1. Giới thiệu

Hiện nay, nhiều ngành công nghiệp đã thiết kế và triển khai các biện pháp giảm phát thải khí nhà kính nhằm giảm thiểu hiện tượng nóng lên toàn cầu. Tại các nhà máy nhiệt điện, amoniac đã được đề xuất là một nhiên liệu thay thế không phát thải carbon dioxide (CO₂). Tuy nhiên, do amoniac có khả năng cháy thấp và gây lo ngại về phát thải nitơ oxit (NOx) , thách thức phát triển chính là đạt được quá trình đốt cháy ổn định với lượng phát thải NOx thấp trong các nhà máy vận hành thương mại.

IHI tập trung vào việc sử dụng amoniac làm nhiên liệu thay thế và bắt đầu phát triển công nghệ đốt amoniac vào giữa những năm 2010. Sau đó, IHI đã phát hiện ra tiềm năng của việc đốt amoniac thông qua việc điều tra và nghiên cứu việc sử dụng nó trong lò hơi của các nhà máy nhiệt điện than hiện có trong năm 2017 và 2018, như một phần của Chương trình Thúc đẩy Đổi mới Chiến lược Liên Bộ (SIP) do Văn phòng Nội các Nhật Bản chủ trì. Sau đó, một nghiên cứu chi tiết do Tổ chức Phát triển Công nghệ Công nghiệp và Năng lượng Mới (NEDO) ủy quyền đã được thực hiện trong năm tài chính 2019 và 2020 về quá trình đốt amoniac, dựa trên điều kiện vận hành của lò hơi tại Nhà máy nhiệt điện Hekinan của JERA ở tỉnh Aichi ⁽¹⁾ _. Sau đó, một dự án được tài trợ cho thử nghiệm trình diễn đốt amoniac 20 % tại Nhà máy Nhiệt điện Hekinan đã được tiến hành từ năm tài chính 2021 đến năm tài chính 2024 ⁽²⁾ . Thuật ngữ “ Đồng đốt amoniac 20% ” có nghĩa là amoniac chiếm 20% nhiệt lượng đầu vào lò hơi, 80% còn lại được cung cấp bởi than. Ở đây, tỷ lệ đốt tương đương với tỷ lệ nhiệt lượng đầu vào.

Bài viết này trình bày về các thiết bị đã được cải tạo, nội dung và kết quả của cuộc thử nghiệm trình diễn về việc đốt nhiên liệu amoniac 20% tại Tổ máy 4 của Nhà máy nhiệt điện Hekinan (sau đây gọi là “ Tổ máy Hekinan ” ). IHI cũng đã thực hiện một dự án trình diễn đốt nhiên liệu chứa 50% amoniac trở lên tại Nhà máy nhiệt điện Hekinan (Dự án Quỹ đổi mới xanh, JPNP21020, do NEDO tài trợ) và phát triển loại vòi đốt chuyên dụng cho amoniac, cả hai nội dung này sẽ được công bố trong các bài viết khác .

2. Khung lý thuyết/phương pháp

2.1. Cơ sở vật chất được cải tạo để thử nghiệm trình diễn

Để đốt nhiên liệu amoniac bằng lò hơi đốt than, cần phải cải tạo một phần lò hơi và lắp đặt thêm một hệ thống cung cấp amoniac. Sau đây là một ví dụ về các hoạt động như vậy tại nhà máy Hekinan tổ máy 4, được sử dụng cho thử nghiệm trình diễn đốt nhiên liệu amoniac 20%.

Việc cải tiến lò hơi chủ yếu là lắp thêm một vòi phun amoniac vào đầu đốt hiện có. Tất nhiên, sẽ cần thêm đường ống và van để cung cấp amoniac, nhưng nếu tỷ lệ đốt amoniac khoảng 20%, có thể giảm 20% lượng khí thải CO₂ bằng amoniac chỉ bằng cách cải tiến các vòi đốt lò hơi. Tuy nhiên, điều này có thể không áp dụng với tất cả các nhà máy, và tùy thuộc vào điều kiện của cơ sở và biên độ công suất, có thể cần phải thực hiện thêm các cải tiến khác cho vòi đốt.

