Hành trình của than đá đến dòng điện bên trong một nhà máy nhiệt điện

Than đá, một loại nhiên liệu hóa thạch hình thành qua hàng triệu năm, đã và đang đóng vai trò không thể thiếu trong việc sản xuất điện, đặc biệt là ở những quốc gia có trữ lượng than lớn hoặc nhu cầu năng lượng cao như Việt Nam. Mặc dù xu hướng chuyển dịch năng lượng sạch đang diễn ra mạnh mẽ, nhưng nhiệt điện than vẫn là xương sống của lưới điện quốc gia trong nhiều năm tới. Vậy, than đá đã biến thành điện năng như thế nào? Hãy cùng khám phá hành trình đầy ấn tượng này bên trong một nhà máy nhiệt điện.

Tổng quan về nhà máy nhiệt điện than:

Một nhà máy nhiệt điện than là một tổ hợp công nghiệp phức tạp, được thiết kế để chuyển hóa năng lượng hóa học chứa trong than thành điện năng thông qua một chuỗi các quá trình vật lý và hóa học. Về cơ bản, nó hoạt động dựa trên nguyên lý chu trình Rankine, nơi nhiệt năng làm bốc hơi nước thành hơi nước áp suất cao, hơi nước này quay tuabin, tuabin quay máy phát điện.

I. Giai đoạn 1: Tiếp nhận và chuẩn bị than

Hành trình bắt đầu từ khi than đá được đưa đến nhà máy:

• Tiếp nhận than:
  • Vận chuyển: Than được vận chuyển đến nhà máy bằng nhiều phương tiện: tàu hỏa, tàu thủy (đối với các nhà máy ven biển hoặc sông lớn), hoặc xe tải (đối với các nhà máy gần mỏ than).
  • Kiểm tra chất lượng: Trước khi nhập kho, than được lấy mẫu để phân tích chất lượng (nhiệt trị, độ ẩm, hàm lượng tro, lưu huỳnh…) để đảm bảo phù hợp với yêu cầu của lò hơi.
  • Lưu kho Than: Than được đổ xuống các bãi chứa than khổng lồ, thường được thiết kế chống cháy nổ và giảm thiểu phát tán bụi. Các thiết bị như máy rải than (stacker) và máy cào than (reclaimer) được sử dụng để sắp xếp và lấy than.
• Xử lý và sơ chế Than:
  • Sàng lọc: Than được đưa qua hệ thống sàng để loại bỏ các tạp chất lớn (đá, kim loại) và phân loại kích cỡ.
  • Nghiền: Để tối ưu hóa quá trình cháy, than được đưa vào các máy nghiền (pulverizer) để nghiền thành bột mịn như phấn. Than càng mịn thì quá trình cháy càng hiệu quả, giải phóng nhiệt năng tối đa.
  • Hệ thống hút và lọc bụi: Trong suốt quá trình vận chuyển, sàng lọc và nghiền, lượng bụi than phát sinh là rất lớn. Các hệ thống hút bụi cục bộ và lọc bụi túi vải, cyclone được lắp đặt dày đặc để thu giữ bụi, đảm bảo vệ sinh công nghiệp và môi trường.

II. Giai Đoạn 2: Cháy Than và tạo hơi nước (Lò Hơi)

Đây là trái tim của nhà máy nhiệt điện, nơi năng lượng hóa học chuyển hóa thành nhiệt năng:

• Đốt than: Bột than mịn được trộn với không khí nóng và phun vào buồng đốt của lò hơi (boiler). Quá trình cháy diễn ra mãnh liệt, tạo ra lượng nhiệt khổng lồ, làm nóng các ống nước nằm trong lò.
• Công nghệ đốt than sạch: Các nhà máy hiện đại thường sử dụng công nghệ đốt than hiệu suất cao như lò hơi tầng sôi tuần hoàn (CFB – Circulating Fluidized Bed) hoặc công nghệ đốt than phun (Pulverized Coal Combustion) với thiết kế tối ưu để tăng hiệu suất cháy và giảm phát thải.
• Tạo hơi nước: Nước cấp (nước đã được xử lý tinh khiết để tránh cáu cặn) được bơm vào các ống trong lò hơi. Nhiệt độ cao từ quá trình cháy làm nước sôi và bốc hơi, tạo thành hơi nước siêu nhiệt (áp suất và nhiệt độ rất cao, ví dụ 170 bar và 540°C).
• Xử lý khí thải lò hơi (sau đốt):
• Hệ thống khử bụi: Khí thải sau khi đi ra khỏi buồng đốt chứa nhiều tro bay (bụi than mịn). Chúng được đưa qua hệ thống lọc bụi tĩnh điện (ESP) hoặc lọc bụi túi vải (Baghouse) để thu giữ tro bay.
• Hệ thống khử SOx (FGD – Flue Gas Desulfurization): Để loại bỏ lưu huỳnh đioxit, khí thải được dẫn qua tháp hấp thụ (thường dùng huyền phù đá vôi hoặc vôi tôi) để phản ứng hóa học, tạo ra thạch cao.
• Hệ thống khử NOx (SCR/SNCR): Để giảm nitơ oxit, amoniac hoặc urê được tiêm vào dòng khí thải để chuyển hóa NOx thành khí nitơ và hơi nước.
• Ống khói: Khí thải đã được xử lý sạch sẽ được thải ra ngoài môi trường qua ống khói cao.

