Với nguồn năng lượng hóa thạch và tài nguyên tái tạo dồi dào, tiểu bang Tây Virginia, Mỹ, được coi là nhà sản xuất năng lượng lớn thứ 5 của Mỹ đồng thời là nhà cung cấp năng lượng ròng cho các bang khác, chiếm 5% tổng nguồn cung năng lượng của Mỹ, chủ yếu là từ sản xuất than đá.

Than đá là tài nguyên quan trọng của Tây Virginia với hơn 100 vỉa than. Kể từ năm 1810, ngành khai thác than bitum giàu năng lượng không những tạo động lực thúc đẩy sự phát triển kinh tế của bang mà còn dần định hình nên di sản và đặc trưng cho cuộc sống của nhiều thế hệ người dân Tây Virginia. Ngành công nghiệp than thương mại phát triển bùng nổ vào năm 1883 khi các tuyến đường sắt quan trọng được hoàn thành và ngành điện non trẻ bắt đầu phát triển. Trải qua nhiều chu kỳ tăng trưởng và suy thoái, bang Tây Virginia đã khai thác được 14,7 tỷ tấn than, góp phần đáng kể vào sự tăng trưởng kinh tế quốc gia.

Thế nhưng, cùng với loại than “có ích” này, hoạt động khai thác than lâu đời, bao gồm hoạt động khai thác than hầm lò và chế biến than, đã sản sinh ra hàng trăm triệu tấn than thải loại. Loại than thải loại này, thường bị trộn lẫn với đá, đá phiến sét, bùn, đá phiến, đất sét và các vật liệu thải khác, còn được gọi là bụi than, đá thải hoặc boney. Trước khi Quốc hội Mỹ ban hành Đạo luật Kiểm soát Khai thác bề mặt và Cải tạo năm 1977, than thải loại được chất đống cao một cách bừa bãi trên hàng ngàn mẫu đất mỏ bị bỏ hoang, nằm rải rác trên các cảnh quan của các vùng có than, đôi khi lấp đầy toàn bộ thung lũng.

Những tác động đến môi trường và sự an toàn của các bãi phế thải này từ lâu đã là mối quan tâm của Tây Virginia cũng như ở các nơi khác. Không chỉ luôn tồn tại nguy cơ hiện hữu là các đống thải không ổn định có thể bị sụt lún và gây ra sạt lở mà chúng còn là nguồn dòng thải nước mỏ có tínhaxit có thể tác động nghiêm trọng đến chất lượng nước ở các dòng suối trong khu vực. Thêm vào đó là nguy cơ hỏa hoạn. Các đống phế thải than, thường chứa các chất dễ cháy, có thể cháy âm ỉ hàng tháng trời, gây ô nhiễm không khí và đặt ra các vấn đề mới về an toàn và sức khỏe.

Để giải quyết vấn đề này, Tây Virginia đã lập một chương trình cải tạo khai thác than, với nguồn quỹ chủ yếu lấy từ việc phát hành trái phiếu (giá trị từ 1.000-5.000 USD/mẫu Anh) và áp thuế 27,9 xu đối với mỗi tấn than được sản xuất.  Tuy nhiên, với tình hình căng thẳng kinh tế những năm gần đây, đặc biệt đối với ngành công nghiệp than của bang, nguồn ngân quỹ này đang ngày càng trở nên eo hẹp.

Giải pháp sản xuất điện từ than thải

Ngành công nghiệp sản xuất điện từ than thải ra đời vào thời điểm khi công nghệ lò hơi tầng sôi tuần hoàn (CFB) đã phát triển chín muồi và Mỹ thông qua Đạo luật về Chính sách Quản lý Tiện ích Công cộng năm 1978 (PURPA), từ đó đưa ra một mô hình độc đáo cho hoạt động cải tạo đất mỏ - có thể cùng lúc đáp ứng các mục tiêu kinh tế và môi trường. Dù gặp nhiều thách thức và sự khắt khe của các quy định quản lý, tính bền vững vẫn là cốt lõi trong sứ mệnh của ngành công nghiệp than thải.

Bằng cách loại bỏ các đống rác thải than ra khỏi môi trường, cải tạo các khu mỏ để sử dụng cho các mục đích sản xuất và sử dụng than thải làm nhiên liệu thay thế cho sản xuất điện, ngành công nghiệp sản xuất điện từ than thải đã và đang mang lại nhiều lợi ích về môi trường, kinh tế và xã hội.