Vòi đốt IHI được trang bị bép phun amoniac có thể hoạt động hoàn toàn bằng than khi không sử dụng amoniac, giống hệt như ở trạng thái ban đầu. Điều này cho phép lò hơi duy trì công suất vận hành bất kể nguồn cung cấp amoniac. Tổ máy số 4 của Hekinan có 48 đầu đốt, mỗi đầu đốt được trang bị một vòi phun amoniac. Có sáu máy nghiền than cung cấp than cho các đầu đốt. Năm trong số đó thường xuyên hoạt động (một máy còn lại là dự phòng), và có thể duy trì tỷ lệ đốt amoniac ở mức 20% cho tất cả các chế độ vận hành của máy nghiền.

Hình 1 Trước và sau khi sửa đổi đầu đốt amoniac (bằng sáng chế số 7049773)

Sự phát triển của lò đốt amoniac bắt đầu bằng một thử nghiệm đốt cháy tại một lò thử nghiệm công suất nhỏ để nghiên cứu nội bộ ⁽³⁾ . Dựa trên kết quả thử nghiệm và kết quả phân tích mô phỏng, chúng tôi đã kiểm tra để xác định khu vực nào có thể lắp đặt vòi đốt Amoniac và bắt đầu thử nghiệm bằng lò thử nghiệm đốt công suất lớn dựa trên những phát hiện thu được từ nghiên cứu giảm phát thải NOx từ các đầu đốt than hiện có. Thật khó để đánh giá tính hợp lệ của kết quả thử nghiệm vì nghiên cứu được tiến hành trong một lĩnh vực mới và cần phải xác minh độ chính xác của dữ liệu bằng cách lặp lại thử nghiệm (dự án SIP đã đề cập ở trên). Dựa trên dữ liệu thu được và những phát hiện tích lũy, chúng tôi đã thiết lập các hướng dẫn thiết kế cho đầu đốt amoniac thông qua việc kiểm tra cấu trúc đầu đốt cụ thể và các thử nghiệm đốt với cấu trúc này (dự án do NEDO ký hợp đồng từ năm tài chính 2019 đến năm tài chính 2020). Đầu đốt amoniac tại Tổ máy 4 Hekinan được thiết kế theo các hướng dẫn này (dự án do NEDO tài trợ từ năm tài chính 2021 đến năm tài chính 2024).

Tiếp theo, chúng tôi sẽ giới thiệu về cơ sở hạ tầng cung cấp amoniac. Nhìn chung, cơ sở hạ tầng này tiếp nhận và lưu trữ amoniac lỏng, sau đó hóa hơi bằng thiết bị hóa hơi để cung cấp khí amoniac cho lò hơi. Cụ thể, các thiết bị sau được lắp đặt :

• Thiết bị tiếp nhận nhiên liệu amoniac (chẳng hạn như cánh tay nạp)
• Bể nhiên liệu amoniac
• Máy nén BOG nhiên liệu amoniac (BOG: Boil Off Gas, khí hóa hơi trong bình)
• Thiết bị khử độc
• Bơm xả nhiên liệu amoniac
• Máy hóa hơi nhiên liệu amoniac
• Máy bơm nước biển hóa hơi nhiên liệu amoniac
• Bộ gia nhiệt nhiên liệu amoniac

Đường ống nhiên liệu amoniac và van cho chất lỏng hoặc khí để kết nối các thiết bị trên.

