Mô phỏng quá trình cháy kết hợp giữa than và sinh khối

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG CƠ KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ Mơ q trình cháy kết hợp than sinh khối NGUYỄN TIẾN ANH Anh.NT211256M@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật nhiệt Chuyên ngành Hệ thống Thiết bị Nhiệt Giảng viên hướng dẫn: TS Lê Kiều Hiệp Bộ môn: Khoa: Trường: Kĩ thuật nhiệt Năng lượng Nhiệt Cơ khí HÀ NỘI, 04/2023 ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG CƠ KHÍ CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (NGÀNH KỸ THUẬT NHIỆT) Thông tin sinh viên: Họ tên HV: Nguyễn Tiến Anh Lớp: 21A-HE-KTN ĐT: 0936464182 Email: Anh.NT211256M@sis.hust.edu.vn Hệ đào tạo: Chính quy Chuyên ngành: Hệ thống thiết bị Nhiệt Luận văn thực tại: Khoa Năng lượng Nhiệt, Trường Cơ khí Thời gian làm luận văn: Từ ngày 03/03/2022 đến 31/03/2023 Tên đề tài: Mô trình cháy kết hợp than sinh khối Nội dung cần thực hiện: - Nghiên cứu tổng quan đặc tính nhiên liệu than sinh khối, trình cháy nhiên liệu, tiềm ứng dụng cơng nghệ đồng đốt than sinh khối lò đốt than phun - Xây dựng mơ hình mơ q trình đốt than phun đồng đốt than với sinh khối lị đốt thí nghiệm phần mềm Ansys Fluent; - Phân tích ảnh hưởng số yếu tố tới đặc tính cháy than sinh khối Hà Nội, ngày 03 tháng năm 2022 Giáo viên hướng dẫn TS Lê Kiều Hiệp LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn nghiên cứu, tính tốn, thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS Lê Kiều Hiệp Để hoàn thành luận văn sử dụng tài liệu ghi mục tài liệu tham khảo, ngồi khơng sử dụng tài liệu khác mà không ghi Nếu sai tơi xin chịu hình thức kỷ luật theo quy định Người lập cam đoan Nguyễn Tiến Anh Lời cảm ơn Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Lê Kiều Hiệp, người thầy tận tình hướng dẫn, bảo, giúp đỡ em thực luận văn Dưới bảo thầy, em hiểu rõ vấn đề, xác định phương hướng bước giải khó khăn để hồn thành luận văn truyền đạt cho em kiến thức, cách tiếp cận vấn đề, phương thức làm việc chuyên nghiệp hiệu Qua em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy khoa Năng lượng Nhiệt trường Cơ khí, Đại học Bách khoa Hà Nội, mà thầy cô truyền đạt cho em không kiến thức chuyên ngành mà kinh nghiệm sống quý báu, giúp em có sở vững để thực luận văn Bên cạnh đó, em xin cảm ơn Tổng công ty Phát điện 1, Đại học Bách khoa Hà Nội thành viên tham gia đề tài “Nghiên cứu đốt kết hợp than viên nén sinh khối gỗ cho lò nhà máy nhiệt điện” – mã số 02-2021-BKHN-KT theo hợp đồng KHCN số 29/HĐ-KHCN-EVNGENCO1-BKHN có hỗ trợ quý báu thời gian em thực luận văn TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Đề tài: Mô trình cháy kết hợp than sinh khối Tác giả luận văn: Nguyễn Tiến Anh Khóa: 2021A Người hướng dẫn: TS Lê Kiều Hiệp Từ khóa: Mỏ đốt than phun, mơ CFD, đồng đốt, hiệu suất cháy, góc xốy, than, sinh khối, khí thải Nội dung tóm tắt: Ngày nay, đồng đốt than với sinh khối để sản xuất điện thúc đẩy giải pháp thay cho nhiên liệu hóa thạch mà khơng làm thay đổi nhiều chế độ nhiệt lò Sinh khối, có nguồn gốc từ sản xuất nơng nghiệp cơng nghiệp, nhiên liệu đốt sạch, đóng góp lượng đáng kể lượng cần thiết nước phát triển phát triển Hơn