Than đá nhiệt điện là gì? Quy trình hoạt động và vai trò trong sản xuất điện

Điện năng là huyết mạch của mọi hoạt động kinh tế, xã hội và đời sống con người. Từ những nhà máy sản xuất quy mô lớn đến chiếc điện thoại thông minh trong túi bạn, tất cả đều cần đến điện. Vậy bạn đã bao giờ tự hỏi, nguồn năng lượng khổng lồ để tạo ra điện đến từ đâu chưa? Một trong những câu trả lời quan trọng nhất, đặc biệt tại Việt Nam và nhiều quốc gia trên thế giới, chính là than đá nhiệt điện.

Bài viết này sẽ là một cẩm nang toàn diện, giúp bạn hiểu rõ từ A-Z: Than đá nhiệt điện là gì? Các loại than nào được sử dụng? Quy trình phức tạp để biến những viên than đen thành dòng điện sáng là gì? Và quan trọng nhất, vai trò, thách thức và tương lai của nguồn năng lượng này trong bối cảnh chuyển dịch năng lượng toàn cầu.

Than đá nhiệt điện là gì?

Hiểu một cách đơn giản, than đá nhiệt điện là một loại than đá được khai thác và sử dụng chuyên biệt cho mục đích đốt cháy trong các nhà máy nhiệt điện để tạo ra điện năng. Đây không phải là một loại than riêng biệt về mặt địa chất, mà là một thuật ngữ phân loại dựa trên mục đích sử dụng và các đặc tính kỹ thuật của nó.

Định nghĩa chi tiết và đặc tính kỹ thuật

Điểm khác biệt cốt lõi của than nhiệt điện nằm ở các chỉ số kỹ thuật, được lựa chọn cẩn thận để tối ưu hóa quá trình đốt cháy và sản xuất hơi nước trong lò hơi của nhà máy điện. Các đặc tính quan trọng nhất bao gồm:

• Nhiệt trị (Calorific Value): Đây là chỉ số quan trọng nhất, đo lường lượng năng lượng (nhiệt) tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối lượng than. Nhiệt trị càng cao, than càng cung cấp nhiều năng lượng, hiệu suất sản xuất điện càng lớn. Đơn vị thường dùng là kcal/kg hoặc MJ/kg.
• Hàm lượng tro (Ash Content): Là phần còn lại không cháy được của than. Hàm lượng tro cao làm giảm nhiệt trị, gây mài mòn thiết bị và tạo ra lượng lớn chất thải rắn (tro xỉ), gây khó khăn cho việc xử lý và tác động tiêu cực đến môi trường.
• Độ ẩm (Moisture Content): Nước có trong than sẽ hấp thụ một phần nhiệt lượng để bay hơi, làm giảm hiệu suất cháy. Độ ẩm cao cũng làm tăng chi phí vận chuyển và xử lý.
• Hàm lượng chất bốc (Volatile Matter): Là các thành phần trong than (hydrocarbon) sẽ bay hơi và cháy ở dạng khí khi được nung nóng. Hàm lượng chất bốc cao giúp than dễ bắt lửa và cháy nhanh hơn.
• Hàm lượng lưu huỳnh (Sulfur Content): Khi cháy, lưu huỳnh trong than tạo ra khí SO₂, một trong những nguyên nhân chính gây mưa axit và ô nhiễm không khí. Do đó, than có hàm lượng lưu huỳnh càng thấp càng được ưa chuộng.

Phân biệt than đá nhiệt điện và than luyện kim (Coking Coal)

Cần phân biệt rõ ràng giữa than nhiệt điện (thermal coal) và than luyện kim (metallurgical coal hay coking coal).

• Than nhiệt điện: Mục đích chính là tạo ra nhiệt. Nó được nghiền thành bột mịn và đốt cháy để đun sôi nước, tạo ra hơi nước làm quay tuabin.
• Than luyện kim: Mục đích chính là sản xuất than cốc (coke). Loại than này có các đặc tính đặc biệt về khả năng kết dính và độ bền khi nung nóng trong điều kiện thiếu oxy, tạo ra than cốc – một nguyên liệu không thể thiếu trong ngành luyện thép (lò cao).