Hình 2. Tổng quan về Nhà máy nhiệt điện Hekinan và sơ đồ của cơ sở cung cấp amoniac (do JERA Co., Inc. cung cấp)

Amoniac được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, và công nghệ xử lý cả amoniac lỏng và khí đã được thiết lập và phát triển. Do đó, thiết bị được sử dụng ở đây là sự mở rộng của công nghệ truyền thống và không khác biệt đáng kể so với các phương pháp, công nghệ xử lý amoniac hiện có. Tuy nhiên, chưa có ví dụ nào về các cơ sở chuyên tiếp nhận và xả amoniac với vai trò là nhiên liệu. Đặc biệt, việc mở rộng công suất của cơ sở hạ tầng và đảm bảo an toàn đã được đặc biệt chú trọng.

Trong khi bồn chứa nhiên liệu amoniac của Tổ máy số 4 Hekinan được sử dụng làm bồn đệm, một bồn chứa có dung tích lớn hơn sẽ được sử dụng khi nó được thương mại hóa trong tương lai. Tập đoàn IHI cũng đang phát triển các công nghệ liên quan đến việc tăng dung tích bồn chứa ^(4).

Hình 3. Bồn nhiên liệu amoniac

2.2 Nội dung thử nghiệm trình diễn đốt amoniac 20% trong lò hơi đang hoạt động thương mại

Mục đích của thử nghiệm trình diễn đốt amoniac 20% tại Nhà máy nhiệt điện Hekinan như sau.

Do việc sử dụng amoniac làm nhiên liệu được đề xuất như một biện pháp giảm phát thải CO₂ trong các hệ thống nhiệt điện, chúng tôi đã tiến hành kiểm chứng và đánh giá thông qua các thử nghiệm đốt cháy tại các cơ sở thử nghiệm và phân tích. Việc chứng minh công nghệ này tại các nhà máy điện đang hoạt động thương mại và thiết lập công nghệ để thương mại hóa là cần thiết .

Với mục đích đó, chúng tôi đã xác định các thông số kỹ thuật hợp lý cho thiết bị liên quan đến lò hơi và cơ sở cung cấp amoniac, đồng thời tiến hành thử nghiệm đốt 20% nhiên liệu tại một nhà máy nhiệt điện than công suất 1.000 MW hiện có ( Tổ máy Hekinan 4) để hiểu rõ điều kiện vận hành và các đặc điểm khác, đồng thời xác định và giải quyết các vấn đề phát sinh trong quá trình vận hành thực tế. Điều này cho phép chúng tôi thiết lập công nghệ sử dụng amoniac làm nhiên liệu tại các nhà máy nhiệt điện để thương mại hóa.

Hình 4. Tổng quan về cơ sở cung cấp amoniac (do JERA Co., Inc. cung cấp)

Để thực hiện điều này, chúng tôi đã lắp đặt các cơ sở nêu trên và chuẩn bị cho một cuộc thử nghiệm trình diễn. Mục tiêu của chúng tôi trong cuộc thử nghiệm trình diễn này là (1) Xác định các vấn đề liên quan đến việc thương mại hóa công nghệ đốt amoniac, chẳng hạn như các đặc điểm và hạn chế đối với toàn bộ nhà máy khi thực hiện đốt amoniac 20%, và (2) Thiết lập công nghệ đốt amoniac 20% dựa trên (1).

Thời gian thử nghiệm trình diễn được ấn định trong khoảng ba tháng để thiết lập hoạt động đốt amoniac 20% và tiến hành nhiều thử nghiệm khác nhau nhằm đánh giá đặc tính đốt cháy.

Hơn nữa, do nhà máy điện chưa bao giờ sử dụng amoniac làm nhiên liệu và chưa từng có tiền lệ, IHI đã dành nhiều thời gian để đảm bảo an toàn thông qua các cuộc thảo luận và tham vấn với JERA và các nhà thầu phụ. JERA, đơn vị vận hành nhà máy điện, đã tiến hành đánh giá rủi ro bao gồm nhiều khía cạnh an toàn và phòng chống thiên tai khi lập kế hoạch cho các cơ sở phòng chống thiên tai của nhà máy điện và triển khai các biện pháp dựa trên kết quả đánh giá. Ngoài ra, để tăng cường khả năng sẵn sàng ứng phó khẩn cấp, JERA đã hợp tác với chính quyền địa phương. Một ví dụ là các cuộc diễn tập phòng chống thiên tai với sở cứu hỏa địa phương. Với các công tác chuẩn bị nêu trên , cuộc thử nghiệm trình diễn đã được tiến hành an toàn, không xảy ra bất kỳ tai nạn hay sự cố nào.

