Dự thảo tóm tắt Luận án Tiến sĩ Khoa học môi trường: Nghiên cứu phát thải thủy ngân tại một số nhà máy nhiệt điện đốt than ở Việt Nam

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là xác định đươc̣ hiện trạng thủy ngân trong than nguyên liệu của một số các NMNĐ đốt than của Việt Nam hiện nay. Đánh giá đươc̣ sựphân bố của thủy ngân trong các pha rắn, lỏng, khí trong quá trình đốt nhiên liêụ than của môṭ số nhà máy nhiêṭ điêṇ. Đề xuất một số giải pháp quản lý thủy ngân trong các NMNĐ đốt than của Việt Nam.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội

Vào hồi giờ phút, ngày tháng năm 20

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia Việt Nam;

- Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nhiều thảm họa môi trường liên quan đến độc tính của thủy ngân đã được các nhà khoa học, các nhà quản lý về môi trường phát hiện trong đó điển hình là vụ nhiễm độc thủy ngân tại vịnh Minamata, Nhật Bản Di chứng, hậu quả của vụ nhiễm độc thủy ngân này đối với con người nặng nề đến mức các hội chứng bệnh lý của người dân nhiễm độc thủy ngân mắc phải tại đây được các nhà nghiên cứu gọi tên là hội chứng Minamata nhằm ghi lại dấu ấn "đen tối" trong lịch sử con người do ảnh hưởng của thủy ngân gây ra Thủy ngân được phát thải vào môi trường một phần do các quá trình diễn ra trong tự nhiên (cháy rừng, ) nhưng phần nhiều là do các hoạt động nhân sinh, đặc biệt là hoạt động đốt nhiên liệu hóa thạch (sản xuất điện, xi măng, thép ) Với vai trò là một nguồn thải lớn, việc nghiên cứu đặc điểm tồn tại, sự chuyển hóa cũng như phát thải thủy ngân trong quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch của các nhà máy nhiệt điện (NMNĐ) đã được nhiều tổ chức trên thế giới nghiên cứu, công bố nhưng chủ yếu đưa ra các số liệu phân tích đối với than bitum, á bitum (đặc tính lý - hóa khác hẳn than antraxit) Tài liệu đề cập đến hàm lượng thủy ngân trong than antraxit cũng như phát thải thủy ngân từ các NMNĐ đốt than antraxit (loại than đặc trưng đang khai thác, sử dụng phổ biến tại Việt Nam) rất hiếm Việt Nam mới gia nhập công ước Minamata về thủy ngân (ký kết ngày 11/10/2013, phê chuẩn ngày 23/06/2017) Theo lộ trình áp dụng các điều khoản của công ước, một trong những nội dung Việt Nam cần thực hiện trước tiên là điều tra quốc gia về hiện trạng sử dụng, phát thải thủy ngân, hướng tới kiểm soát phát thải Số liệu kiểm kê thủy ngân quốc gia năm 2015 phản ánh lĩnh vực sử dụng năng lượng hóa thạch chiếm 13,3% tổng lượng thủy ngân phát thải

Vì vậy, việc nghiên cứu hàm lượng thủy ngân trong than antraxit sử

dụng cho các NMNĐ đốt than của Việt Nam, khả năng phát thải thủy ngân từ hoạt động của các NMNĐ là hết sức cần thiết

Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn nêu trên, đề tài: “Nghiên cứu phát thải thủy ngân tại một số nhà máy nhiệt điện đốt than ở Việt Nam” được thực hiện nhằm mục đích bước đầu xác định hiện trạng

thủy ngân trong than nguyên liệu, mức độ phát thải thủy ngân từ các NMNĐ đốt than, từ đó đưa ra biện pháp quản lý, kiểm soát, giảm phát thải phù hợp

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Xác định được hiện trạng thủy ngân trong than nguyên liệu của một số các NMNĐ đốt than của Việt Nam hiện nay

- Đánh giá được sự phân bố của thủy ngân trong các pha rắn, lỏng, khí trong quá trình đốt nhiên liê ̣u than của một số nhà máy nhiê ̣t điê ̣n

- Đề xuất một số giải pháp quản lý thủy ngân trong các NMNĐ đốt than của Việt Nam

