá huỷ tế bào diệp lục và gây ra vết xám nứt trên mặt lá[2a].
Ngoài ra, NOx còn kết hợp với tro bay tạo nên hiện tượng Sương mù và
khói ở điều kiện nhiệt độ dưới 10oC và điều kiện khí hậu không ổn định, điều

này gây tác hại rất nghiêm trọng đối với môi trường sống [2a].
Một tác động khác nữa, mà hiện nay đang được thế giới đặc biệt quan
tâm là NOx cùng với SO2 là nguồn gốc của những cơn mưa Axit có những ảnh
hưởng trực tiếp và gián tiếp đối với môi trường sinh thái [2a].
Phần tiếp theo chúng tôi muốn đi sâu phân tích sự hình thành khí NOx
nói chung và N2O nói riêng trong quá trình cháy nhiªn liƯu.


10

Chương 2
nhà máy điện đốt than và vấn đề phát thải khí NOx
2.1. Khuynh hướng phát triển nhiệt điện than Việt Nam và các công nghệ
khử Nitơ kèm theo
Nhiệt điện than, đÃ, đang và sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong
ngành sản xuất điện năng, sự phát triển của nền kinh tế. Việc xem xét hiện
trạng và khuynh hướng phát triển nhiệt điện than và quá trình sản xuất là một
trong những mối quan tâm hàng đầu của nhiỊu qc gia trong ®ã cã ViƯt
Nam.
NhiƯt ®iƯn than, nay tập trung hầu hết ở miền Bắc Việt Nam, công suất
phát điện ra chủ yếu từ các nhà máy như: Phả lại I công suất 440 MW, nhà
máy do Nga xây dựng vào những năm 80 chưa áp dụng công nghệ khử Nitơ;
Ninh Bình công suất 100 MW do Trung Quốc thiết kế và lắp đặt, đưa vào vận
hành năm 1974. Công nghệ thiết bị thuộc loại lạc hậu, tuy nhà máy đà được
đại tu song đến nay hiệu suất vẫn rất thấp, và hàm lượng chất phát thải khí
vẫn còn cao (NOx vượt quá mức cho phép từ 2ữ 7 lần); Nhà máy điện Uông Bí
có công suất khoảng 150 MW, thuộc loại thế hệ cũ, công nghệ lạc hậu, hiệu
suất nhà máy thấp, ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Hiện nay Phả lại II
2x300 MW đà đưa vào vận hành, mới quan tâm đến vấn đề khử SOx chưa quan
tâm đến vấn đề khử NOx. Nhà máy điện Uông Bí mở rộng với công suất 300

MW đang được xây dựng; Na Dương- Lạng Sơn, Cao Ngạn - Thái Nguyên
công suất 110MW đà đưa vào vận hành với công nghệ đốt than lò hơi tầng sôi
tuần hoàn đà đảm bảo được chỉ số phát thải NOx nhưng chỉ số phát thải SOx
vẫn vượt quá mức cho phép nhiều lần, cho nên vấn đề quan tâm chính hiện
nay của nhà máy là khống chế phát thải SOx ; Sắp tới Tổng công ty than còn
xây dựng thêm nhà máy đốt than xấu cũng bằng công nghệ đốt than tầng sôi
tuần hoàn tại Đầm Rì - Bắc Giang công suất 110MW. Ngoài ra, còn một số