Tuy nhiên, do vấn đề chi phí liên quan đến việc loại bỏ các bãi thải than và các ràng buộc tài chính chi phối tài trợ công, các mối đe dọa từ những bãi thải này thường được các quan chức chính phủ gác sang một bên trừ khi hoặc cho đến khi các ụ than đột ngột bốc cháy và trở thành mối đe dọa cho sức khỏe và an toàn tức thì của khu vực dân cư kế cận.

Ở tiểu bang Tây Virginia, hiện chỉ còn duy nhất một cơ sở là Nhà Nhà máy Điện Grant Town công suất 80 MW của Đối tác Năng lượng Bitum Mỹ đang thực hiện sứ mệnh cải tạo khai thác than. Nằm trên diện tích 137 ha của Mỏ Rachel cũ - khu mỏ số 1 Liên bang Mỹ, kể từ năm 1993 đến nay, Grant Town đã xử lý 530.000 tấn than thải/năm và cải tạo 12 ha/năm, đồng thời sản xuất 660.000 MWh theo hợp đồng mua bán điện với Công ty Điện lực Monongahela của Công ty Năng lượng Thứ nhất (First Energy).

Nguồn nhiên liệu đầy thách thức

Than thải loại từ các địa điểm cải tạo được chở đến Grant Town, sau đó được đốt bằng hệ thống hai nồi hơi Foster Wheeler/Ahlstrom Pyropower CFB tạo ra hơi nước để chạy máy phát điện tuabin. Quá trình hóa lỏng, được kiểm soát nghiêm ngặt, về cơ bản đòi hỏi phải phun than thải nghiền và đá vôi cùng với các luồng khí nóng mạnh. Nhà máy sử dụng đá vôi để kiểm soát lưu huỳnh dioxit, đồng thời điều phối không khí và thay đổi nhiệt độ để kiểm soát lượng khí thải nitơ oxit.

Khả năng thay đổi nhiên liệu đặt ra một thách thức lớn. Than thải vốn không đáp ứng các thông số kỹ thuật của thị trường cho một sản phẩm than. Thông thường, Grant Town xử lý hai loại than thải: đá thải (gob) - vật liệu thô còn sót lại từ hoạt động sàng lọc và vật liệu mịn hơn, “bùn mịn” thường  lắng đọng trong một ao bùn.

Tùy thuộc vào tình trạng sẵn có của nhiên liệu, hỗn hợp thường được trộn với tỷ lệ 50-50 đá thải (có hàm lượng Btu thấp tới 3.000 Btu/pound) và bùn mịn (dao động từ 7.000 Btu đến 9.500 Btu) để đạt được chất lượng nhiên liệu nhất định mỗi ngày. Phụ thuộc vào nguồn thu hồi than thải, hỗn hợp nhiên liệu thu được có thể có nhiều mức nhiệt và hàm lượng lưu huỳnh, từ 5.000 Btu đến 7.000 Btu.

Các đặc tính vật lý của nhiên liệu cũng khá phức tạp do có xu hướng dính bết khi đi qua các máng vào lò hơi. Một thách thức khác là xử lý độ ẩm cao cho bùn mịn. Cho đến nay, vẫn chưa có cách sấy khô bất kỳ thành phần nào của nhiên liệu.

Khi nhiên liệu được đốt cháy, lò hơi CFB thu gom tro nặng hơn ở đáy (tro đáy) và tro nhẹ hơn (tro bay) bằng bộ gom rác. Phần lớn các sản phẩm tro được đưa trở lại khu mỏ để hỗ trợ hoạt động cải tạo.Với đặc tính kiềm cao, tro thải là giải pháp tốt để xử lý thoát nước mỏ có tính axit.

Một khi tro tạo thành khối lượng lớn đáp ứng yêu cầu của các loại giấy phép khai thác mỏ, nó sẽ được phủ đất và gieo hạt tạo thành đồng cỏ cho mục đích nông nghiệp. Bản thân tro xỉ là một sản phẩm rất ổn định, nén rất tốt, đã được các cơ quan môi trường liệt kê là Sản phẩm phụ tái sử dụng có lợi, rất phù hợp với công tác cải tạo mỏ.

