Quá trình khử lưu huỳnh dựa trên amoniac đang trở thành giải pháp được ưu tiên cho các nhà máy điện hiện đại

Áp lực ngày càng gia tăng đối với các nhà máy điện nhằm đạt mức phát thải siêu thấp

Trong thập kỷ qua, các quy định về môi trường điều chỉnh lượng khí thải từ nhà máy điện đã trở nên nghiêm ngặt hơn đáng kể trên toàn cầu. Các nhà máy điện đốt than, nồi hơi công nghiệp và các tổ máy phát điện tự dùng hiện nay đều phải tuân thủ các giới hạn phát thải điôxít lưu huỳnh (SO₂) ngày càng khắt khe hơn, thường dưới 35 mg/Nm³ và, tại một số khu vực, thậm chí còn thấp hơn nữa.

Hệ quả là các hệ thống khử lưu huỳnh khí thải (FGD) đã chuyển từ vị trí các giải pháp môi trường bổ sung tùy chọn thành những thành phần cốt lõi trong thiết kế nhà máy điện và chiến lược vận hành dài hạn. Việc lựa chọn công nghệ khử lưu huỳnh ngày nay không còn chỉ được thúc đẩy bởi các yêu cầu tuân thủ mà còn bởi tính ổn định trong vận hành, chi phí vòng đời, hiệu suất năng lượng và quản lý sản phẩm phụ .

Trong số các lộ trình kỹ thuật khả dụng, khử lưu huỳnh dựa trên amoniac đang thu hút sự quan tâm trở lại khi các nhà máy điện tìm kiếm các giải pháp cân bằng giữa hiệu suất môi trường và tính bền vững kinh tế.

Đặc điểm khí thải của nhà máy điện và ảnh hưởng của chúng đến việc lựa chọn công nghệ

Khí thải từ nhà máy điện đặt ra một tập hợp thách thức đặc thù. Lưu lượng khí lớn, điều kiện tải biến động, hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu thay đổi và nhu cầu vận hành liên tục, ổn định đều đặt ra những yêu cầu cao đối với các hệ thống khử lưu huỳnh.

Các đặc điểm điển hình của khí thải từ nhà máy điện đốt than:

• Lưu lượng cao và vận hành liên tục

• Nồng độ SO₂ thay đổi theo chất lượng nhiên liệu và tải

• Các hạt mịn và thành phần axit

• Liên kết chặt chẽ với các thiết bị phía hạ lưu như bộ lọc tĩnh điện (ESP), hệ thống khử NOx chọn lọc (SCR) và ống khói

Trong những điều kiện này, các hệ thống khử lưu huỳnh phải đảm bảo hiệu suất cao mà không gây ra rủi ro vận hành , tiêu thụ năng lượng quá mức hoặc ô nhiễm thứ cấp.

Công nghệ khử lưu huỳnh bằng đá vôi-thạch cao truyền thống đã chiếm ưu thế trên thị trường trong thời gian dài nhờ độ trưởng thành và hiệu suất đã được kiểm chứng. Tuy nhiên, những hạn chế của công nghệ này—chẳng hạn như tiêu thụ điện phụ trợ cao, diện tích lắp đặt lớn, nguy cơ bám cặn và áp lực xử lý thạch cao—đã khiến nhiều nhà vận hành xem xét lại các công nghệ thay thế, đặc biệt là trong các dự án cải tạo hoặc các nhà máy hướng tới tối ưu hóa chi phí dài hạn.

Nguyên lý cơ bản của công nghệ khử lưu huỳnh dựa trên amoniac

Quá trình khử lưu huỳnh dựa trên amoniac sử dụng amoniac hoặc dung dịch amoniac làm chất hấp thụ để phản ứng với khí dioxide lưu huỳnh (SO₂) trong khí thải. Nhờ tính phản ứng hóa học cao của amoniac, quá trình hấp thụ diễn ra nhanh chóng, ngay cả ở tỷ lệ pha lỏng trên pha khí tương đối thấp.

Phản ứng cốt lõi chuyển đổi dioxide lưu huỳnh thành amoni sulfat — một hợp chất ổn định và có giá trị thương mại cao, được sử dụng rộng rãi làm phân bón. Khác với các hệ thống dựa trên canxi, quy trình này không tạo ra lượng lớn chất thải rắn cần xử lý hoặc lưu trữ dài hạn.

Về mặt hóa học và quy trình, quá trình khử lưu huỳnh dựa trên amoniac mang lại những ưu điểm sau:

• Động học phản ứng nhanh

• Hiệu suất loại bỏ SO₂ cao

• Xu hướng tạo cặn rất thấp

• Các cơ chế phản ứng trong pha lỏng sạch

Những đặc tính này khiến quy trình đặc biệt phù hợp cho các nhà máy điện công suất lớn vận hành dưới các giới hạn phát thải nghiêm ngặt.