nữa, đồng đốt than với sinh khối giảm phát thải khí nhà kính phát thải NOx SOx Vì lý này, số nghiên cứu giới áp dụng buồng đốt than phun vào mơ hình đồng đốt với sinh khối, bắt nguồn từ mơ hình cháy hạt than đơn lẻ, nghiên cứu ảnh hưởng nhiên liệu sinh khối đến q trình cháy lị đốt nhiên liệu Tại Việt Nam, việc nghiên cứu áp dụng công nghệ đồng đốt than sinh khối triển khai nhà máy nhiệt điện Do việc thí nghiệm trực tiếp lò nhà máy nhiệt điện mang nhiều rủi ro tốn mặt chi phí, việc xây dựng buồng đốt thí nghiệm sử dụng công cụ mô CFD đề xuất nghiên cứu Trong khuôn khổ đề tài cấp Tổng Công ty phát điện (Genco 1) “Nghiên cứu đốt kết hợp than viên nén sinh khối cho lò nhà máy nhiệt điện” mã số 02-2021-BKHN-KT, em giao thực nội dung liên quan đến mơ CFD q trình cháy bên lị đốt thí nghiệm lị đốt than phun Nhà máy Nhiệt điện Nghi Sơn Luận văn thể số kết nghiên cứu thực đề tài Cụ thể, phương pháp nghiên cứu lí thuyết mơ CFD, thực nội dung sau: - Nghiên cứu tổng quan: + Tổng hợp số thông tin nhiên liệu than, sinh khối: khái niệm, nguồn gốc đặc tính chúng + Tổng hợp kết nghiên cứu công nghệ cháy nhiên liệu rắn bụi giai đoạn diễn trình cháy + Giới thiệu vài nghiên cứu công nghệ đồng đốt than sinh khối giới: đặc tính cháy, vài khía cạnh mơi trường ảnh hưởng tỉ lệ đồng đốt - Mơ hình nghiên cứu: Để nghiên cứu q trình đốt than phun, mơ hình CFD buồng đốt hình trụ với vịi phun xốy nhiên liệu than xây dựng Khơng khí cấp sử dụng để vận chuyển than bụi vào buồng đốt, khơng khí cấp vào buồng đốt thơng qua tạo xốy hướng trục Mục đích nghiên cứu kiểm tra ảnh hưởng góc xốy dịng khơng khí cấp đến tính chất lửa xốy hình dạng, chiều dài, trường nhiệt độ hiệu cháy than bụi Các dòng chảy xốy tính tốn cách sử dụng mơ hình k- ε mơ hình dịng rối bậc hai Phân bố nhiệt độ khí, tính chất lửa nồng độ khí xác định Dựa mơ hình cháy buồng đốt than phun, mơ hình đồng đốt than sinh khối phát triển Dựa kết mô phỏng, ảnh hưởng tỷ lệ trộn sinh khối kích thước hạt sinh khối đến phân bố nhiệt độ hình dáng lửa xem xét đánh giá - Kết nghiên cứu cho phép rút số kết luận sau: Khi tăng góc xốy, vùng cháy dịch chuyển dần phía gần mỏ đốt có phần lan dần vách lị thay hoạt động chủ yếu tâm buồng đốt Nhiệt độ cực đại buồng giảm dần tăng góc xốy dịng khơng khí cấp 2, nhiên nhiệt độ khói khỏi buồng khơng thay đổi đáng kể Hàm lượng O2 lò bị tiêu thụ nhanh tăng góc xốy Việc đồng đốt than sinh khối với tỷ lệ kích thước hạt thích hợp khơng làm thay đổi chế độ nhiệt độ lò Việc thay đổi tỉ lệ đồng đốt khơng làm ảnh hưởng xấu đến q trình cháy lị Tuy nhiên nồng độ chất lị có thay đổi (trừ O2 CO2) thành phần hóa học than sinh khối khác Trường nhiệt độ lị có xu hướng giảm tăng tỉ lệ sinh khối Kích thước hạt sinh khối ảnh hưởng đáng kể đến q trình cháy lị, thời gian cháy sinh khối cao tăng kích thước hạt, khiến cho vùng cháy lò bị thay đổi đáng kể Những kết nghiên cứu luận văn tiền đề vững để áp dụng thử nghiệm công nghệ đồng đốt quy mơ phịng thí nghiệm, tiến dần đến việc áp dụng quy mô công nghiệp điều kiện tài – kỹ thuật cho phép HỌC VIÊN Nguyễn Tiến Anh MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐỐT THAN PHUN VÀ ĐỒNG ĐỐT THAN – SINH KHỐI 1.1 Cấu trúc tính chất