Nỗ lực cải tạo đáng chú ý

Năm 2001, Nhà máy điện Grant Town đã giành giải thưởng của Bộ Bảo vệ Môi trường bang Tây Virginia cho những nỗ lực cải tạo khu mỏ Rachel ở Quận Marion với di sản là những đống đá thải sâu hàng trăm mét và rộng hàng trăm mẫu Anh sau khi mỏ đóng cửa. Năm 2021, Grant Town lại tiếp tục đoạt giải Nhà máy hàng đầu năm 2021 vì năng lực xử lý 530.000 tấn than thải hàng năm trong khi cải tạo 12 ha đất mỗi năm bất chấp nhiều thách thức với hoạt động sản xuất điện từ than thải.

Quá trình cải tạo tại Mỏ Rachel bắt đầu từ năm 1985, với di sản là những đống đá thải sâu hàng trăm mét và rộng hàng trăm mẫu Anh sau khi mỏ đóng cửa. Đến nay, Grant Town đã xử lý phần lớn nhiên liệu thải tại khu vực này. Có thể thấy rõ những lợi ích về môi trường ở nơi đây. Đơn cử như, một con suối ở khu mỏ ngày nay trở thành một trang trại nuôi cá hồi được bang hỗ trợ. Tất cả các nguồn nước trong khu vực đều không cần phải xử lý. Nhà máy cũng tiếp tục khai thác than thải từ khu mỏ Barrackville rộng 135 ha nằm cách đó 16 km, công tác cải tạo ở đó có thể kéo dài trong một thập kỷ nữa. Hiện Grant Town đồng thời sở hữu hoặc cho thuê 5 khu cải tạo mỏ.

Ngoài ra, tro của Grant Town còn được sử dụng để thu hồi chất thải độc hại khác để có thể được đổ vào các bãi chôn lấp quy định. Mới đây, tro nhiệt điện đã được Bộ Đường cao tốc Bang Tây Virginia phê duyệt như một “Vật liệu gốc xi măng bổ sung thay thế”, có thể được sử dụng để thay thế xi măng trong bê tông. Vật liệu thay thế này có thể làm giảm đáng kể lượng khí thải carbon dioxide được tạo ra trong quá trình sản xuất bê tông, từ đó góp phần bảo vệ môi trường và sử dụng hiệu quả tài nguyên.

Ngoài sản xuất xi măng/phụ gia bê tông, tro nhiệt điện còn có nhiều ứng dụng khác trong thực tiễn, chẳng hạn như làm vật liệu san lấp, kè đường; làm vật liệu kiến trúc; sản xuất vật liệu hõ hợp từ tro bay (vật liệu nghiền, vật liệu hạt, bùn tro bay).

Tại một dự án khác của Grant Town, 11.259 tấn vật liệu phế thải bị bỏ hoang lâu năm tại khu mỏ Cheyenne Sales, thuộc Quận Upshur đã được vận chuyển đến nhà máy điện với chi phí 18 đô la mỗi tấn, “vượt quá giá trị ròng của bản thân vật liệu phế thải (16 đô la mỗi tấn)” (như Bộ Thương mại của tiểu bang ghi nhận vào năm 2017). Tuy nhiên, tro bay - một sản phẩm có tính kiềm của nhà máy điện, lại có một giá trị quan trọng và đã được phê duyệt là vật liệu có lợi để niêm phong các đống rác thải và cung cấp độ kiềm cần thiết để bù đắp cho rác thải có tính axit.

Hai mục tiêu chính của dự án Cheyenne Sales đã đạt được là giảm bớt quy trình xử lý nước và giảm thiểu sự thấm nước vào đống than thải được cải tạo. Bằng cách giảm lượng than thải có tính axit lắng đọng trên đống rác thải hiện có và thêm tro bay có tính kiềm, các kết quả sơ bộ cho thấy dự án đã rất thành công trong việc giảm đáng kể dòng thải axit mỏ từ khu vực này. Điều này có thể giúp tiết kiệm đáng kể, vì chi phí trung bình để vận hành và duy trì một cơ sở xử lý nước chủ động là khoảng 57.000 đô la mỗi năm, so với chi phí trung bình 5.000 đô la mỗi năm cho phương pháp xử lý thụ động.

Nhà máy Điện Grant Town nằm trên diện tích 137 ha của Mỏ Rachel cũ

Mỏ Rachel ở Quận Marion, Tây Virginia, trước khi cải tạo. Nguồn: Hiệp hội các nhà sản xuất điện độc lập vùng Appalachian

Mỏ Rachel ở Quận Marion, Tây Virginia, sau khi cải tạo. Nguồn: Hiệp hội các nhà sản xuất điện độc lập vùng Appalachian