3. Kết quả và thảo luận

Quá trình đốt amoniac bắt đầu vào ngày 1 tháng 4 năm 2024 và việc đốt amoniac 20% ở công suất định mức 1.000 MW đã đạt được thành công theo kế hoạch vào ngày 10 tháng 4 năm 2024.

3.1 Đánh giá hiệu suất lò hơi và phát thải

Các kết quả thử nghiệm trình diễn chính, đặc biệt là những kết quả liên quan đến hiệu suất đốt cháy, được tóm tắt trong danh sách kết quả hiệu suất đốt cháy.

Lượng khí thải NOx, mối quan tâm chính liên quan đến việc đốt amoniac 20%, đã được xác nhận là bằng hoặc thấp hơn lượng khí thải từ việc đốt nhiên liệu truyền thống (than). Cụ thể, tùy thuộc vào điều kiện vận hành, lượng khí thải NOx từ việc đốt amoniac 20% tương tự như từ việc chỉ đốt nhiên liệu ban đầu, thậm chí trong nhiều trường hợp, lượng khí thải NOx còn thấp hơn. Do đó, việc đốt amoniac 20% được đánh giá là có đặc tính phát thải NOx tương đương so với việc đốt nhiên liệu truyền thống (than).

Ngoài ra, lượng vật chất chưa cháy trong tro, tỷ lệ nghịch với lượng phát thải NOx, từ quá trình đốt amoniac 20% được đánh giá là tương đương với quá trình đốt nhiên liệu than truyền thống. Điều này khẳng định rằng quá trình đốt amoniac 20% có thể đồng thời giảm phát thải NOx và lượng carbon chưa cháy trong tro xuống mức tương đương với quá trình đốt than thông thường.

Về phát thải khí nhà kính, việc đốt amoniac 20% đã đạt được mức giảm khoảng 20% lượng khí thải CO_{2 ,} đúng như mục tiêu khi lên kế hoạch thử nghiệm trình diễn. Lượng khí thải nitơ oxit (N₂O ⁾ , vốn có hiệu ứng nhà kính cao, bằng hoặc thấp hơn giới hạn phát hiện.

Tương tự, việc đốt amoniac 20% đã đạt được mức giảm khoảng 20% lượng khí thải oxit lưu huỳnh ( SOx ) và lượng amoniac chưa cháy (NH₃ ) bằng hoặc thấp hơn giới hạn định lượng dưới. Theo đó, thử nghiệm trình diễn đã mang lại kết quả khả quan về cả hiệu quả cháy và hiệu quả môi trường. Yếu tố góp phần vào kết quả hiệu suất đốt cháy khả quan này, đặc biệt là việc giảm phát thải NOx xuống mức tương đương với việc đốt nhiên liệu than truyền thống, được cho là nhờ sự hiểu biết về cơ chế đốt amoniac và việc tích hợp cơ chế này với các công nghệ đã được phát triển từ lâu để giảm phát thải NOx từ quá trình đốt than và các nhiên liệu thông thường khác.

Thành tựu trong việc thiết lập công nghệ đốt amoniac như một loại nhiên liệu mới này được kỳ vọng sẽ thúc đẩy sự phát triển hơn nữa của các công nghệ đốt amoniac, bao gồm việc tăng tỷ lệ đốt amoniac và đưa công nghệ đốt amoniac vào các ngành công nghiệp khác.

