Chiến lược đồng đốt amoniac trên thế giới:
Chính phủ Nhật Bản đang thúc đẩy chiến lược hợp tác ở nước ngoài cho quá trình chuyển đổi năng lượng. Tại COP26, Thủ tướng Nhật Bản Fumio Kishida đã công bố một quỹ mới trị giá 100 triệu USD hỗ trợ phát triển, xuất khẩu khí hydro, amoniac đồng đốt thông qua Sáng kiến chuyển đổi Năng lượng châu Á. Tại cuộc họp “bộ tứ” gần đây (tháng 5/2023), các nhà lãnh đạo từ Australia, Ấn Độ, Nhật Bản, Hoa Kỳ cũng nhất trí hợp tác phát triển chuỗi cung ứng hydro và amoniac sạch.
Các công ty điện lực ở Hàn Quốc, Ấn Độ cũng đang áp dụng phương pháp đồng đốt amoniac như một phương tiện để tiếp tục vận hành các nhà máy điện than của họ. Bộ Thương mại, Công nghiệp và Năng lượng Hàn Quốc (MOTIE) đang đặt mục tiêu thương mại hóa công nghệ đồng đốt 20% amoniac tại hơn một nửa trong số 43 nhà máy nhiệt điện than vào năm 2040. KEPCO Engineering, Construction, Doosan Enerbility và Samsung C&T đã ký Biên bản ghi nhớ hợp tác về công nghệ đồng đốt amoniac (tháng 6/2022).
Ngoài ra, Lotte Chemical đã ký Biên bản ghi nhớ với Công ty Thương mại Nhật Bản Itochu để phát triển cơ sở hạ tầng hydro, amoniac nhắm vào thị trường Nhật Bản và Hàn Quốc. Họ cũng có kế hoạch cùng nhau đầu tư vào các cơ sở sản xuất amoniac sạch. Nhà sản xuất điện độc lập của Ấn Độ là Adani Power đã ký Biên bản ghi nhớ với Công ty IHI và Công ty Kowa của Nhật Bản để hợp tác đánh giá tính khả thi của việc đồng đốt amoniac tại Nhà máy Nhiệt điện than Mundra của Adani Power.
Các công ty Nhật Bản cũng đang đẩy mạnh cách tiếp cận này ở Đông Nam Á. Tại Indonesia, IHI và Mitsubishi Heavy Industry (MHI) đang hợp tác với các công ty địa phương. Dự án đồng đốt amoniac do MHI đề xuất tại Nhà máy điện Suralaya ở Indonesia dự kiến bắt đầu hoạt động vào khoảng năm 2030. IHI cũng đang tiến hành nghiên cứu khả thi về mặt kỹ thuật với hai đối tác địa phương, bao gồm Petroliam Nasional Bhd (Petronas) cho các nhà máy điện ở Malaysia. Jera và MHI đang hợp tác với một công ty địa phương ở Singapore để phát triển nhà máy nhiệt điện sử dụng 100% nhiên liệu amoniac trên đảo Jurong.
Các doanh nghiệp Nhật Bản muốn phát triển chuỗi cung ứng amoniac bằng cách hợp tác với các công ty ở các nước khác, đặc biệt là ở Úc. Osaka Gas đã ký Biên bản ghi nhớ với Công ty Năng lượng Tích hợp AGL Energy của Úc để kiểm tra tính khả thi của việc phát triển chuỗi cung ứng amoniac xanh vào cuối năm 2022.
Công ty Thương mại Nhật Bản Itochu cũng đã hợp tác với các công ty của Úc, bao gồm Cơ sở hạ tầng Vịnh Dalrymple và Tập đoàn Cảng hàng rời Bắc Queensland, sản xuất amoniac xanh tại Úc và xuất khẩu sang các nước khác. IHI cũng đang tìm kiếm cơ hội hợp tác phát triển chuỗi cung ứng amoniac xanh giữa Các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống nhất (UAE) và Nhật Bản.