3 Phạm vi nghiên cứu

Việc lấy mẫu, phân tích thành phần thủy ngân trong nguyên liệu đầu vào, các sản phẩm đầu ra của quá trình đốt than nhiên liệu được tiến hành tại 16 nhà máy trong tổng số 24 NMNĐ đốt than đang vận hành hiện nay của Việt Nam Các NMNĐ đốt than được lựa chọn nghiên cứu đại diện cho cả 02 loại công nghệ lò hơi phổ biến hiện nay (CFB và PC); sử dụng các nguồn than trong nước cũng như nhập khẩu; không phân biệt vị trí địa lý (từ miền Bắc, miền Trung đến miền Nam); bao gồm cả các nhà máy điện cũ lẫn các nhà máy mới đưa vào vận hành; từ các nhà máy có hệ thống xử lý khí thải chỉ lắp đặt thiết bị lọc bụi (ESP) đến những nhà máy có hệ thống

xử lý khí thải tương đối đầy đủ (lắng tĩnh điện, khử khí SOx và NOx) Các so sánh, đánh giá, xác định mối tương quan, dự báo phát thải thủy ngân cũng thực hiện trong phạm vi 16 NMNĐ này

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễ n của đề tài

4.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài nghiên cứu

Luận án cung cấp một tập hợp dữ liệu tương đối đầy đủ, chi tiết về kết quả phân tích thủy ngân tại các NMNĐ đốt than (từ nguyên liệu đầu vào: than nhiên liệu, đá vôi/nước biển dùng để khử

SOx trong khí thải đến các sản phẩm cháy đầu ra: tro, xỉ, thạch cao, bụi, khí thải, nước thải hệ thống khử SOx) đồng thời so sánh, tìm mối tương quan

4.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài nghiên cứu

- Thông qua kết quả phân tích, đánh giá hàm lượng thủy ngân nhận diện được loại chất thải tập trung nhiều thủy ngân, loại nguyên liệu chứa nhiều thủy ngân để đề xuất biện pháp xử lý, kiểm soát và giảm thiểu thủy ngân một cách tập trung, phù hợp, hiệu quả

- Việc bước đầu xác định hàm lượng thủy ngân trong bụi, nồng độ thủy ngân trong khí thải của một số NMNĐ nghiên cứu sẽ cung cấp một phần căn cứ tham khảo khi xây dựng, hiệu chuẩn quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải công nghiệp nhiệt điện (trường hợp đề cập đến thống số thủy ngân)

5 Những đóng góp mới của đề tài

- Cung cấp số liệu phân tích thủy ngân trong than antraxit (loại than khai thác, sử dụng phổ biến tại Việt Nam) trong khi các nghiên cứu trên thế giới chủ yếu công bố hàm lượng thủy ngân trong than bitum và á bitum; các nghiên cứu khác tại Việt Nam mới chỉ tiến hành trong phạm vi nhỏ, tại một vài nhà máy cụ thể

- Xác định được sự phân bố của thủy ngân trong các pha rắn, lỏng, khí trong quá trình đốt nhiên liê ̣u than của một số NMNĐ

- Nghiên cứu sự phát thải thủy ngân (dạng PBM) thông qua bụi TSP theo dòng khói thải vào khí quyển từ NMNĐ Từ trước đến nay, việc nghiên cứu sự phát thải tại các NMNĐ của Việt Nam mới chỉ tập trung vào các chất ô nhiễm: bụi, khí SOx, NOx

.

Chương 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Phần Tổng quan tài liệu luận án đã đánh giá khái quát các nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước về thành phần thủy ngân trong than cũng như các sản phẩm cháy; sự chuyển hóa thủy ngân trong quá trình đốt than tại buồng lửa, các yếu tố ảnh hưởng đến sự chuyển hóa thủy ngân khi than cháy, dòng khói di chuyển từ buồng lửa qua các thiết bị xử lý bụi, khí thải và thải ra môi trường Luận án cũng đánh giá tổng quát những nghiên cứu liên quan đến cơ chế phát thải thủy ngân từ các hoạt động diễn ra trong tự nhiên đến các hoạt động nhân sinh đặc biệt tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch, tìm hiểu chi tiết các dạng tồn tại của thủy ngân trong những môi trường khác nhau làm căn cứ lý giải sự chuyển hóa thủy ngân trong điều kiện xuất hiện các chất oxy hóa, nhiệt độ thay đổi lớn (cao nhất đạt khoảng 1.200oC, giảm dần còn 80-50oC tại ống khói trước khi thải ra môi trường) dẫn đến thay đổi phân bố thủy ngân trong các sản phẩm cháy của NMNĐ