Hình 5. Chi tiết về thử nghiệm trình diễn

3.2 Đánh giá khả năng vận hành của nhà máy

Sau đây thảo luận về kết quả của thử nghiệm được tiến hành để xác nhận khả năng vận hành của nhà máy khi đốt amoniac 20%. Một thử nghiệm để xác minh sự cân bằng lưu lượng khối amoniac được bơm vào trong quá trình khử nitrat đã được tiến hành trong quá trình thử nghiệm trình diễn. Các cơ sở nhà máy điện được cải tiến bao gồm thiết bị khử nitrat phun amoniac qua lỗ phun được đặt ở thượng nguồn của chất xúc tác khử nitrat theo hướng dòng khí, với cân bằng lưu lượng amoniac được bơm vào được điều chỉnh để tối ưu hóa hiệu quả khử nitrat. Do đó, thử nghiệm được tiến hành để xác nhận tác động của việc đốt amoniac 20% lên cân bằng khối lượng amoniac trong quá trình nitrat hóa. Kết quả là, việc đốt amoniac 20% không làm thay đổi phân phối NOx và do đó không cần điều chỉnh thêm lượng amoniac bơm vào.

Về thử nghiệm thay đổi tải, hoạt động có thể kiểm soát được đã được xác nhận là khả thi bằng cách thực hiện các thay đổi tải tương tự như trong quá trình vận hành nhà máy điện hiện có. Ngoài ra, đã được xác nhận rằng các cơ sở có thể xử lý an toàn việc giảm tải xuống mức mục tiêu trong quá trình thử nghiệm cắt khẩn cấp nguồn cung cấp amoniac. Những thay đổi trong các giá trị quy trình liên quan đến hoạt động cắt nguồn cung cấp amoniac nằm trong phạm vi dự kiến, và đã được xác nhận rằng các cơ sở có thể được đóng cửa an toàn mà không bị rò rỉ. Theo đó, việc đốt amoniac 20% đã được xác nhận đảm bảo khả năng vận hành của nhà máy tương đương với việc đốt một lần nhiên liệu thông thường. Hơn nữa, những phát hiện trên đã được thu thập với điều kiện hơi nước của việc đốt một lần nhiên liệu thông thường được áp dụng nhất quán cho việc đốt amoniac 20%.

Hình 6 So sánh ngọn lửa giữa đốt nhiên liệu than truyền thống và đốt 20% amoniac

Bảng 1. Danh sách kết quả hiệu suất đốt cháy

Thử nghiệm trình diễn đã xác nhận việc đốt amoniac 20% là khả thi, vì nó có thể đảm bảo hiệu suất đốt cháy và khả năng vận hành của nhà máy tương đương với việc đốt một lần nhiên liệu thông thường mà không có bất kỳ nhược điểm nào. Tóm tắt thử nghiệm trình diễn, các hạng mục thử nghiệm và kết quả đánh giá được trình bày trong Bảng 2. Thử nghiệm trình diễn đã đáp ứng thành công tất cả các mục tiêu thử nghiệm và đạt được các kết quả dự kiến cho các thách thức kỹ thuật liên quan đến khả năng cháy, phát thải NOx, khả năng vận hành, an toàn và các khía cạnh khác .

Bảng 2. Bảng tóm tắt kết quả kiểm tra tổng thể

4. Kết luận

Kết quả thử nghiệm trình diễn này đã thu hút sự chú ý trên toàn thế giới. Việc đưa amoniac vào sử dụng với tỷ lệ đốt 20% được coi là giải pháp nhanh nhất và tiết kiệm nhất để đạt được mức giảm phát thải CO₂ tối đa _. Do đó, việc trình diễn thành công việc đốt amoniac 20% lần này dự kiến sẽ thúc đẩy đáng kể việc thương mại hóa việc sử dụng amoniac. IHI sẽ hỗ trợ khách hàng trong nỗ lực triển khai amoniac vào các ứng dụng thực tế.