nhiên liệu rắn Nhiên liệu hóa thạch (than đá) Nhiên liệu tái tạo (sinh khối) 1.2 So sánh trình cháy than cháy sinh khối 1.3 Đặc tính cháy 10 1.4 Quá trình biến đổi nhiệt hóa học nhiên liệu rắn 10 1.5 Q trình oxy hóa cốc (phản ứng dị thể) 16 1.6 Một số nghiên cứu công nghệ đồng đốt than sinh khối 18 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU 24 2.1 Mơ hình hình học 24 2.2 Nhiên liệu đặc tính nhiên liệu 25 2.3 Các trường hợp mô 27 2.4 Các điều kiện biên 27 2.5 Chia lưới độ hội tụ lưới 28 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG Q TRÌNH CHÁY THAN PHUN TRONG BUỒNG ĐỐT THỰC NGHIỆM 30 3.1 Quá trình chất bốc buồng đốt 30 3.2 Phân bố nhiệt độ buồng đốt 31 3.3 Nồng độ sản phẩm cháy buồng đốt 32 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG Q TRÌNH ĐỒNG ĐỐT THAN VÀ SINH KHỐI TRONG BUỒNG ĐỐT THỰC NGHIỆM 38 4.1 Q trình chất bốc buồng đốt 38 4.2 Phân bố nhiệt độ buồng đốt 38 4.3 Nồng độ sản phẩm cháy buồng đốt 42 CHƯƠNG KẾT LUẬN 49 5.1 Kết luận 49 5.2 Hướng phát triển luận văn tương lai 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 PHỤ LỤC 57 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Thành phần hóa học loại nhiên liệu rắn [5] Hình 1.2 Cấp độ than theo tỷ lệ nguyên tử H/C O/C [6] Hình 1.3 Quá trình hình thành than [8] Hình 1.4 Một số loại sinh khối điển hình Hình 1.5 Quá trình nhiệt hóa học để chuyển hóa sinh khối thành nhiên liệu, khí hóa chất 11 Hình 1.6 Các chế hóa học vật lý khác trình đốt cháy nhiên liệu rắn [42] 12 Hình 1.7 Các giai đoạn cháy hạt sinh khối nhỏ [5] 13 Hình 1.8 Ảnh hưởng nhiệt độ đến khối lượng giai đoạn bốn mẫu gỗ: ○ bách tung, □ bạch dương, ● sồi trắng ■ keo [16] 15 Hình 1.9 Mơ hình cháy hạt cốc [93] 18 Hình 1.10 Phát thải NOx từ số thử nghiệm đồng đốt [96] 19 Hình 1.11 Ảnh hưởng đồng đốt đến hiệu suất nồi thử nghiệm [96] 19 Hình 1.12 Nồng độ khí lị sử dụng vịi phun xốy (a) vịi phun thẳng (b) [97] 21 Hình 1.13 Nồng độ CO (a) NO (b) lò với trường hợp đồng đốt sinh khối gỗ khác cấp không khí khơng phân tầng (phía bên trái) có phân tầng (phía bên phải) [98] 22 Hình 2.1 Mơ hình buồng đốt thí nghiệm 24 Hình 2.2 Cấu trúc mơ hình buồng đốt thực nghiệm (a) Bản vẽ kỹ thuật; (b) Mơ hình CFD 25 Hình 2.3 Cấu trúc mỏ đốt (a) tạo xoáy (b) 26 Hình 2.4 Kết mơ phân bố nhiệt độ khí dọc theo trục buồng đốt cho dạng lưới 29 Hình 3.1 Phân bố nồng độ chất bốc dọc theo trục buồng đốt 30 Hình 3.2 Phân bố nồng độ chất bốc với góc xốy khác dịng khơng khí cấp mặt cắt buồng đốt 30 Hình 3.3 Phân bố nhiệt độ khí dọc theo trục buồng đốt 31 Hình 3.4 Phân bố nhiệt độ với góc xốy khác dịng khí cấp mặt cắt buồng đốt 32 Hình 3.5 Hình dạng lửa với góc xốy khác dịng khơng khí cấp buồng đốt 33 Hình 3.6 Phân bố nồng độ O2 với góc xốy khác dịng khơng khí cấp mặt cắt buồng đốt 33 Hình 3.7 Phân bố nồng độ CO2 với góc xốy khác dịng khơng khí cấp mặt cắt buồng đốt 34 Hình 3.8 Phân bố nồng độ O2 dọc theo trục buồng đốt 34 Hình 3.9 Phân bố nồng độ CO2 dọc theo trục buồng đốt 34 Hình 3.10 Phân bố nồng độ CO với góc xốy khác dịng khơng khí cấp mặt cắt buồng đốt 35 Hình 3.11 Phân bố nồng độ CO dọc theo trục buồng đốt 35 Hình 3.12 Phân bố nồng độ NOx với góc xốy khác dịng khơng khí cấp mặt cắt