Triển vọng, trở ngại khi đồng đốt amoniac + than qua dự án thử nghiệm đầu tiên tại Nhật Bản

Cập nhật về dự án:

Theo Tạp chí Công nghệ Điện trực tuyến Hoa Kỳ (Powermag) ra đầu tháng 5/2024: Hai tập đoàn công nghiệp Nhật Bản là JERA và IHI Corp. đã triển khai thử nghiệm trình diễn đốt amoniac (NH3) quy mô lớn đầu tiên tại tổ máy 4 - 1.000 MW của Nhà máy Nhiệt điện Hekinan 4.100 MW thuộc tập đoàn năng lượng hàng đầu Nhật Bản JERA (ở tỉnh Aichi, Nhật Bản).

Thử nghiệm bắt đầu vào ngày 1 tháng 4 và dự kiến sẽ kéo dài đến hết tháng 6 năm 2024. Dự án thử nghiệm bao gồm việc thay thế 20% giá trị tỏa nhiệt của Hekinan 4 bằng nhiên liệu amoniac. Dự án là một phần trong nỗ lực dài 4 năm (bắt đầu vào tháng 7 năm 2021 và sẽ kết thúc vào tháng 3 năm 2025). Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Tổ chức Phát triển Công nghệ Năng lượng Mới (NEDO) của Nhật Bản nhằm thiết lập hệ thống đồng đốt amoniac tại một nhà máy điện than thương mại quy mô lớn trong tương lai.

JERA cho biết: Thử nghiệm trình diễn nhằm đánh giá “cả đặc tính hấp thụ nhiệt của lò hơi lẫn tác động môi trường khí thải”. Cụ thể, dự án sẽ xem xét “các đặc điểm tổng thể của nhà máy, điều tra lượng khí thải nitơ oxit (NOx) và xác nhận các yếu tố như khả năng vận hành, cũng như tác động đến lò hơi và thiết bị phụ trợ”.

Nếu thử nghiệm thành công, JERA - liên doanh giữa Công ty Điện lực Tokyo (TEPCO) và Chubu Electric có kế hoạch vận hành thương mại Hekinan 4 bằng amoniac thay thế 20% giá trị tỏa nhiệt của nó. Trong khi đó, IHI (Tập đoàn IHI, tên cũ Công ty TNHH công nghiệp nặng Ishikawajima - Harima) sẽ áp dụng những bài học rút ra từ cuộc trình diễn thử nghiệm để thiết lập công nghệ đốt cháy tỷ lệ cao từ 50% amoniac trở lên tại các nhà máy nhiệt điện, cũng như tiếp tục phát triển đầu đốt để đốt 100% nhiên liệu amoniac (NH3).

Nói cách khác, thử nghiệm được coi là bước đệm để đạt được hỗn hợp than - amoniac 50% và cuối cùng là một nhà máy điện chỉ chạy bằng amoniac. Những tiến bộ này sẽ được áp dụng cho các nhà máy nhiệt điện khác ở Nhật Bản, cũng như ở nước ngoài trong tiến trình chuyển đổi năng lượng hướng tới mục tiêu Net Zero như đã cam kết vào năm 2050.

Tầm quan trọng của dự án:

JERA và IHI lưu ý: NEDO là dự án đặc biệt quan trọng, vì “nó có thể đưa ra bước khởi đầu với chi phí thấp để nhanh chóng thúc đẩy quá trình khử cacbon ở các quốc gia như Nhật Bản, cần phải dựa vào nhiệt điện như một nguồn năng lượng có thể điều chỉnh để đảm bảo an ninh năng lượng ổn định”.

Theo các chuyên gia năng lượng: Amoniac là nhiên liệu đặc biệt hứa hẹn để thay thế than, vì nó không thải ra khí nhà kính khi đốt (công thức phản ứng cháy của amoniac là 4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O). Mặc dù hydro mang lại những lợi ích tương tự, nhưng nó lại có hiệu suất vận chuyển thấp (do nhiệt trị đốt cháy thấp trên một đơn vị thể tích).

Chưa hết, hydro còn có mật độ thấp, nên cần nhiều năng lượng để hóa lỏng. Amoniac có thể được hóa lỏng ở nhiệt độ -33,4 độ C và nó đã được sử dụng rộng rãi trên thị trường để sử dụng như sản xuất phân bón, với cơ sở hạ tầng được xây dựng sẵn có, thuận tiện cho sản xuất, lưu trữ, vận chuyển và xử lý.

“Vì amoniac và than có tốc độ đốt tương tự nhau, nên chúng có thể đồng đốt hiệu quả. Việc thay thế than bằng amoniac có thể giảm lượng khí thải CO2 trong khi vẫn duy trì cùng một lượng điện phát ra. Ngoài ra, vì sáng kiến ​​này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng thiết bị hiện tại, nên nó có thể được thực hiện nhanh với chi phí thấp. Tỷ lệ amoniac trong nhiên liệu sau đó sẽ được tăng lên từng bước, với mục tiêu cuối cùng là sản xuất điện hoàn toàn bằng amoniac” - JERA nhấn mạnh thêm.

Theo JERA và IHI: Việc đốt amoniac là một con đường quan trọng để khử cacbon cho nguồn điện than của Nhật Bản như một phần trong mục tiêu của nước này là trung hòa cacbon như cam kết vào năm 2050.

Ví dụ, JERA đang đặt mục tiêu Net zero trong các hoạt động sản xuất nhiệt năng vào năm 2050. Các kế hoạch của JERA chủ yếu dựa vào việc trình diễn amoniac và hydro. JERA cho biết, họ có kế hoạch tiến hành các thử nghiệm trình diễn quy mô lớn để tăng tỷ lệ đồng đốt amoniac lên hơn 50% vào năm tài chính 2028 và hướng tới vận hành thương mại với tỷ lệ cao trên 50% vào những năm 2030.