Ngoài ra, liên quan đến việc đốt amoniac ở tỷ lệ đốt cao hơn, vốn đã được phát triển song song với việc đốt 20%, IHI đã hoàn thành nghiên cứu khả thi đang được tiến hành cho một dự án trình diễn (việc phát triển đầu đốt cho tỷ lệ đốt amoniac cao đã được hoàn tất). IHI đang chuẩn bị cho bước tiếp theo là thử nghiệm trình diễn, bao gồm lập kế hoạch, cải tiến, thử nghiệm đốt amoniac và đánh giá kết quả thử nghiệm.

Hơn nữa, IHI đang phát triển công nghệ đốt cho lò đốt amoniac đơn. Ví dụ, chúng tôi đã thành công trong việc hình ảnh hóa ngọn lửa của lò đốt amoniac đơn bằng camera và bộ lọc đặc biệt, mặc dù ngọn lửa không thể nhìn thấy trong điều kiện cháy âm ỉ. Sau đó, chúng tôi sẽ hoàn thành việc phát triển đầu đốt cho lò đốt amoniac đơn vào cuối năm tài chính 2024. Việc ứng dụng đầu đốt này vào các lò hơi nhỏ và lò công nghiệp để đạt hiệu suất tương đương với từng đầu đốt cũng đang được xem xét.

Hình 7. Lộ trình phát triển công nghệ vòi đốt

Bài viết này trình bày các cơ sở vật chất, nội dung và kết quả đã được cải tiến của cuộc thử nghiệm trình diễn tại tổ máy 4 của Nhà máy điện hạt nhân Hekinan , một thành tựu đột phá cho những người sử dụng amoniac làm nhiên liệu tiềm năng. IHI cũng sẽ thúc đẩy việc thiết lập chuỗi cung ứng amoniac bằng cách thực hiện các sáng kiến cụ thể đã được chuẩn bị với sự hợp tác của nhiều quốc gia, công ty và tổ chức khác nhau.

Thông qua những nỗ lực này, IHI sẽ góp phần giảm lượng khí thải CO ₂ bằng cách phát triển công nghệ chuyển đổi từ nhiên liệu thông thường sang amoniac, qua đó liên tục cung cấp các giải pháp đa dạng để đáp ứng các nhu cầu khác nhau của xã hội nhằm đạt mục tiêu trung hòa carbon vào năm 2050 .

Tài liệu tham khảo

[1] Tập đoàn IHI, Phát triển công nghệ tái chế carbon và phát điện nhiệt thế hệ tiếp theo / Phát triển công nghệ phát điện nhiệt thế hệ tiếp theo / Dự án thúc đẩy công nghệ phát điện nhiệt thế hệ tiếp theo / Nghiên cứu tiên tiến công nghệ phát điện nhiệt đốt amoniac / Nghiên cứu và phát triển công nghệ đốt amoniac cho nhiều đầu đốt trong lò hơi đốt than phun (JPNP16002).

[2] Tập đoàn IHI, Phát triển công nghệ tái chế carbon và sản xuất điện nhiệt thế hệ tiếp theo / Dự án Nghiên cứu, phát triển và trình diễn công nghệ sản xuất điện nhiệt đồng đốt amoniac / Nghiên cứu trình diễn đốt 20% nhiên liệu amoniac tại nhà máy điện đốt than công suất 1.000.000 kW (JPNP16002).

[3] Tập đoàn IHI, Phát triển phương pháp đồng đốt than nghiền và amoniac để giảm phát thải khí nhà kính” Tạp chí Kỹ thuật IHI, Tập 53, Số 1, 2020.

(4) Tập đoàn IHI, Thực hiện các bồn chứa amoniac thể tích lớn và thiết lập phương pháp thử nghiệm mới” Tạp chí Kỹ thuật IHI, Tập 57, Số 1, 2024.

Ryo Hanaoka, Yoshitomo Okuma, Soomin Yoon etc. Tập đoàn IHI 1