Các loại than đá phổ biến dùng trong nhà máy nhiệt điện

Than đá không đồng nhất mà được phân thành nhiều loại dựa trên mức độ “trưởng thành” hay còn gọi là quá trình biến chất địa chất. Quá trình này kéo dài hàng triệu năm, biến đổi vật chất thực vật thành than dưới tác động của nhiệt độ và áp suất. Các loại than chính được sử dụng trong nhiệt điện, xếp theo mức độ biến chất và nhiệt trị tăng dần là:

Than Nâu (Lignite)

• Đặc điểm: Là loại than “trẻ” nhất, có màu nâu, mềm. Hàm lượng carbon thấp (60-70%), độ ẩm rất cao (có thể lên tới 45%), và nhiệt trị thấp nhất.
• Ứng dụng: Do độ ẩm cao và nhiệt trị thấp, việc vận chuyển than nâu đi xa không kinh tế. Vì vậy, các nhà máy nhiệt điện sử dụng than nâu thường được xây dựng ngay tại khu vực mỏ khai thác.

Than Á Bitum (Sub-bituminous)

• Đặc điểm: “Già” hơn than nâu, có màu đen sẫm. Độ ẩm thấp hơn và nhiệt trị cao hơn than nâu. Hàm lượng lưu huỳnh thường thấp.
• Ứng dụng: Đây là loại than được sử dụng rộng rãi cho sản xuất điện trên toàn thế giới do trữ lượng dồi dào và hàm lượng lưu huỳnh thấp.

Than Bitum (Bituminous)

• Đặc điểm: Là loại than phổ biến nhất, có màu đen, cứng và bóng. Hàm lượng carbon cao (70-86%), nhiệt trị cao, chất bốc đáng kể. Tuy nhiên, hàm lượng lưu huỳnh có thể cao.
• Ứng dụng: Đây là “ngựa thồ” của ngành nhiệt điện toàn cầu. Hiệu suất sinh nhiệt cao của nó làm cho nó trở thành lựa chọn ưu tiên cho nhiều nhà máy điện.

Than Antraxit (Anthracite)

• Đặc điểm: Là loại than “già” và cứng nhất, có độ bóng cao nhất. Hàm lượng carbon rất cao (trên 86%), nhiệt trị cao nhất, nhưng hàm lượng chất bốc rất thấp nên khó bắt lửa hơn.
• Ứng dụng: Do khó cháy hơn, than antraxit thường được trộn với các loại than khác hoặc sử dụng trong các lò hơi được thiết kế đặc biệt. Tại Việt Nam, vùng than Quảng Ninh nổi tiếng với trữ lượng than antraxit lớn và là nguồn cung cấp chính cho các nhà máy nhiệt điện ở miền Bắc.

Quy trình hoạt động của nhà máy nhiệt điện than: Biến “vàng đen” thành ánh sáng

Quy trình sản xuất điện từ than đá là một chuỗi các biến đổi năng lượng phức tạp, từ hóa năng trong than thành nhiệt năng, cơ năng và cuối cùng là điện năng. Quá trình này tuân theo chu trình Rankine và có thể được chia thành 6 bước chính.

Bước 1: Tiếp nhận và xử lý than

Than đá được vận chuyển từ các mỏ đến nhà máy bằng tàu hỏa, tàu thủy hoặc băng chuyền. Tại đây, than được đưa vào kho chứa. Trước khi đưa vào lò đốt, than thô sẽ trải qua một hệ thống xử lý sơ bộ:

• Nghiền đập: Than tảng lớn được đưa qua máy đập để giảm kích thước.
• Nghiền thành bột: Than sau khi đập được đưa vào các máy nghiền lớn, nghiền mịn như bột (gọi là than cám). Việc nghiền mịn này giúp tăng diện tích tiếp xúc với không khí, làm cho than cháy nhanh hơn, triệt để hơn và hiệu quả hơn.

Bước 2: Đốt cháy trong lò hơi

Bột than mịn được phun vào buồng đốt khổng lồ của lò hơi (boiler). Tại đây, nó được đốt cháy ở nhiệt độ cực cao (lên tới 1.300-1.700°C). Quá trình này giải phóng một lượng nhiệt năng khổng lồ.

Nhiệt năng này được dùng để đun sôi nước chứa trong một hệ thống hàng ngàn ống thép phức tạp chạy quanh thành lò hơi. Nước sau khi sôi sẽ bốc hơi và tiếp tục được gia nhiệt để trở thành hơi nước quá nhiệt, có nhiệt độ và áp suất cực kỳ cao (ví dụ, 540°C và 180 atm). Đây chính là môi chất mang năng lượng để thực hiện các công đoạn tiếp theo.