Liên quan quá trình đốt than của NMNĐ, luận án cũng xem xét các điều kiện, yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đốt cháy nhiên liệu trong NMNĐ, các công nghệ lò hơi và phân loại thông số hơi hiện tại, nguyên lý làm việc của lò hơi, nguyên lý cháy để rõ hơn quá trình chuyển hóa thủy ngân khi đốt than

Phần tổng quan luận án cũng làm rõ một số khái niệm, thuật ngữ, các phản ứng hóa học cơ bản, những nguyên lý và định luật nhằm hiểu được bản chất quá trình đốt cháy than nhiên liệu sản xuất điện; quá trình chuyển hóa năng lượng; sự hình thành, các dạng tồn tại của thủy ngân trong các sản phẩm cháy, dòng khói của NMNĐ

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu

- Thủy ngân trong nguyên liệu đầu vào (than, đá vôi, nước biển cấp cho hệ thống SWFGD) và các sản phẩm cháy đầu ra (xỉ, tro, thạch cao, nước thải hệ thống SWFGD, bụi, khí thải) tại mỗi NMNĐ được lựa chọn nghiên cứu; thủy ngân (PBM) trong bụi TSP phát thải

từ ống khói (thí điểm NMNĐ B1) vào môi trường không khí

- 16 NMNĐ đốt than ở Việt Nam (D, N, P, B, P1-2, B, S1, D1,

Ng, Đ, K, A, T2, T4, H3, F) được lựa chọn nghiên cứu thủy ngân Trong số 16 NMNĐ này: 06 NM sử dụng công nghệ lò CFB, 10 NM

sử dụng công nghệ lò PC; 10 NM ở miền Bắc, 04 NM ở miền Trung,

02 NM ở miền Nam (Hình 2.2); 04 NM sử dụng than nhập khẩu, 12

NM sử dụng than nội địa; 01 NM chỉ lắp đặt duy nhất thiết bị khử bụi (ESP); 06 NM lắp đặt thiết bị khử bụi (ESP), tích hợp giải pháp khử SOx; NOx trong khói thải trong công nghệ lò CFB, 06 NM có thiết bị khử bụi (ESP) và khử SOx trong khói thải bằng đá vôi, 03

NM có thiết bị khử bụi (ESP), khử SOx trong khói thải bằng nước biển, khử NOx trong khói thải bằng chất xúc tác (SCR)

Hình 2.2 Bản đồ phân bố các NMNĐ đốt than đƣợc nghiên cứu

Nhà máy

thủy điện

10 NMNĐ than phía Bắc được nghiên cứu

02 số NMNĐ than miền Nam được nghiên cứu

02 NMNĐ than Nam Trung Bộ được nghiên cứu

2.2 Nội dung nghiên cứu

Luận án dự kiến thực hiện 03 nội dung:

1 Đánh giá kết quả phân tích hàm lượng thủy ngân trong các nguyên liệu đầu vào tham gia quá trình biến hóa năng của than nhiên liệu thành nhiệt năng các NMNĐ đốt than được nghiên cứu Bước đầu lượng hóa thủy ngân đầu vào để sản xuất điện của các NMNĐ nghiên cứu thông qua lượng than tiêu thụ, hàm lượng thủy ngân trong than nhiên liệu mỗi nhà máy

2 Đánh giá, tìm mối tương quan giữa các kết quả phân tích hàm lượng thủy ngân trong các loại chất thải (rắn/khí/lỏng) sau khi đốt than nhiên liệu của NMNĐ; bước đầu tìm hiểu sự phát thải thủy ngân dạng PBM thông qua bụi theo dòng khói thải vào khí quyển từ NMNĐ đốt than

3 Rà soát các giải pháp quản lý thủy ngân trong các NMNĐ đốt than đã và đang áp dụng hiện nay trên thế giới, khả năng áp dụng đối với Việt Nam để đưa ra đề xuất phù hợp