Hiệu suất khử lưu huỳnh cao trong điều kiện vận hành biến đổi

Một trong những ưu điểm nổi bật nhất của quá trình khử lưu huỳnh dựa trên amoniac là khả năng duy trì hiệu suất loại bỏ ổn định trên phạm vi tải vận hành rộng . Trong các hệ thống điện hiện đại, các biến động tải thường xuyên do tích hợp năng lượng tái tạo gây thêm áp lực lên thiết bị kiểm soát môi trường.

Các hệ thống FGD sử dụng amoniac có thể duy trì ổn định Hiệu suất loại bỏ SO₂ ở mức 95–99% , ngay cả trong các giai đoạn thay đổi tải nhanh. Độ ổn định này là yếu tố thiết yếu đối với các nhà máy điện hoạt động dưới chế độ giám sát phát thải theo thời gian thực, nơi các lần vượt ngưỡng ngắn hạn có thể dẫn đến phạt hoặc buộc giảm tải.

Việc điều khiển chính xác liều lượng amoniac cấp vào cho phép người vận hành phản ứng nhanh trước những thay đổi về nồng độ lưu huỳnh đầu vào, đảm bảo tuân thủ quy chuẩn mà không tiêu thụ dư thừa hóa chất.

Tiêu thụ năng lượng và ưu điểm về công suất phụ trợ

Tiêu thụ công suất phụ trợ đã trở thành một yếu tố đánh giá then chốt trong các hệ thống môi trường của nhà máy điện. Các bơm, quạt và hệ thống tuần hoàn bùn có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất ròng của toàn nhà máy, đặc biệt ở các tổ máy công suất lớn.

So sánh với hệ thống khử lưu huỳnh dựa trên đá vôi, các hệ thống dựa trên amoniac thường vận hành với:

• Tỷ lệ tuần hoàn dung dịch thấp hơn

• Giảm độ sụt áp trong bộ hấp thụ

• Các bơm tuần hoàn có kích thước nhỏ hơn

• Thiết kế phun và tiếp xúc giữa khí – lỏng được tối ưu hóa

Những yếu tố này góp phần vào việc tiêu thụ điện năng thấp hơn cho thiết bị phụ trợ , từ đó mang lại khoản tiết kiệm năng lượng đáng kể trong dài hạn. Trong suốt tuổi thọ vận hành của một nhà máy điện, việc giảm công suất phụ trợ trực tiếp làm tăng hiệu suất ròng và giảm chi phí vận hành.

Đối với các nhà máy hoạt động trong thị trường điện cạnh tranh hoặc cơ chế thanh toán dựa trên công suất, lợi thế này có thể tác động rõ rệt đến lợi nhuận tổng thể.

Tận dụng sản phẩm phụ và lợi ích từ kinh tế tuần hoàn

Một điểm khác biệt quan trọng giữa quá trình khử lưu huỳnh dựa trên amoniac và các quy trình dựa trên canxi truyền thống nằm ở việc quản lý phụ phẩm.

Trong khi hệ thống khử lưu huỳnh bằng đá vôi-thạch cao (limestone-gypsum FGD) tạo ra thạch cao – loại phụ phẩm có thể đối mặt với tình trạng bão hòa thị trường hoặc khó khăn trong xử lý – thì quá trình khử lưu huỳnh dựa trên amoniac chuyển đổi dioxide lưu huỳnh thành ammonium Sulfate amoni sulfat, một loại phân bón nông nghiệp được công nhận rộng rãi.

Việc chuyển đổi các chất gây ô nhiễm thành sản phẩm có thể sử dụng này hỗ trợ các nguyên tắc của nền kinh tế tuần hoàn và tạo ra cơ hội cho:

• Các nguồn doanh thu bổ sung

• Giảm chi phí xử lý chất thải

• Cải thiện hiệu suất tài chính của dự án

Tại những khu vực có thị trường phân bón đã phát triển, việc tận dụng phụ phẩm amoni sulfat có thể bù đắp một phần đáng kể chi phí vận hành khử lưu huỳnh, biến việc tuân thủ quy định môi trường thành một quy trình tự duy trì một phần.

Giải quyết các mối lo ngại lịch sử: Rò rỉ amoniac và hình thành khí dung

Trước đây, công nghệ khử lưu huỳnh dựa trên amoniac gặp phải sự hoài nghi do lo ngại về hiện tượng rò rỉ amoniac và sự hình thành các aerosol sunfat, có thể dẫn đến các cột khói nhìn thấy được hoặc ô nhiễm thứ cấp.