Thử nghiệm đồng đốt sinh khối thành công tại một nhà máy điện than ở Hoa Kỳ:
Mới đây, thử nghiệm nhiên liệu sinh khối đã được thực hiện tại Nhà máy điện Boardman (BPP), thuộc Công ty Điện lực Portland General Electric (PGE), bang Oregon. Quá trình đồng đốt thử diễn ra theo đúng kế hoạch và thành công như mong đợi.
Đây là một trong bốn thử nghiệm đốt nhiên liệu sinh khối tại PGE từ kể từ năm 2016. Nhà máy BPP của PGE là nhà máy dùng than bột có công suất 585 MW. Giống như tất cả các cơ sở sản xuất điện đốt than, Boardman phải tuân theo một loạt các quy định về môi trường, nhưng ô nhiễm lại cao hơn nhiều so với hầu hết các nhà máy điện than. Vào năm 2010, khi Oregon chuẩn bị kế hoạch thực hiện các yêu cầu về khói thải trong khu vực theo Đạo luật Không khí Sạch, buộc PGE phải có thay đổi nhiên liệu, nhất là khi đạo luật này cấm hoàn toàn hoạt động khai thác than vào cuối năm 2020. Nhà máy chỉ có hai lựa chọn sau năm 2020: Đóng cửa hoàn toàn, hoặc chuyển sang sử dụng nhiên liệu không dùng than.
Chương trình thử nghiệm sinh khối được khởi xướng bắt đầu vào cuối năm 2015, khi PGE bắt đầu tham khảo các thông số kỹ thuật về chất lượng nhiên liệu từ một số nhà cung cấp tiềm năng. Một số lo ngại gặp phải trong quá trình chuẩn bị xuất hiện như thông số sinh khối có hàm lượng canxi oxit trong tro cao, gần 70%; khả năng nghiền của sinh khối đã qua xử lý; sự biến đổi về chất lượng nhiên liệu là mối lo ngại đáng kể và quan trọng là khả năng nguồn cung cấp sinh khối…
Mặc dù việc đốt thử nghiệm có thể cung cấp thông tin vô giá giúp hướng dẫn nhà máy điện vận hành tốt hơn và sản xuất với chi phí thấp hơn, nhưng việc chuẩn bị và lập kế hoạch đốt thử nghiệm cũng không hề đơn giản. Thử nghiệm diễn ra qua 4 giai đoạn máy nghiền:
- Thử nghiệm nghiền đơn 1 (Single-Mill Test 1).
- Thử nghiệm nghiền đơn 2 (Single-Mill Test 2).
- Thử nghiệm nghiền đơn 3 (Single-Mill Test 3).
- Thử nghiệm toàn bộ tổ máy (The Full-Unit Test).
Theo Dave Rodgers - Gám đốc nhà máy: Thử nghiệm đồng đốt sinh khối của PGE là thành công, tuy nhiên thành công của nó lại đặt ra nhiều câu hỏi hơn: Liệu sinh khối có phải là nhiên liệu khả thi lâu dài để duy trì hoạt động của nhà máy cho đến những năm 2030 không và có cần thử nghiệm thêm? Đặc biệt là các loại sinh khối qua xử lý nhiệt (torrefied biomass) hiện đang là xu hướng nghiên cứu và phát triển trên thế giới. Sinh khối đã qua xử lý nhiệt rất thích hợp cho đồng đốt vì có các tính chất lý hóa và cơ học gần giống với than.