2.3 Phương pháp ngiên cứu

- Các phương pháp lấy mẫu, phân tích hàm lượng thủy ngân: (1) Lấy mẫu than nguyên liệu theo phương pháp TCVN 1693:2008 ISO 18283:2006; (2) Lấy mẫu đá vôi và thạch cao theo phương pháp TCVN 9466:2012 ASTM D6009-12; (3) Phân tích hàm lượng thủy ngân trong mẫu rắn (than nhiên liệu, đá vôi, thạch cao) theo phương pháp EPA 1311:2007&SMEWW 3125:2012; (4) Lấy mẫu nước biển đầu vào và đầu ra hệ thống SWFGD theo phương pháp TCVN 6663-1:2011 ISO 5667-1:2006; (5) Phân tích nồng độ thủy ngân trong mẫu nước theo phương pháp EPA 200.8 (SMEWW 3112B:2012); (6) Lấy mẫu bụi và khí thải tại ống khói NMNĐ theo phương pháp EPA Method 29; (7) Phân tích thủy ngân trong mẫu bụi và khí thải theo phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử hơi lạnh (CVAAS)

- Để dự báo vị trí và giá trị nồng độ thủy ngân dạng PBM đạt cực đại (theo bụi TSP), luận án sử dụng phương pháp mô hình Mô hình được sử dụng trong luận án là mô hình AERMOD, trường hợp

dự báo thí điểm là NMNĐ B1 do có những yếu tố đảm bảo tính đại diện cho nghiên cứu (sử dụng công nghệ lò PC, thông số hơi dưới tới hạn - loại công nghệ phổ biến áp dụng trong các NMNĐ đốt than ở Việt Nam hiện nay; sử dụng than nội địa; vận hành thương mại ổn định - khoảng 10 năm) Phạm vi luận án cũng chỉ dừng lại ở mức nghiên cứu thí điểm phát thải thủy ngân (PBM theo bụi TSP) và (GEM, GOM, PBM) cho 01 nguồn thải độc lập (không tính tác động tích lũy và cộng gộp với các nguồn thải công nghiệp khác) nhằm bước đầu xem xét phát thải thủy ngân từ một nguồn thải dạng điểm

- Phương pháp thu thập, kế thừa tài liệu, các số liệu, báo cáo, bài báo, kết quả nghiên cứu liên quan đến hiện trạng phát triển ngành điện nói chung, lĩnh vực nhiệt điện nói riêng, tình hình tiêu thụ than nhiên liệu, đặc tính than nhiên liệu cũng như khu vực Quảng Ninh nhằm phục vụ nghiên cứu tính toán thí điểm phát thải của NMNĐ B1 cũng như ước tính lượng thủy ngân đầu vào cho các NMNĐ nghiên cứu Các thông tin, số liệu, báo cáo chuyên ngành khác cũng được thu thập, xử lý, tổng hợp làm nguồn dữ liệu đầu vào cho các đánh giá, phân tích nêu trong luận án

- Luận án cũng sử dụng phương pháp xử lý thống kê đối với số liệu phân tích hàm lượng thủy ngân, đánh giá và xây dựng mối tương quan giữa các thông số để tìm và đưa ra các quy luật, phục vụ nhận định của luận án

Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

3.1 Hiện trạng thủy ngân trong nguyên liệu đầu vào các NMNĐ đốt than nghiên cứu

3.1.1 Hàm lượng thủy ngân trong than nguyên liệu

+ Hàm lượng Clo trong than: Clo là một trong những yếu tố

quan trọng thúc đẩy quá trình oxy hóa thủy ngân sau khi than bị đốt cháy tại buồng lửa (Hgo

dạng hơi đã được giải phóng) Hàm lượng clo càng cao, quá trình oxy hóa thủy ngân (Hgo) càng mạnh để tạo thành thủy ngân dạng oxy hóa (Hg+

, Hg2+); gián tiếp khiến thủy ngân chuyển lại từ thể khí sang thể rắn Vì vậy, tuy clo không trực tiếp quyết định lượng thủy ngân đầu vào, đầu ra quá trình đốt cháy than sản xuất điện của NMNĐ nhưng góp phần quyết định tỷ lệ thủy ngân phân bố trong các dạng tồn tại khác nhau; loại sản phẩm/chất thải có khả năng chứa thủy ngân cần tập trung quản lý, xử lý Ở Việt Nam, hàm lượng clo trong than chưa được quan tâm phân tích Một số NMNĐ sử dụng than nhập khẩu có giá trị Chlorine (DAF)~0,034%; Clorine (arb)~0,022-0,024% (mức trung bình so với thế giới: than đá khoảng 340±40ppm; than nâu khoảng 120±20ppm [43])