Các công nghệ khử lưu huỳnh hiện đại dựa trên amoniac đã giải quyết triệt để những vấn đề này thông qua:

• Thiết kế tách pha khí–lỏng nhiều cấp

• Các hệ thống loại bỏ sương mù tiên tiến

• Tiêm amoniac chính xác và điều khiển phản hồi

• Cấu trúc bên trong bộ hấp thụ được tối ưu hóa

Kết quả là, các hệ thống đương đại có thể đạt được mức độ rò rỉ amoniac thấp hơn nhiều so với ngưỡng quy định , thường tiến gần tới mức phát thải gần bằng không. Việc loại bỏ hiện tượng 'cột khói trắng' liên quan đến aerosol còn góp phần nâng cao hơn nữa sự chấp nhận của cộng đồng và hiệu suất môi trường.

Những tiến bộ này đã tái định nghĩa công nghệ khử lưu huỳnh dựa trên amoniac như một giải pháp sạch và đáng tin cậy, thay vì một lựa chọn chuyên biệt hay tiềm ẩn rủi ro cao.

Tích hợp với hệ thống khử nitơ và hệ thống xử lý khí thải tổng thể

Trong các nhà máy điện hiện đại, quá trình khử lưu huỳnh không hoạt động một cách biệt lập. Việc tích hợp hiệu quả với các hệ thống kiểm soát bụi và các đơn vị khử nitơ là điều thiết yếu để đạt được các mục tiêu phát thải siêu thấp.

Các hệ thống khử lưu huỳnh dựa trên amoniac tạo ra điều kiện thuận lợi cho các quá trình SCR hoặc SNCR ở hạ nguồn bằng cách:

• Ổn định nhiệt độ và độ ẩm của khí thải

• Giảm dao động nồng độ khí axit

• Cho phép quản lý amoniac tối ưu hóa trên toàn bộ hệ thống

Trong các thiết kế hệ thống tích hợp, các chiến lược kiểm soát amoniac phối hợp có thể giảm tổng lượng thuốc thử tiêu thụ và nâng cao hiệu suất tổng thể của nhà máy, đặc biệt trong các dự án cải tạo nhằm đạt tiêu chuẩn phát thải siêu thấp.

Phù hợp cho cả dự án xây mới và dự án cải tạo

Công nghệ khử lưu huỳnh dựa trên amoniac có thể áp dụng cho cả việc xây dựng mới nhà máy điện và cải tạo các tổ máy hiện hữu. Bố trí gọn gàng và cấu hình linh hoạt của nó khiến công nghệ này đặc biệt hấp dẫn đối với các địa điểm có diện tích hạn chế hoặc gặp ràng buộc về kết cấu.

Đối với các dự án cải tạo, những ưu điểm bao gồm:

• Yêu cầu điều chỉnh kết cấu công trình giảm thiểu

• Thời gian lắp đặt ngắn hơn

• Gây gián đoạn tối thiểu đến hoạt động vận hành đang diễn ra

Các yếu tố này đặc biệt quan trọng đối với các nhà máy điện già cỗi nhằm kéo dài tuổi thọ vận hành đồng thời đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường mới được cập nhật.

Độ tin cậy lâu dài và Xem xét chi phí vòng đời

Bên cạnh khoản đầu tư ban đầu, các chủ vận hành nhà máy điện ngày càng đánh giá các công nghệ dựa trên tổng chi phí sở hữu (TCO). Các hệ thống khử lưu huỳnh sử dụng amoniac thể hiện hiệu suất vượt trội trong khía cạnh này nhờ vào:

• Yêu cầu bảo trì thấp hơn

• Nguy cơ tạo cặn và bám bẩn giảm đáng kể

• Hiệu suất ổn định trong thời gian dài

• Mức tiêu thụ hóa chất phản ứng có thể dự báo chính xác

Trong suốt các chu kỳ vận hành kéo dài nhiều thập kỷ, những yếu tố này góp phần nâng cao tính khả dụng của hệ thống và giảm tổng chi phí vận hành, từ đó củng cố tính khả thi kinh tế của các giải pháp dựa trên amoniac.

Một lựa chọn chiến lược cho các nhà máy điện định hướng tương lai

Khi các nhà máy điện đối mặt với thách thức kép về tuân thủ quy định môi trường và bền vững kinh tế, quá trình khử lưu huỳnh bằng amoniac mang đến một sự kết hợp đầy thuyết phục gồm hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng, tận dụng sản phẩm phụ và độ tin cậy trong vận hành .

Nhờ những tiến bộ công nghệ loại bỏ các nhược điểm vốn tồn tại trước đây, hệ thống khử lưu huỳnh bằng amoniac (ammonia-based FGD) đã phát triển thành một giải pháp chín muồi và được kiểm chứng, có khả năng đáp ứng các mục tiêu phát thải siêu thấp mà không ảnh hưởng đến hiệu suất vận hành của nhà máy.

Đối với các đơn vị vận hành nhà máy điện đang tìm kiếm một cách tiếp cận tiên phong trong kiểm soát phát thải, giải pháp khử lưu huỳnh bằng amoniac không chỉ là một công cụ đảm bảo tuân thủ quy định, mà còn là một khoản đầu tư chiến lược nhằm nâng cao khả năng phục hồi vận hành lâu dài.