11

trung tâm nhiệt điện nhỏ như: nhà máy điện - đạm Hà bắc và một số nhà máy
đường. Các nhà máy này, cũng chưa có công nghệ khử các khí độc hại gây ô
nhiễm môi trường trong khói lò hơi.
Song song với sự phát triển kinh tế của đất nước, điện năng sẽ liên tục tăng
công suất trong những năm tới. Theo chương trình phát triển nguồn điện giai
đoạn 2000-2020. Từ nay đến năm 2010, sẽ xây dựng thêm nhiều nhà máy
nhiệt điện than có tổng công suất tăng thêm lên tới 1800 MW, khi đó tổng
công suất điện than sẽ tăng trên 2 lần so với hiện nay. Đến năm 2020, tổng
công suất nhiệt điện than sẽ lên tới 6000ữ7000 MW, tăng trên 5 lần so với
hiện nay. Theo Dự báo về chính sách năng lượng quốc gia trong năm 9697, lượng khí NOx phát thải do nhiệt điện trên 12.000 tấn, ước tính đến năm
2010 trên 120.000 tấn, năm 2020 trên 250.000 tấn [3]. Theo chiến lược và
chính sách phát triển năng lượng bền vững, thì tất cả các nhà máy mới sẽ được
xây dựng đều phải có hiệu suất cao, sử dụng công nghệ khử các chất độc hại
theo tiêu chuẩn của môi trường. Các chất phát thải, gây ô nhiễm môi trường
nghiêm trọng trong đó có NOx và chúng ngày một gia tăng nhanh chóng. ở
đây vấn đề đặt ra là chúng ta phải xem xét và lựa chọn công nghệ giảm thiểu
Nitơ khả thi. Đây là một vấn đề lớn, chúng ta sẽ bàn tiếp trong chương 4.
Đồng thời với sử dụng công nghệ khử Nitơ hợp lí, còn phải chú ý đến nâng
cao hiệu suất toàn nhà máy điện. Đây cũng là một trong những chiến lược

phát triển năng lượng, đà được ghi rõ trong dự thảo chính sách năng lượng
quốc gia, theo bảng 2-1 sau:


12

Bảng 2-1: Hiệu suất nhiệt điện (%) [6].
Năm

1995

2000

2005

2010

2015

2020

Than

24,3

22

30

31,5

32,4

35,7

Khí

40

31

41,3

42,2

44,6

47,3

Loại NL
B
2

Ghi chú: Giả thiết điện chạy dầu tương đương than.

2.2. Nguồn phát khí thải (NOx) từ nhiệt điện than
Trong các nhà máy nhiệt điện ngưng hơi, không khí nóng cùng với bột
than được phun vào buồng lửa qua các vòi phun còn các nhà máy nhiệt điện
đốt than với công nghệ tầng sôi tuần hoàn thì nhiên liệu được đưa vào lò từ
các phễu chứa than nhờ hệ thống vít tải than, nhiên liệu cháy truyền nhiệt cho

các dàn ống đặt xung quanh buồng lửa.
Trong quá trình cháy nhiên liệu, một lượng lớn khói sinh ra trong đó có
các chất độc hại như NOx, SOx, COx, đây chính là nguồn gốc gây ô nhiễm
nghiêm trọng đến bầu khí quyển mà ta đang xét tới. Sơ đồ công nghệ sản xuất
điện trong nhà máy điện ngưng hơi và vấn đề phát thải NOx được trình bày
theo hình 2-1.
Khói thải ( Bụi,
CO2, CO, SOx,
NOx)

Không khí
Nước
Nhiên liệu

Lò hơi

Tuabin

Máy phát
điện

Hình 2-1: Sơ đồ công nghệ nhà máy nhiệt điện ngưng hơi

Mạng
điện


13

Trong các trung tâm nhiệt điện, khác với nhà máy nhiệt điện ngưng hơi

thuần tuý ở chỗ, hơi không chỉ dùng để sản xuất điện mà còn dùng vào các
mục đích khác như: gia nhiệt (sấy, hâm nước nóng, sưởi và các mục đích sử
dụng nhiệt khác không phải là dùng cho sản xuất điện). ở đây, nguồn phát
thải khí độc hại vào bầu khí quyển, cũng như ở trên là khói sinh ra sau quá
trình cháy trong lò hơi.
Mô tả sơ đồ công nghệ nhà máy nhiệt điện ngưng hơi; các thiết bị chính
gồm có: Lò hơi, Tua bin, Máy phát điện và Gia nhiệt, theo sơ đồ công nghệ
sau:

Khói thải ( Bụi,
CO2, CO, SOx,
NOx)

Không khí
Nước
Nhiên liệu

Lò hơi

Tuabin

Máy phát
điện

Mạng
điện

Gia nhiệt

Mạng

nhiệt

Hình 2-2: Sơ đồ công nghệ trung tâm nhiệt điện


14

2.3. Tiềm năng than của Việt Nam
Đà nói đến nhiên liệu hoá thạch thì than đặc biệt là than sạch đÃ,
đang và sẽ đóng vai trò chủ đạo của nguồn năng lượng, động lực phát triển
nền kinh tế của rất nhiều quốc gia trong đó có cả Việt nam.
Để có một cách nhìn tổng quát về tương lai của các nhà máy nhiệt điện
than và dĩ nhiên là liên quan đến vấn đề phát thải NOx do các hoạt động năng
lượng, ta điểm qua một vài con số và tư liệu về tiềm năng than Việt Nam.
Những tư liệu này lấy từ các công trình nghiên cứu trước đây.
Than của Việt Nam gồm nhiều nhÃn hiệu và phân bố trong cả nước, tuy
nhiên từ nay cho đến 2020 quan trọng nhất vẫn là than antraxit ở Quảng
Ninh, tiếp đó là than ngọn lửa dài ở Na dương, Cao Ngạn, Đầm Rì và một số
mỏ khác.
Theo số liệu của các cơ quan địa chất năm 2010 và 2020 dự kiến tổng
trữ lượng địa chất về than có thể huy động là 1.044 triệu tấn, trong đó trữ
lượng công nghiệp là 850 triệu tấn. Dự kiến trữ lượng sẽ được huy động theo
từng thời kỳ, cho từng vùng cho từng phương pháp khai thác và cho từng nhÃn
hiệu than được trình bày như trong bảng 2-2:
Bảng 2-2: Trữ lượng than huy động vào khai thác đến năm 2020 [8]
Theo vùng, phương pháp

Trữ lượng huy động (ngàn tấn)

khai thác, nhÃn hiệu than

1998-2005 2006-2010 2011-2015 2016-2020

Toàn ngành

133.145

99.365

99.810

101.969

Cẩm Phả

68.278

45.290

44.108

43.765

Hòn Gai

25.827

18.960

15.684

15.684

Uông Bí

24.035

20.280

22.900

24.050

Nội địa

15.005

14.835

16.912

18.470

B
0

Trong đó vùng:


15

Khai thác:
Lộ thiên (%)

83,07ữ62

55,130ữ55 51,55ữ 52 48,460ữ48

Hầm lò (%)

46,82ữ35

41,340ữ42 45,955ữ46

Tận thu (%)

3,26ữ2

2,895ữ3

2,305ữ2

2,175ữ2

- Antraxit

12.540

90.250

89.038

98.696

- Than đá

10.675

9.925

9.172

8.601

- Than nâu, lửa dài

4.035

3.065

3.000

4.400

- Than mỡ

720

550

272

-

- Than bùn

3.850

5.500

7.500

8.000

51,334

NhÃn hiệu than:

Nếu xem xét cả về mặt kỹ thuật và kinh tế đảm bảo khai thác có lÃi thì
trữ lượng kinh tế được xác định như sau [6]:
Toàn vùng Quảng Ninh trữ lượng kinh tế còn lại tính đến 1/1999 là
588.842 ngàn tấn.
Vùng nội địa trữ lượng kinh tế còn lại tính đến 1/1999 là 31.284 ngàn
tấn.
Toàn ngành than trữ lượng kinh tế còn lại tính đến 1/1999 là 620.126
ngàn tấn.
Vùng Quảng Ninh còn một số khoáng sản chưa huy động hết trữ lượng
vào thiết kế mở rộng khai thác như khu Lỗ Trí, Khe Chàm, Khe Tam, Hà Tu,
Hà Lầm. Do vậy trữ lượng có khả năng huy động vào thiết kế khai thác đến
năm 2020 là gần 1 tỷ tấn, đảm bảo nhu cầu than cho nền kinh tế có thể khai