Các mô hình chuyển đổi nhiên liệu điện than sang đốt trộn sinh khối và amoniac:
Việc đồng đốt amoniac (NH3) với than đã nâng cao nhận thức, thúc đẩy nghiên cứu, phát triển NH3 trong việc sử dụng và triển khai NH3 như một loại nhiên liệu bền vững. Những tiến bộ gần đây hướng tới việc đồng đốt than với sinh khối và NH3 được xem như một chiến lược tiên tiến nhằm loại bỏ than khỏi các nhà máy điện chạy than. Việc triển khai NH3 vào hỗn hợp nhiên liệu than, sinh khối không chỉ cho phép giảm cacbon trong các quá trình đốt than mà còn giảm chi phí tìm kiếm sinh khối để tránh gián đoạn nguồn nhiên liệu sẵn có, đồng thời tăng hiệu quả sản xuất của nhà máy điện và đẩy nhanh quá trình loại bỏ than khỏi sản xuất điện. Tuy nhiên, việc sử dụng NH3 để phát điện vẫn còn một số khoảng trống nghiên cứu. Các nhà khoa học đã nghiên cứu dựa trên mô hình số Euler-Lagrange 2D để mô tả quá trình đốt trộn than, sinh khối và NH3 trong lò phản ứng tầng sôi quy mô thí điểm để tìm ra giải pháp tối ưu cho mô hình.
Tỷ lệ đồng đốt than, sinh khối, NH3 thay đổi đến mức than được giảm dần khỏi hỗn hợp nhiên liệu và ảnh hưởng của nó đến quá trình đốt cháy được nghiên cứu rộng rãi để xác định tác động của sinh khối, NH3 đến lượng khí thải của lò phản ứng. Nhìn chung, việc sử dụng cả sinh khối, NH3 cho thấy: Giảm đáng kể lượng khí thải carbon và NO từ các hệ thống năng lượng đốt than, nhấn mạnh tiềm năng coi sinh khối là nguồn thay thế cho than, NH3 là nhiên liệu trung hòa carbon hiệu quả trong tương lai.
Dưới đây là một số cách lựa chọn dựa trên mô hình 2D Eulerian-Lagrangian:
1/ Xác thực mô hình số:
Các mô phỏng được thực hiện đối với than bitum và phế thải gỗ. Kết quả cho thấy: Mô hình toán học có thể dự đoán nồng độ CO2 và NO tại một số vị trí trong lò phản ứng với sự phù hợp rất hợp lý. Liên quan đến nồng độ CO2, sự phân tán chặt chẽ khỏi đường thẳng - có nghĩa là phương sai số giảm, trong khi đó sự tương đồng gần gũi giữa giá trị thực nghiệm và giá trị số đối với nồng độ NO. Sau khi xác nhận mô hình cho cả quá trình đốt than và sinh khối trong lò phản ứng quy mô thí điểm, việc đồng đốt than, sinh khối, NH3 trong cùng một hệ thống đã được nghiên cứu. Vì mô hình số có thể dự đoán quá trình đốt cháy một cách hợp lý, nên có thể giả định nó cũng có thể mô phỏng các điều kiện tương tự khi sử dụng than, sinh khối và NH3. Mô hình toán học mô tả các quá trình nhiệt hóa cho các nguyên liệu thô, điều kiện thí nghiệm và quy mô lò phản ứng khác nhau.
2/ Đồng đốt than, NH3 - Tác dụng giảm phát thải:
Có thể thấy xu hướng giảm phát thải CO2 ở đầu ra của lò phản ứng khi tỷ lệ đồng đốt NH3 tăng lên. Tỷ lệ đồng đốt NH3 được thực hiện từ 0% đến 80% (theo khối lượng), trong đó 0% mô tả việc đốt than nguyên chất. Vì NH3 không có cacbon, nên việc thay thế nó trong quá trình đốt than trực tiếp dẫn đến giảm phát thải CO2. Với tỷ lệ đồng đốt 20%, lượng khí thải CO2 giảm tới 26% so với đốt than nguyên chất, đáp ứng phạm vi 20% được đề cập trong nghiên cứu.
Khi tỷ lệ NH3 không phản ứng vượt quá 20%, lượng phát thải NOx giảm dần do hiệu ứng DeNOx của lượng NH3 không phản ứng tăng lên. Phản ứng khử NO với NH3 đóng vai trò quan trọng trong quá trình này, vì NH3 tương tác với NO để tạo ra chủ yếu là N2 và H2O, làm giảm lượng NO được hình thành bởi các con đường tiêu thụ NH3 khác.