Bước 3: Hơi nước làm quay Tuabin

Hơi nước quá nhiệt với áp suất cực lớn được dẫn qua các đường ống chịu nhiệt, chịu áp tới tuabin hơi (steam turbine). Tuabin bao gồm nhiều tầng cánh quạt được thiết kế chính xác. Luồng hơi nước áp suất cao phụt vào các cánh quạt, đẩy chúng quay với tốc độ chóng mặt (khoảng 3.000 vòng/phút).

Trong quá trình này, năng lượng của hơi nước (nhiệt năng và áp năng) đã được chuyển hóa thành cơ năng (năng lượng của chuyển động quay).

Bước 4: Tuabin vận hành máy phát điện

Trục của tuabin được nối đồng trục với trục của máy phát điện (generator). Khi tuabin quay, nó làm cho rotor (phần quay) của máy phát điện quay theo. Rotor này thực chất là một nam châm điện khổng lồ. Khi nó quay bên trong stator (phần đứng yên) có các cuộn dây đồng, nó tạo ra một từ trường biến thiên, cảm ứng và sinh ra một dòng điện xoay chiều trong các cuộn dây của stator. Đây chính là nguyên lý cảm ứng điện từ Faraday.

Dòng điện tạo ra từ máy phát có hiệu điện thế vừa phải, sau đó sẽ được đưa qua máy biến áp để tăng lên mức siêu cao thế (ví dụ 110kV, 220kV, 500kV) trước khi được truyền tải đi xa trên lưới điện quốc gia.

Bước 5: Ngưng tụ và tái sử dụng nước

Sau khi đi qua tuabin, hơi nước đã mất phần lớn năng lượng, áp suất và nhiệt độ giảm xuống. Hơi nước này được dẫn vào một thiết bị gọi là bình ngưng (condenser). Tại đây, nó được làm lạnh bằng cách cho đi qua các ống có nước mát chảy bên trong (nước này thường được lấy từ sông, hồ hoặc từ các tháp giải nhiệt).

Khi được làm lạnh, hơi nước sẽ ngưng tụ lại thành nước lỏng. Nước này sau đó được bơm trở lại lò hơi để bắt đầu một chu trình mới. Quá trình này tạo ra một chu trình tuần hoàn khép kín, giúp tiết kiệm nước và nâng cao hiệu quả của nhà máy.

Bước 6: Xử lý khí thải và chất thải rắn

Đây là bước cực kỳ quan trọng để giảm thiểu tác động môi trường.

Xử lý khí thải: Trước khi được thải ra ngoài qua ống khói cao, luồng khói từ lò hơi phải đi qua các hệ thống xử lý phức tạp:

• Hệ thống lọc bụi tĩnh điện (ESP): Loại bỏ phần lớn các hạt tro bụi mịn (PM2.5).
• Hệ thống khử lưu huỳnh trong khói (FGD): Hấp thụ khí SO₂, giảm thiểu nguyên nhân gây mưa axit.
• Hệ thống khử NOx (SCR/SNCR): Giảm lượng oxit nitơ, một loại khí gây ô nhiễm không khí.

Xử lý chất thải rắn: Quá trình đốt than tạo ra hai loại chất thải rắn chính:

• Xỉ than (Bottom Ash): Các hạt tro lớn hơn, rơi xuống đáy lò hơi.
• Tro bay (Fly Ash): Các hạt tro mịn bị cuốn theo khói và được thu lại ở hệ thống lọc bụi.

Tro xỉ này là một thách thức môi trường lớn nhưng cũng là một nguồn tài nguyên có thể tái sử dụng làm vật liệu xây dựng (phụ gia xi măng, gạch không nung…).

Vai trò và tầm quan trọng của than đá trong an ninh năng lượng

Mặc dù đối mặt với nhiều chỉ trích về môi trường, không thể phủ nhận vai trò lịch sử và hiện tại của nhiệt điện than đối với sự phát triển kinh tế và an ninh năng lượng của nhiều quốc gia, bao gồm cả Việt Nam.

Đảm bảo nguồn điện nền ổn định

Điện năng có một đặc tính là không thể lưu trữ dễ dàng với quy mô lớn. Lưới điện luôn đòi hỏi sự cân bằng tức thời giữa sản xuất và tiêu thụ. Các nguồn năng lượng tái tạo như mặt trời hay gió có tính không ổn định, phụ thuộc nhiều vào thời tiết.