thác với sản lượng 20 triệu tấn/năm khoảng 50 năm nữa là cơ sở đáng tin cậy.
Than bao gồm những chất có thể Ôxy hoá được gọi là chất cháy được
và những chất không có khả năng Ôxy hoá được thì gọi là chất không cháy
được hay còn gọi là chất trơ. Trong than gåm cã: Cacbon (C), Hy®ro (H), l­u


16

huỳnh (S), Ôxy (O), Nitơ (N), tro hay còn gọi là khoáng chất (A) và nước hay
còn gọi là độ ẩm (W).
- Cacbon là thành phần cháy chủ yếu trong than, có nhiệt trị khoảng 34.150
kJ/kg.
- Hyđro là thành phần cháy quan trọng của than, nhiệt trị khoảng 144.500
kJ/kg. Lượng Hyđro trong than thường rất nhỏ.
-

Lưu huỳnh là thành phần cháy trong than, nhiệt trị lưu huỳnh bằng

khoảng 1/3 nhiệt trị của Cacbon, khi cháy lưu huỳnh sẽ tạo ra SO2, SO3 (SOx).
SOx là khí gây tác động xấu nghiêm trọng đến môi trường như đà biết.
- Ôxy, Nitơ, Độ ẩm và đôi khi cả tro là những thành phần vô ích trong than. Sự
có mặt của chúng trong than làm giảm tỷ lệ thành phần cháy trong than và
đương nhiên giảm nhiệt trị của than.
Thông thường, người ta dùng ký hiệu nguyên tố hoá học trong than để
biểu thị số phần trăm của nguyên tố đó trong một kg than cã nghÜa lµ:
C + H + S + O + N + A + W = 100%
Ph©n tÝch cã nhiều loại mẫu:
- Mẫu làm việc là mẫu được phân tích ở trạng thái thực tế làm việc:
Clv + Hlv + Slv + Olv + Nlv + Alv + Wlv = 100%
- Mẫu khô là mẫu đà loại bỏ phần ẩm trong nhiên liệu ở nhiệt độ

khoảng 105 OC (chưa kể thành phần ẩm tinh thể) khi đó.
Ck + Hk + Sk + Ok + Nk + Ak + Wk = 100%
- Mẫu cháy là mẫu đem phân tích đà loại bỏ thành phần ẩm và khoáng
chất (chỉ kể đến những nguyên tố cháy được) khi đó:
Cc + Hc + Scc + Oc + Nc = 100%
- Sau đây là các kết quả phân tích thành phần Nitơ trung bình trong than
của một số loại than Việt Nam trên cơ sở thu thập từ các đề tài khoa học công
nghệ trước đây và tư liệu thu thập được từ các c«ng ty t­ vÊn.


17

Thành phần Nitơ mẫu phân tích Npt trung bình của một số mỏ than như:
than Cẩm phả là 1,1%, than Hòn gai 1%, than Mạo khê 0,8%, than Tràng bạch
0,9%, than Vàng danh 0,94%. Các thành phần nguyên tố khác trong than của
các mỏ than trên được trình bày chi tiết trong các bảng trong chương 5 và
phần phụ lục 1.
Bảng 2.5. Đặc tính phân tích công nghiệp của một sè than ViƯt Nam [8]
Lo¹i than

C (%)

V (%)

A(%)

W (%)

Qlvt (kCal/kg)