Chưa hết, không khí có ảnh hưởng đáng kể đến sự hình thành NO là luồng không khí bị hạn chế do phân lớp, nên hoạt động trong tình trạng thiếu O2 ngăn ngừa sự hình thành NO. Vì vậy, mức thiếu không khí càng cao thì tỷ lệ nhiên liệu NH3 chuyển hóa thành NO sẽ càng ít.
Ngoài ra, dàn không khí tạo ra vùng khử mở rộng hơn ở phía trước luồng khí đầu vào thứ hai, mang lại nhiều thời gian hơn cho phản ứng khử NO với NH3 đã đạt được mức giảm NO 40%, phù hợp với xu hướng thử nghiệm được báo cáo trong tài liệu về đồng đốt than, NH3 trong các lò tầng sôi.
3/ Đồng đốt than, sinh khối, NH3 - Tác dụng về việc giảm phát thải:
Hiệu quả kết hợp của đồng đốt sinh khối và NH3 với than duy trì xu hướng giống hệt với hiệu quả đạt được từ đồng đốt than, NH3, với CO2, CO chuẩn hóa và NO giảm dần khi tỷ lệ sinh khối, NH3 tăng, trong khi lượng phát thải NH3 chuẩn hóa tăng. Đặc biệt, việc đồng đốt than và sinh khối đã được áp dụng từ lâu và được chứng minh là một biện pháp hiệu quả nhằm giảm phát thải khí nhà kính và ô nhiễm môi trường. Ở đây, tỷ lệ đồng đốt sinh khối, NH3 được nâng lên lần lượt là 50 và 40% (theo khối lượng), trong khi than dần được loại bỏ khỏi hỗn hợp.
Bài học rút ra từ việc đồng đốt than, NH3 cho thấy: Có thể vận hành với tỷ lệ NH3 40% (<30 ppm), mặc dù một số hạn chế phát thải có thể được áp dụng tùy thuộc vào các quy định và chính sách môi trường của địa phương. trong khi đó, ở tỷ lệ 60 đến 80%, cần biện pháp giảm thiểu đáng kể lượng khí nh3 để có thể vận hành khả thi. Do đó, với những giả định này, tỷ lệ NH3 tối đa trong hỗn hợp nhiên liệu là 40%.
Cả sinh khối và than đều là nhiên liệu chứa carbon, tuy nhiên, lượng khí thải CO2 có liên quan trực tiếp đến hàm lượng carbon trong nhiên liệu. Than bitum được sử dụng trong nghiên cứu này có hàm lượng cacbon cố định và cacbon cao hơn phế thải gỗ. Do đó, lượng khí thải CO2 hóa thạch liên tục giảm bằng cách thay thế than và tăng tỷ trọng sinh khối, NH3 không chứa carbon. Lý do tương tự cũng áp dụng cho lượng khí thải CO, vì chúng giảm khi giảm lượng than cấp cũng như tăng tỷ lệ sinh khối và NH3.
Cuối cùng, sinh khối được coi là nguồn tài nguyên trung hòa carbon. Do đó, lượng phát thải CO2 sẽ giảm tỷ lệ thuận với lượng than được bù đắp bằng sinh khối.
Ngoài tác dụng đã được thảo luận trước đây của NH3 đối với việc giảm NO trong quá trình đốt than, một số lợi thế được đề cập đến sinh khối trong việc giảm phát thải NO. Sinh khối chứa hàm lượng nitơ thấp hơn than dẫn đến giảm lượng khí thải NOx.
Ngoài ra, trong quá trình đốt cháy, phần lớn nitơ nhiên liệu trong sinh khối được chuyển hóa thành gốc NH (chủ yếu là NH3), mặt khác NH3 khử NO thành N2, do đó làm giảm lượng phát thải NO.