Nhiệt điện than cung cấp phụ tải nền (baseload power) – một nguồn điện ổn định, hoạt động liên tục 24/7, bất kể ngày đêm, mưa nắng. Đây là nền tảng vững chắc để đảm bảo lưới điện không bị sụp đổ, cung cấp điện liên tục cho các ngành công nghiệp quan trọng và sinh hoạt của người dân.

Giá cả cạnh tranh và nguồn cung dồi dào

So với nhiều nguồn năng lượng khác, than đá có trữ lượng lớn, phân bố ở nhiều nơi trên thế giới. Lịch sử cho thấy than đá thường có giá thành sản xuất điện cạnh tranh hơn so với khí đốt, và chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn điện hạt nhân. Điều này giúp giữ giá điện ở mức phải chăng, góp phần ổn định kinh tế vĩ mô.

Thúc đẩy phát triển công nghiệp và kinh tế – xã hội

Nguồn điện giá rẻ và ổn định từ than đá đã là động lực chính cho các cuộc cách mạng công nghiệp trên toàn thế giới. Tại Việt Nam, các nhà máy nhiệt điện than tập trung ở các khu vực kinh tế trọng điểm đã cung cấp năng lượng cần thiết cho các ngành công nghiệp nặng như thép, xi măng, hóa chất, cũng như thúc đẩy đô thị hóa và cải thiện chất lượng cuộc sống.

Bối cảnh tại Việt Nam

Theo Quy hoạch điện VIII, mặc dù Việt Nam đang đẩy mạnh phát triển năng lượng tái tạo, nhiệt điện than vẫn sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia trong những thập kỷ tới, trước khi có các giải pháp thay thế hoàn toàn khả thi về mặt kỹ thuật và kinh tế. Tuy nhiên, định hướng là sẽ không phát triển thêm các nhà máy nhiệt điện than mới sau năm 2030 và dần chuyển đổi các nhà máy hiện hữu sang sử dụng nhiên liệu sạch hơn như sinh khối hoặc amoniac.

Thách thức và tác động môi trường của nhiệt điện than

Vai trò quan trọng của nhiệt điện than đi kèm với những thách thức và tác động môi trường nghiêm trọng, là lý do chính cho xu hướng chuyển dịch năng lượng toàn cầu.

Phát thải khí nhà kính và biến đổi khí hậu

Đốt than là một trong những nguồn phát thải khí cacbonic (CO₂) lớn nhất, đây là khí nhà kính chính gây ra hiệu ứng nóng lên toàn cầu và biến đổi khí hậu. Các tác động bao gồm mực nước biển dâng, các hiện tượng thời tiết cực đoan và mất đa dạng sinh học.

Ô nhiễm không khí

Ngoài CO₂, quá trình đốt than còn phát thải:

• Lưu huỳnh đioxit (SO₂): Gây mưa axit, phá hủy hệ sinh thái và các công trình xây dựng.
• Oxit nitơ (NOx): Góp phần tạo thành sương mù quang hóa và các vấn đề về hô hấp.
• Bụi mịn (PM2.5): Các hạt bụi siêu nhỏ có thể đi sâu vào phổi, gây ra các bệnh nghiêm trọng về tim mạch và hô hấp.

Vấn đề xử lý tro xỉ

Các nhà máy nhiệt điện than tạo ra một khối lượng tro xỉ khổng lồ. Việc lưu trữ chúng trong các bãi chứa lớn có thể gây ô nhiễm nguồn nước ngầm và đất đai nếu không được quản lý chặt chẽ. Việc tái sử dụng tro xỉ làm vật liệu xây dựng là một giải pháp quan trọng nhưng vẫn chưa thể tiêu thụ hết toàn bộ lượng phát sinh.

Tác động đến nguồn nước

Các nhà máy nhiệt điện cần một lượng nước rất lớn cho chu trình làm mát. Nước sau khi làm mát tuabin được xả trở lại sông, hồ có nhiệt độ cao hơn, gây ra hiện tượng ô nhiễm nhiệt, có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái thủy sinh.

Kết luận

Than đá nhiệt điện đã và đang là một trụ cột không thể thiếu trong việc cung cấp năng lượng cho sự phát triển của thế giới hiện đại. Từ việc hiểu rõ định nghĩa, phân loại, cho đến quy trình hoạt động phức tạp bên trong một nhà máy nhiệt điện, chúng ta có thể thấy được sự kỳ diệu của khoa học kỹ thuật trong việc biến “vàng đen” thành ánh sáng.