buồng đốt 36 Hình 3.13 Phân bố nồng độ NOx dọc theo trục buồng đốt 36 Hình 3.14 Phân bố nồng độ SO2 với góc xốy khác dịng khơng khí cấp mặt cắt buồng đốt 37 Hình 3.15 Phân bố nồng độ SO2 dọc theo trục buồng đốt 37 Hình 4.1 Phân bố nồng độ chất bốc sinh từ than (bên trái) sinh khối (bên phải) với trường hợp đồng đốt khác mặt cắt buồng đốt 39 Hình 4.2 Phân bố nhiệt độ trường hợp đồng đốt khác mặt cắt buồng đốt 40 Hình 4.3 Hình dạng lửa trường hợp đồng đốt khác buồng đốt 41 Hình 4.4 Phân bố nồng độ O2 trường hợp đồng đốt khác mặt cắt buồng đốt 43 Hình 4.5 Phân bố nồng độ CO2 trường hợp đồng đốt khác mặt cắt buồng đốt 44 Hình 4.6 Phân bố nồng độ CO trường hợp đồng đốt khác mặt cắt buồng đốt 45 Hình 4.7 Phân bố nồng độ NOx trường hợp đồng đốt khác mặt cắt buồng đốt 46 Hình 4.8 Phân bố nồng độ SO2 trường hợp đồng đốt khác mặt cắt buồng đốt 47 Hình 0.1 Nhiệt độ khí buồng đốt với tỉ lệ sinh khối đốt kèm 10% 57 Hình 0.2 Nhiệt độ khí buồng đốt với tỉ lệ sinh khối đốt kèm 20% 58 Hình 0.3 Nhiệt độ khí buồng đốt với tỉ lệ sinh khối đốt kèm 30% 58 Hình 0.4 Nhiệt độ khí buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 50 μm 59 Hình 0.5 Nhiệt độ khí buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 100 μm 59 Hình 0.6 Nhiệt độ khí buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 150 μm 60 Hình 0.7 Nhiệt độ khí buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 200 μm 60 Hình 0.8 Nhiệt độ khí buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 500 μm 61 Hình 0.9 Nồng độ O2 buồng đốt với tỉ lệ sinh khối đốt kèm 10% 61 Hình 0.10 Nồng độ O2 buồng đốt với tỉ lệ sinh khối đốt kèm 20% 62 Hình 0.11 Nồng độ O2 buồng đốt với tỉ lệ sinh khối đốt kèm 30% 62 Hình 0.12 Nồng độ O2 buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 50 μm 63 Hình 0.13 Nồng độ O2 buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 100 μm 63 Hình 0.14 Nồng độ O2 buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 150 μm 64 Hình 0.15 Nồng độ O2 buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 200 μm 64 Hình 0.16 Nồng độ O2 buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 500 μm 65 Hình 0.17 Nồng độ CO2 buồng đốt với tỉ lệ sinh khối đốt kèm 10% 65 Hình 0.18 Nồng độ CO2 buồng đốt với tỉ lệ sinh khối đốt kèm 20% 66 Hình 0.19 Nồng độ CO2 buồng đốt với tỉ lệ sinh khối đốt kèm 30% 66 Hình 0.20 Nồng độ CO2 buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 50 μm 67 Hình 0.21 Nồng độ CO2 buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 100 μm 67 Hình 0.22 Nồng độ CO2 buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 150 μm 68 Hình 0.23 Nồng độ CO2 buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 200 μm 68 Hình 0.24 Nồng độ CO2 buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 500 μm 69 Hình 0.25 Nồng độ CO buồng đốt với tỉ lệ sinh khối đốt kèm 10% 69 Hình 0.26 Nồng độ CO buồng đốt với tỉ lệ sinh khối đốt kèm 20% 70 Hình 0.27 Nồng độ CO buồng đốt với tỉ lệ sinh khối đốt kèm 30% 70 Hình 0.28 Nồng độ CO buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 50 μm 71 Hình 0.29 Nồng độ CO buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 100 μm 71 Hình 0.30 Nồng độ CO buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 150 μm 72 Hình 0.31 Nồng độ CO buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 200 μm 72 Hình 0.32 Nồng độ CO buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 500 μm 73 Hình 0.33 Nồng độ NOx buồng đốt với tỉ lệ sinh khối đốt kèm 10% 73 x So sánh trường hợp có kích thước hạt sinh khối Hình 0.20 Nồng độ CO2 buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 50 μm Hình 0.21 Nồng độ CO2 buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 100 μm 67 Hình 0.22 Nồng độ CO2 buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 150 μm Hình 0.23 Nồng độ CO2 buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 200 μm 68 Hình 0.24 Nồng độ CO2 buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 500 μm A5 Phân bố nồng độ CO dọc theo trục buồng đốt trường hợp đồng đốt sinh khối với than x So sánh trường hợp có tỉ lệ đồng đốt Hình 0.25 Nồng độ CO buồng đốt với tỉ lệ sinh khối đốt kèm 10% 69 Hình 0.26 Nồng độ CO buồng đốt với tỉ lệ sinh khối đốt kèm 20% Hình 0.27 Nồng độ CO buồng đốt với tỉ lệ sinh khối đốt kèm 30% 70 x So sánh trường hợp có kích thước hạt sinh khối Hình 0.28 Nồng độ CO buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 50 μm Hình 0.29 Nồng độ CO buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 100 μm 71 Hình 0.30 Nồng độ CO buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 150 μm Hình 0.31 Nồng độ CO buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 200 μm 72 Hình 0.32 Nồng độ CO buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 500 μm A6 Phân bố nồng độ NOx dọc theo trục buồng đốt trường hợp đồng đốt sinh khối với than x So sánh trường hợp có tỉ lệ đồng đốt Hình 0.33 Nồng độ NOx buồng đốt với tỉ lệ sinh khối đốt kèm 10% 73 Hình 0.34 Nồng độ NOx buồng đốt với tỉ lệ sinh khối đốt kèm 20% Hình 0.35 Nồng độ NOx buồng đốt với tỉ lệ sinh khối đốt kèm 30% 74 x So sánh trường hợp có kích thước hạt sinh khối Hình 0.36 Nồng độ NOx buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 50 μm Hình 0.37 Nồng độ NOx buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 100 μm 75 Hình 0.38 Nồng độ NOx buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 150 μm Hình 0.39 Nồng độ NOx buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 200 μm 76 Hình 0.40 Nồng độ NOx buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 500 μm A7 Phân bố nồng độ SO2 dọc theo trục buồng đốt trường hợp đồng đốt sinh khối với than x So sánh trường hợp có tỉ lệ đồng đốt Hình 0.41 Nồng độ SO2 buồng đốt với tỉ lệ sinh khối đốt kèm 10% 77 Hình 0.42 Nồng độ SO2 buồng đốt với tỉ lệ sinh khối đốt kèm 20% Hình 0.43 Nồng độ SO2 buồng đốt với tỉ lệ sinh khối đốt kèm 30% 78 x So sánh trường hợp có kích thước hạt sinh khối Hình 0.44 Nồng độ SO2 buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 50 μm Hình 0.45 Nồng độ SO2 buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 100 μm 79 Hình 0.46 Nồng độ SO2 buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 150 μm Hình 0.47 Nồng độ SO2 buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 200 μm 80 Hình 0.48 Nồng độ SO2 buồng đốt với trường hợp kích thước hạt sinh khối 500 μm 81