Cả sinh khối và NH3 đều được biết là có tác dụng làm giảm nhiệt độ đỉnh ngọn lửa trong lò hơi. Giá trị tỏa nhiệt thấp hơn của sinh khối và tính dễ bắt lửa, cũng như khả năng chống cháy thấp của NH3 góp phần làm giảm phát thải NOx, vì nhiệt độ cao hơn thúc đẩy sự hình thành NO. Tình trạng này xảy ra khi nhiệt độ ngọn lửa thấp hơn dẫn đến tạo ra nhiều bồ hóng hơn. Sự hình thành NO giảm, do đó, khi nhiệt độ ngọn lửa giảm, khả năng giảm NO của than tăng lên, dẫn đến lượng phát thải NOx thấp đi.
Cuối cùng, hàm lượng chất bay hơi cao trong sinh khối cũng có thể được sử dụng làm nhiên liệu đốt lại để giảm NO, mang lại cho sinh khối tiềm năng bổ sung trong việc giảm phát thải NO từ đốt than.
Tương tự như việc đồng đốt than và NH3, lượng khí thải NH3 tăng lên khi tỷ lệ sinh khối, NH3 tăng lên. Như đã nói ở trên, sự gia tăng này chủ yếu là do tỷ lệ NH3 trong hỗn hợp nhiên liệu tăng lên. Hầu hết nitơ trong sinh khối được chuyển đổi thành các sản phẩm NH3 trong quá trình đốt cháy, nhưng sự phân hủy NH3 lại chuyển thành N2 và H2. Với các kết quả, lò hơi tầng sôi được phân tích có thể hoạt động với than, sinh khối, NH3 lên tới 20% NH3.
Nghiên cứu mô hình số Euler-Lagrange 2D cho thấy: Việc đồng đốt sinh khối,à NH3 trong lò phản ứng tầng sôi quy mô thí điểm có thể giảm lượng khí thải carbon và NO từ quá trình đốt than. Đồng đốt với NH3 giúp giảm lượng khí thải CO2 tới 26% so với đốt than nguyên chất. Lượng khí thải CO giảm khi hàm lượng H2O trong khí thải tăng do đốt NH3 khiến CO phản ứng với H2O, làm tăng khả năng giảm khí CO. Tuy nhiên, phát thải NO vẫn ở mức tương tự như đốt than nguyên chất ở tỷ lệ 10%, nhưng giảm tới 40% ở tỷ lệ 20% - 80% do hiệu ứng DeNOx và hoạt động xúc tác NH3 khử NO để tạo ra N2 và H2O. Nồng độ phát thải NH3 nhỏ được dự đoán ở tỷ lệ 10% - 20%, trong khi ở mức đồng đốt 40% trở lên, lượng NH3 không phản ứng sẽ tăng lên.
Nhìn chung, các kết quả hỗ trợ bằng chứng hiện có về việc sử dụng NH3 làm chất mang năng lượng khả thi cho các lĩnh vực tiêu tốn nhiều năng lượng để khử cacbon, đồng thời đáp ứng các minh chứng thử nghiệm trước đây cho thấy rằng: Việc đồng đốt NH3 trong các tổ máy đốt than là có thể đạt được với những sửa đổi nhỏ đối với các hệ thống hiện có trong phạm vi 20% NH3.
Sinh khối, như một loại nhiên liệu “ít carbon”, là một nguồn bổ sung có giá trị cho hỗn hợp nhiên liệu này, cung cấp nguồn nhiên liệu bổ sung, đồng thời cho phép các lựa chọn nhiên liệu có nguồn gốc địa phương cho các hệ thống đốt than để tránh tình trạng thiếu nguồn cung. Tuy nhiên, cần có thêm nghiên cứu để xác định hoạt động tối ưu cho quá trình đồng đốt NH3 (bao gồm các hiệu ứng mở rộng hệ thống, hiệu suất hệ thống, ảnh hưởng của nhiệt trị thấp của NH3, độ trượt NH3, ảnh hưởng của NH3 lên các sản phẩm bay hơi và động học hóa học chi tiết liên quan đến sự tương tác giữa than, sinh khối và NH3).