+ Hàm lượng thủy ngân trong than:

Bảng 3.1 Hàm lƣợng thủy ngân trong than nhiên liệu các

NMNĐ nghiên cứu

TT Thời điểm

lấy mẫu NMNĐ

Vị trí lấy mẫu

Hàm lƣợng thủy ngân (mg/kg)

TT Thời điểm

lấy mẫu NMNĐ

Vị trí lấy mẫu

Hàm lượng thủy ngân (mg/kg)

Hình 3.2 Mối tương quan hàm lượng thủy ngân trong than nhiên liệu giữa các NMNĐ dùng công nghệ PC vàCFB

3.1.2 Hàm lượng thủy ngân trong đá vôi

+ 10/16 NMNĐ được nghiên cứu ngoài than nhiên liệu còn sử dụng đá vôi (phun trực tiếp vào lò CFB hoặc cấp cho hệ thống FGD)

để khử lưu huỳnh trong khói thải

+ Hàm lượng thủy ngân trong đá vôi sử dụng cho các NMNĐ đốt than nghiên cứu dao động từ 0,008-0,018mg/kg

mg/kg

Bảng 3.2 Hàm lượng thủy ngân trong đá vôi NMNĐ nghiên cứu

3.1.3 Hàm lượng thủy ngân nước biển đầu vào hệ thống SWFGD

Ngoài sử dụng đá vôi để khử lưu huỳnh trong khói, một số

NMNĐ đốt than áp dụng công nghệ khử lưu huỳnh bằng nước biển

(pH nước biển dao động trong khoảng 6,8-7) Kết quả phân tích (giới

hạn phát hiện: 01ppm) không phát hiện thủy ngân trong mẫu nước

biển đầu vào hệ thống SWFGD tại 03/16 nhà máy được khảo sát

3.2 Ước tính lượng thủy ngân từ than khi sản xuất điện

Với hàm lượng thủy ngân trung bình trong than nguyên liệu là

0,215 mg/kg, lượng thủy ngân đầu vào để sản xuất ra 01kWh điện

(tính trung bình cho các NMNĐ đốt than được nghiên cứu) bước đầu

xác định là 0,109mg (bảng 3.6)

Bảng 3.6 Ước tính lượng thủy ngân đầu vào khi sản xuất 01kWh

điện dựa trên lượng than tiêu thụ (năm 2020) phương án cao

Lượng Hg đầu vào (kg/năm)

Sản lượng điện sản xuất (tr.kWh)

Lượng Hg đầu vào/

01kWh (mg/kWh)

Lƣợng Hg đầu vào (kg/năm)

Sản lƣợng điện sản xuất (tr.kWh)

Lƣợng Hg đầu vào/ 01kWh (mg/kWh)

3.3.1 Hàm lượng thủy ngân trong thành phần các chất thải

3.3.1.1 Hàm lượng thủy ngân trong thạch cao

Kết quả phân tích hàm lượng thủy ngân trong thạch cao của 04 NMNĐ có lắp thiết bị FGD độc lập (có sản phẩm thạch cao) dao động trong khoảng từ 0,08-0,3mg/kg, cao hơn ngưỡng thủy ngân trong thạch cao tự nhiên (0,005 - 0,08mg/kg); thấp hơn ngưỡng thủy ngân trong thạch cao nhân tạo (0,03 - 1,3mg/kg) [44]

3.3.1.2 Hàm lượng thủy ngân trong xỉ đáy lò

+ Hàm lượng thủy ngân trong xỉ đáy lò các NMNĐ đốt than của Việt Nam thuộc phạm vi nghiên cứu dao động trong khoảng từ 0,02 - 0,68 mg/kg

+ Để xem xét mức độ tồn tại của thủy ngân trong xỉ sau khi than bị đốt cháy, luận án đã quy đổi hàm lượng thủy ngân trong xỉ theo lượng xỉ được tạo thành khi đốt cháy 01kg than nhiên liệu, so