JERA đang song song thử nghiệm quá trình đốt hydrogen ở mức 30% (theo thể tích) tại nhà máy khí tự nhiên hóa lỏng (LNG) bằng tua bin khí vào năm 2025. Những nỗ lực này “đi đôi với việc tăng cường đầu tư vào các nguồn năng lượng tái tạo ngoài khơi”.

Triển vọng và trở ngại khi đồng đốt NH3 với than:

Bắt đầu từ năm 2018, với sự hỗ trợ của Chính phủ Nhật Bản, IHI đã đặt ra mục tiêu tối ưu hóa phương pháp phun trộn amoniac để tạo thành ngọn lửa trong lò khí hóa than. Theo IHI: NOx có thể giảm một cách hiệu quả bằng cách đưa amoniac vào môi trường “khí có tính khử cao với nhiệt độ khí cao (phun trực tiếp vào lò)”. Dựa trên nghiên cứu đó, với sự hỗ trợ của NEDO, IHI đã tạo ra các đầu đốt nguyên mẫu để thử nghiệm quá trình đốt nhiên liệu và tiến hành các thử nghiệm cơ bản tại các lò khí hóa công suất 1 MW và 10 MW.

Kết quả của các thử nghiệm này cho thấy: Quá trình đốt cháy ổn định đạt được khi tỷ lệ trộn amoniac là 20% tính theo giá trị nhiệt lượng của quá trình đốt cháy. Ngoài ra, lượng khí thải NOx và hàm lượng không cháy hết ở mức tương tự như khi đốt than nghiền thành bột một lần.

Các đánh giá sâu hơn cũng cho thấy: Với đồng đốt 20% amoniac, về cơ bản không cần phải sửa đổi bộ phận truyền nhiệt (bao gồm các bộ phận chịu áp suất của lò hơi, hệ thống thông gió, hoặc các trang thiết bị liên quan đến khí thải). Tuy nhiên, vẫn cần phải sửa đổi, tùy thuộc vào thiết kế cơ sở, điều kiện cơ sở và đặc tính của than.

JERA và IHI đã phối hợp thực hiện các bước để triển khai dự án. Vào tháng 10 năm 2021, các công ty đã bắt đầu sử dụng amoniac với khối lượng nhỏ tại Hekinan 5 với mục đích phát triển đầu đốt đồng đốt có thể được sử dụng tại cuộc trình diễn Hekinan 4 lớn hơn. Dự án đó đã cung cấp khoảng 200 tấn amoniac cho hai đầu đốt của Hekinan 5, cho phép các công ty kiểm tra tác động của các vật liệu đầu đốt và thời gian đốt khác nhau, đồng thời xác định các điều kiện cần thiết cho đầu đốt đồng đốt.

Kể từ tháng 10 năm 2022, công việc đã được tiến hành nhằm xây dựng đầu đốt, bể chứa, thiết bị hóa hơi, đường ống và các cơ sở cần thiết khác để thử nghiệm trình diễn tại Hekinan 4.

Công việc cung cấp đủ amoniac đòi hỏi phải có các cơ sở riêng biệt để tiếp nhận amoniac, lưu trữ, thiết bị hóa khí và tiền xử lý là rất quan trọng. Để sử dụng tại Hekinan, nhiên liệu amoniac - amoniac “xám” được làm lạnh đến khoảng -33 độ C, vận chuyển đến nhà máy ở trạng thái hóa lỏng trên một con tàu đặc biệt, sau đó được lưu trữ trong các thùng chứa đặc biệt.

Một khía cạnh quan trọng khác của dự án là tập trung vào sự an toàn. Amoniac phải được xử lý cẩn thận, vì đây là chất độc hại. Mặc dù thường được sử dụng tại các nhà máy điện cho thiết bị khử nitrat, nhưng nó thường được xử lý bởi nhân viên có trình độ theo quy trình xử lý tiêu chuẩn.

JERA cho biết: “Đã chuẩn bị các biện pháp an toàn và khuôn khổ vận hành cho việc sử dụng nhiên liệu amoniac tại nhà máy điện”.

Các biện pháp an toàn bao gồm ba cấp độ: Phòng ngừa, phát hiện, xử lý sớm và ngăn ngừa lây lan. Để ngăn chặn amoniac rò rỉ, JERA cho hay: Sẽ thực hiện “các thiết kế an toàn mạnh mẽ để ngăn ngừa hư hỏng thiết bị do động đất, nước dâng do bão, sóng thần và lũ lụt, cũng như thực hiện triệt để các biện pháp phòng ngừa trong trường hợp thiết bị hỏng hóc, hoặc vận hành không chính xác”.

Ngoài ra, JERA còn triển khai “các cơ chế phát hiện sớm những điểm bất thường của thiết bị và hướng dẫn đào tạo để ngăn chặn thiệt hại lan rộng” như kiểm tra hàng ngày và định kỳ, cũng như đào tạo chuyên sâu cho người vận hành.

Vì amoniac có đặc tính hòa tan cao trong nước, nên một cơ chế bảo vệ khác bao gồm việc phun nước để hấp thụ khí amoniac và ngăn không cho nó lan rộng. JERA lưu ý rằng: Các thùng chứa amoniac nhiên liệu cần “được lắp đặt bên trong một con đê có tác dụng như một hàng rào để ngăn chất lỏng rò rỉ, do đó, nước đã hấp thụ amoniac sẽ ở lại trong đê và nhanh chóng được thu hồi”./.

BBT TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

Link tham khảo:

https://live-powermag.pantheonsite.io/global-first-jera-ihi-launch-testing-of-fuel-ammonia-at-coal-power-plant