Kết quả thử nghiệm đồng đốt viên nén gỗ ở các tỷ lệ phối trộn khác nhau (15% và 20% với than) tại Nhà máy Nhiệt điện Ninh Bình là khả quan.Công nghệ đồng đốt - Cơ hội giúp Việt Nam chuyển dịch năng lượng hiệu quả hơn:
Như đề cập ở trên, xu hướng chuyển dịch năng lượng đang diễn ra sôi động tại nhiều quốc gia trên thế giới theo hướng đẩy mạnh việc sử dụng năng lượng tái tạo, năng lượng sạch, năng lượng xanh và chú trọng sử dụng năng lượng một cách hiệu quả. Tại Việt Nam, năng lượng sinh khối là một trong những nguồn năng lượng xanh có sẵn, dễ khai thác, tận dụng được tài nguyên sẵn có từ các phế phẩm của ngành nông, lâm, nghiệp như: Bã mía, rơm rạ, vỏ trấu, vỏ cà phê, vỏ dừa, mùn cưa…
Việt Nam hiện đứng thứ 2, sau Hoa Kỳ về chế biến và xuất khẩu viên nén gỗ. Đây là cơ hội đối với việc ứng dụng công nghệ đồng đốt tại các nhà máy nhiệt điện thay vì xuất khẩu.
Theo nghiên cứu của Tổ chức Hợp tác quốc tế Đức (GIZ): Tổng sản lượng sinh khối tiềm năng của Việt Nam vào khoảng 104,4 triệu tấn/năm, tương đương với 47% lượng điện than của Việt Nam trong năm 2020. Đồng thời, đồng đốt trực tiếp với tỷ lệ phối trộn sinh khối dưới 10% (tính theo nhiệt lượng cấp vào của than) được đánh giá là công nghệ phù hợp nhất để áp dụng trong các nhà máy nhiệt điện của Việt Nam, do vốn đầu tư thấp và ít phải can thiệp chỉnh sửa vào hệ thống lò hơi hiện có.
Năm 2015, Nhà máy Nhiệt điện Ninh Bình đã thực hiện dự án thí nghiệm đồng đốt than Việt Nam và than Indo chất lượng thấp. Kết quả cho thấy: Việc phối trộn than Á bitum của Indonesia với than Antraxit của Việt Nam đã hạn chế được đặc tính kém của than trong nước (như giảm lượng tro xỉ), tăng hiệu suất đốt từ 1% đến 5% và giảm lượng than tiêu thụ đầu vào.
Năm 2019, Nhà máy tiếp tục triển khai thử nghiệm đồng đốt viên nén gỗ ở các tỷ lệ phối trộn khác nhau (15% và 20% với than). Do nguyên liệu gỗ thử nghiệm không nhiều (chỉ khoảng vài chục tấn) nên thời gian thử nghiệm chỉ diễn ra trong vài ngày, nhưng kết quả ghi nhận là khả quan và cần có thời gian chạy thử dài hơn.
Về lâu dài, Quy hoạch điện VIII được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt (Quyết định số 500/QĐ-TTg ngày 15/5/2023), coi phát triển nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là nguồn nhiên liệu phục vụ sản xuất điện là một trong những trọng tâm được ưu tiên. Tuy nhiên, với tỷ trọng nhiệt điện than vẫn chiếm đáng kể (30,8% tới năm 2025) và đóng vai trò là nguồn cung cấp điện chính, có thể thấy: Công nghệ đồng đốt cần được triển khai sớm trên diện rộng để giúp giảm CO2 cho các nhà máy nhiệt điện than của Việt Nam./.
Theo Tạp chí Năng lượng Việt Nam