CÈm phả

62,2

6,0

30,1

2,0

5712

Hòn gai

63,5

6,4

34,85

1,5

5704

Mạo khê

56,7

4,6

31,1

2,4

5447

Tràng bạch

57,9

5,9

33,9

2,8

5156

Vàng danh

62,4

6,1

30,05

2,6

5491

B
1

Kết luận chung về đặc tính cđa than antraxit ViƯt nam vïng Qu¶ng Ninh:
Than vïng Qu¶ng Ninh thuộc loại than bán antraxit. Theo phân loại di
truyền học nó thuộc loại đang chuyển hoá từ than đá sang than antraxit.
Thuộc loại than cháy ít khói (hàm lượng Cacbon trong than cao), hàm
lượng chất bốc trong than thấp, than thuộc loại khó bắt cháy.
Hàm lượng Nitơ trong than thÊp (N = 0,8-1,1 %) nh­ ®· nãi râ ë trên.
Tuy các mỏ ở từng khu vực có đặc tính than khác nhau, song nhìn nhận
chung thì than có đặc tính biến đổi không cao. Qua các số liệu thống kê trong
15 năm gần đây, đặc tính các loại than này hầu như không biến đổi [8]. Các
thành phần hoá học C, H, S, N, O không biến đổi lớn khi so sánh giữa các mỏ
khác nhau.
Than vùng này thuộc loại than có nhiệt độ nóng chảy của tro cao.Tổng
hàm lượng Ôxit Silic và Ôxit nhôm trong thành phần Ôxit trong tro đều lớn
hơn 80%. Cho nên than sẽ dùng tốt cho loại lò thải xỉ khô.


18

Chương 3
Cơ chế hình thành NOx và N2O
3.1. Cơ chế hình thành NOx
Nitơ ôxit sinh ra trong quá trình đốt cháy bột than chủ yếu là NO và
NO2 gọi chung là NOx ngoài ra còn ít N2O. Trong quá trình đốt cháy than,
lượng NOx hình thành và thải ra có quan hệ mật thiết với điều kiện cháy như
phương thức đốt, đặc biệt là nhiệt độ cháy và hệ số không khí thừa.
Lấy đốt than làm ví dụ, nếu không khống chế, lượng NOx thải ra trong
lò hơi thải xỉ lỏng cao hơn nhiều so với lò hơi thải xỉ khô, mà ngay cả khi thải

xỉ khô, nếu cách bố trí vòi phun không giống nhau, không khống chế lượng

NOx

NOx thì lượng NOx thải ra cũng khác nhau (hình 3-1).

Buồng lửa thải xỉ lỏng

Cháy có xyclon

buồng lửa

thải xỉ khô

Vòi phun đặt cả
tường trước và
sau

Đốt tiếp tuyến

MWe
Hình 3-1: Quan hệ giữa lượng NOx thải ra với phương thức đốt và sản lượng lò hơi


19

Trong quá trình cháy than ở nhiệt độ trên 1000 oC NOx sinh ra, trong
đó NO chiếm trên 90%, NO2 chiếm 5 ữ10%.
NOx hình thành trong quá trình cháy than theo 3 cơ chế: Phân huỷ nhiệt,
Nhiên liệu, Phản ứng tức thời.

Biểu đồ hình 3-2 cho ta thấy tương quan giữa lượng NOx sinh ra từ 3 cơ chế
theo nhiệt ®é bng lưa.
NOx tøc thêi
NOx nhiƯt

NOx (mg/Nm3

NOx nhiªn liƯu

NhiƯt ®é buồng lửa (oC)

Hình 3-2: Tương quan lượng NOx sinh ra từ 3 cơ chế theo nhiệt độ

Từ hình Hình 3-2 ta thấy, khi ta đốt bột than NOx nhiên liệu là chủ yếu
chiếm khoảng (60ữ80)% trong tổng số NOx hình thµnh, NOx nhiƯt cã thĨ
chiÕm 20% vµ phơ thc rÊt lớn vào nhiệt độ cháy, còn NOx tức thời chỉ
chiếm một lượng rất nhỏ. Đối với lò hơi tầng sôi tuần hoàn chủ yếu NOx sinh
ra do thành phần nhiên liệu vì nhiệt độ cháy trong lò hơi tầng sôi tuần hoàn
luôn khống chế thấp hơn 1000oC nên có thể bá qua NOx nhiƯt vµ NOx tøc thêi.