III. Giai Đoạn 3: Biến Hơi Nước Thành Điện Năng (Tuabin – Máy Phát)

Đây là giai đoạn chuyển hóa năng lượng nhiệt và động năng thành điện năng:

• Quay Tuabin: Hơi nước siêu nhiệt, với áp suất và nhiệt độ cao, được dẫn qua các tầng cánh của tuabin hơi. Áp lực của hơi nước làm tuabin quay với tốc độ rất cao. Tuabin thường có nhiều tầng, với các tầng đầu tiên xử lý hơi nước áp suất cao và các tầng sau xử lý hơi nước đã giãn nở, hạ áp.
• Máy phát điện: Trục của tuabin được nối trực tiếp với trục của máy phát điện (generator). Khi tuabin quay, máy phát điện quay theo, biến cơ năng thành điện năng thông qua nguyên lý cảm ứng điện từ. Máy phát điện tạo ra dòng điện xoay chiều với điện áp nhất định (thường là vài chục kV).
• Máy biến áp: Dòng điện từ máy phát được dẫn tới máy biến áp (transformer) để tăng điện áp lên mức rất cao (ví dụ 110kV, 220kV, 500kV) để truyền tải hiệu quả qua lưới điện quốc gia.

IV. Giai đoạn 4: Ngưng tụ hơi nước và tái sử dụng nước

Để chu trình được liên tục và hiệu quả, hơi nước sau khi ra khỏi tuabin cần được tái sử dụng:

• Bộ ngưng hơi (Condenser): Hơi nước sau khi ra khỏi tuabin (đã mất phần lớn năng lượng và hạ áp) được dẫn vào bộ ngưng hơi. Tại đây, hơi nước được làm lạnh bởi nước tuần hoàn từ tháp giải nhiệt hoặc nguồn nước tự nhiên (sông, biển) và ngưng tụ trở lại thành nước lỏng.
• Tháp giải nhiệt (Cooling Tower) hoặc Nước làm mát tuần hoàn: Nước làm mát từ bộ ngưng hơi sẽ được đưa đến tháp giải nhiệt để loại bỏ nhiệt và hạ nhiệt độ, sau đó quay trở lại bộ ngưng hơi. Đối với các nhà máy ven sông/biển, nước làm mát có thể được lấy và thải trực tiếp ra nguồn nước tự nhiên (cần xử lý nhiệt độ trước khi thải).
• Xử lý nước cấp: Nước sau khi ngưng tụ được xử lý (khử khoáng, khử oxy…) để đảm bảo độ tinh khiết cao nhất trước khi được bơm trở lại lò hơi, hoàn tất một chu trình khép kín.

V. Xử lý tro xỉ và chất thải rắn:

Một sản phẩm phụ không thể tránh khỏi của quá trình đốt than là tro bay (tro từ khí thải) và xỉ đáy lò (tro lắng ở đáy lò).

• Vận chuyển và lưu trữ: Tro xỉ được vận chuyển đến các bãi thải hoặc silo chứa chuyên dụng.
• Tái sử dụng: Ngày càng có nhiều nỗ lực để tái sử dụng tro xỉ làm vật liệu xây dựng (phụ gia xi măng, gạch không nung, vật liệu san lấp…), giảm thiểu tác động môi trường từ bãi thải và tạo ra giá trị kinh tế.

Hành trình của than đá để tạo ra dòng điện là một chuỗi các quá trình phức tạp và đòi hỏi công nghệ cao. Từ việc tiếp nhận than thô, nghiền thành bột, đốt cháy trong lò hơi khổng lồ, biến nước thành hơi siêu nhiệt, quay tuabin và máy phát điện, đến việc xử lý khí thải và tái sử dụng nước, mỗi công đoạn đều được tối ưu hóa để đạt hiệu suất cao nhất. Dù đối mặt với thách thức từ biến đổi khí hậu và xu hướng năng lượng sạch, các nhà máy nhiệt điện than hiện đại đang không ngừng cải tiến công nghệ để giảm thiểu tác động môi trường, duy trì vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia trong giai đoạn chuyển tiếp.