20

3.1.1. Cơ chế hình thành NOx theo nguyên lý phân huỷ nhiệt
NOx nhiệt sinh ra do Nitơ (N2) trong không khí tạo thành dưới nhiệt độ
cao trong quá trình cháy.
Cơ chế hình thành có thể biểu thị bằng phản ứng dây chuyền không phân
nhánh của Zeldovich dưới dây:
O2 + M ⇌ 2O + M

(3-1)

O + N2 ⇌ NO + N

(3-2)

N + O 2 ⇌ NO + O

(3-3)

Do ®ã d­íi nhiƯt độ cao, phương trình tổng phản ứng tạo thành NO và NO2 có
dạng
N2 + O2 2NO

(3- 4)

NO + 1/2O2 NO2

(3-5)

3.1.2. Cơ chế hình thành NOx do thành phần nhiên liệu
Cơ chế hình thành NOx nhiên liệu rất phức tạp, nên mặc dù nhiều năm
nay nhiều học giả trên thế giới đà tiến hành rất nhiều công trình nghiên cứu về
lí luận cũng như thực tế để làm rõ cơ chế hình thành và phân huỷ NOx nhiên
liệu, nhưng cho đến nay vẫn chưa hoàn toàn hiểu rõ.
Thực tế cho thấy, khi đốt than bằng công nghệ tầng sôi tuần hoàn khoảng trên
95% là NOx nhiên liệu, cho nên NOx sinh ra chu yếu do đốt cháy Nitơ trong
nhiên liệu. Việc nghiên cứu cơ chế tạo thành và phân huỷ NOx nhiên liệu có ý
nghĩa quan trọng đối với việc khống chế NOx thải ra trong quá trình đốt cháy
một cách có hiệu quả.

21

Tổng kết quá trình nghiên cứu những năm gần đây, cơ chế hình thành NOx do
thành phần nhiên liệu có những quy luật sau:
3.1.2.1. Trong điều kiện đốt cháy thông thường, các hợp chất hữu cơ của Nitơ
bị nhiệt phân trước tiên thành HCN, NH3 và CN là những sản phẩm trung gian
cùng tách ra cùng với chất bốc, nên gọi là Nitơ chất bốc. Sau khi Nitơ bốc
theo chất bốc vẫn còn hợp chất Nitơ trong cốc, gọi là Nitơ cốc.
Hình 3-3 là sơ đồ biểu thị quá trình Nitơ trong nhiên liệu phân huỷ thành N
N2

chất bốc và Nitơ cốc.
Chấtbốc
N chất
bốc

NO

Hạt than
Cốc

N
N nhiên liệu

N2
N cốc

Hình 3-3: Biểu đồ biểu thị quá trình phân huỷ Nitơ trong nhiên liệu thành Nitơ

chất bốc và Nitơ cốc.

Nhiều nghiên cứu trên thế giới cho thấy khi lượng chất bốc tách ra (10
ữ15)% tổng lượng chất bốc trong than thì Nitơ chất bốc mới bắt đầu tách ra.
Tỷ lệ Nitơ chất bốc và Nitơ cốc trong nhiên liệu có quan hệ với chủng loại
than, nhiệt độ nhiệt phân và tốc độ gia nhiệt. Khi thành phần chất bốc của
nhiên liệu cao, nhiệt độ nhiệt phân và tốc độ gia nhiệt tăng lên thì Nitơ chất
bốc sẽ tăng còn Nitơ cốc sẽ giảm theo (h×nh 3-4).