Nghiên ứu khí động học và cháy than trong lò hơi lớp sôi công suất nhỏ

Để hoàn thành ản luận ăn này, i đó L b v tụtham kh o Bả ỏo cỏ ổo t ng kết và cỏ ỏc b o c o chuyỏ ờn đề của Nhiệm vụ ươm tạo Cụng nghệ ề ghiờn cứu và ứng dụng cụng nghệ lớp sụi và lớp sụi

Bộ giáo dục và đào tạo Trờng đại học bách khoa hà nội

trần huy cấp

nghiên cứu khí động học và cháy than trong

lò hơi lớp sôi công suất nhỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

*****

LỜI CAM ĐOAN

Luận ăn thạc ỹ ày do t i nghi n cứu và thực hiện v s hới ự ướng ẫn d

c ủa PGS.TS Phạm Hoàng ương Để hoàn thành ản luận ăn này, i đã L b v tôtham kh o Bả áo cá ổo t ng kết và cá ác b o c o chuyá ên đề của Nhiệm vụ ươm tạo

Công nghệ ề ghiên cứu và ứng dụng công nghệ lớp sôi và lớp sôi tuần v Nhoàn ở Việt Nam (Mã số HĐ-UTCN 2005 2006 ĐHBKHN) do PGS.TS

Phạm Hoàng Lương chủ ì và c t tr ác ài liệu ác đã kh được liệt kê trong ph n Tầ ài

liệu tham khảo Tôi cam đoan không sao chép c côác ng trình hoặc ết k t thi ế ốtnghiệp của ười ác trong quá trình soạn th o lung kh ả ận văn cao h c nọ ày

Hà Nội, ng thày áng năm 2008

( K , ghi r ọ n)

Trần Huy Cấp

LỜI CẢM ƠN

Trước êti n, tôi xin tr n trọng ảm ơn đếnâ c PGS.TS Phạm Hoàng Lương -

người đã trực tiếp ành gi nhiều thời gian tận tình ướng ẫn h d , cung cấp ững nh

thông tin qu báu giúp i hoàn ành ận vý tô th lu ăn này

Tôi xin ch n thành ảm ơn đến ban lãnh đạo, cán ộâ c b công nh n vi n nhà m â ê áy

giấy Tissue - C uầu Đ ống, công ty nhiệt i đ ện Na Dươ đã ng giúp đỡ tôi tận ình t

v ề việc thu thập ố liệu thực nghiệm, tài liệu tham khảo li n quan đến s ê lò hơi

l sôiớp , lớp sôi tuần hoàn ủa c công ty

Tôi xin được ảm ơn đến ác thầy c c cô giáo trong Viện KH&CN Nhiệt - Lạnh, gia đình, bạn bè đồng nghiệp, những người đã thường xuy n cổ ũ động vi n ê v ê

tôi hoàn thiện luận ăn này v

Hà Nội, ngày tháng năm 2008

Trần Huy Cấp

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 CƠ SỞ ĐỀ TÀI

Năng lượng nói chung và ngành điện lực nói riêng có vai trò cực kỳ quan trọng đối với sự phát triển của một quốc gia, vùng, địa phương Điều không phải ngẫu nhiên là thường những nước có mức tiêu thụ năng lượng thấp lại là những nước nghèo, kém phát triển và mức tiêu thụ năng lượng trên đầu người (hoặc tiêu thụ điện năng trên đầu người) thường cũng là một chỉ tiêu đánh giá sự phát triển của một nền kinh tế Ngày nay mọi quốc gia đều nhận thức được rằng để phát triển kinh tế bền vững buộc phải biết kết hợp hài hoà giữa ba quá trình phát triển đó là: Kinh tế Năng lượng Môi trường.- –

Ở Việt Nam, ngành năng lượng đã được Nhà nước chú trọng đầu tư phát triển và đã có những bước tiến đáng kể, tốc độ tiêu thụ năng lượng là 8,6%/năm

còn nhỏ bé và bộc lộ nhiều vấn đề yếu kém, phát triển chưa cân đối giữa các phân ngành năng lượng, điện, than, dầu khí; công nghệ cung cấp và tiêu thụ năng lượng còn nhiều khâu lạc hậu, dẫn tới hiệu quả của hệ thống năng lượng thấp, cường độ năng lượng cao hơn nhiều so với các nước trong khu vực

Ngày nay, giá thành nhiên liệu sơ cấp: dầu, than, khí tăng rất cao như giá

hưởng rất lớn đến nền kinh tế, xã hội, an ninh năng lượng điều này đòi hỏi cần phải cải tiến công nghệ sử dụng nhiên liệu tiết kiệm hiệu quả, tìm kiếm các nguồn

phát triển năng lượng của Việt Nam tới năm 2020 [4] là:

+ Đảm bảo cung cấp năng lượng an toàn, hợp lý cho nền kinh tế và an ninh quốc phòng trên phạm vi cả nước và các vùng lãnh thổ

+ Đa dạng hoá các nguồn cung cấp năng lượng, ưu tiên phát triển các nguồn nội địa, phát huy nội lực đảm bảo tính độc lập năng lượng, mở rộng hợp tác năng lượng khu vực

+ Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả được coi như là một nguồn năng lượng sạch quan trọng Nhất là hiện nay, khi trình độ công nghệ sử dụng năng lượng của ta còn thấp, tiềm năng cho tiết kiệm năng lượng khá lớn

+ Kiểm soát và giảm ô nhiễm môi trường trong các hoạt động năng lượng,

bảo vệ môi trường sinh thái

Do vậy, sử dụng năng lượng với hiệu quả cao, đồng thời ngăn chặn ô nhiễm

do các quá trình đốt cháy là định hướng vô cùng quan trọng đối với yêu cầu bảo vệ môi trường liên quan đến sự sống còn của nhiều vùng trên trái đất Thay vì tìm cách sản xuất và bán ra nhiều năng lượng phải chú ý các vấn đề: tiết kiệm năng lượng, giảm mức tiêu thụ năng lượng không tái tạo, sử dụng hiệu quả, hợp lý các nguồn năng lượng Hiện nay, trong sản suất và sử dụng năng lượng còn lãng phí rất nhiều (nhất là các nước đang phát triển): các lò sưởi điện sử dụng năng lượng cường độ cao để tạo ra năng lượng cường độ thấp, nhiều nhà máy điện toả nhiệt lượng lãng phí vào môi trường xung quanh, nhiều công trình xây dựng cách nhiệt kém, nhiều nhà máy công nghiệp tiêu thụ năng lượng nhiều quá mức cần thiết, nhiều hệ thống dẫn truyền năng lượng còn mất mát quá lớn Quan điểm phát triển bền vững liên quan đến sản suất và sử dụng năng lượng là nền kinh tế phát triển nhanh nhưng không đòi hỏi sự gia tăng cao (quá so với tốt thiểu cần thiết) về tiêu thụ năng lượng Trong hầu hết các ngành công nghiệp thì lò hơi là một thiết bị quan trọng không thể thiếu trong dây truyền công nghệ sản xuất Nó đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc cung cấp năng lượng phục vụ yêu cầu công nghệ sản xuất Lò hơi

có thể là thiết bị sản xuất ra hơi nước để làm nguồn năng lượng cho các máy động lực như làm quay tuabin – máy phát điện, động cơ hơi nước cũng có thể là môi

chất tải nhiệt làm việc trong các dây chuyền sản xuất các sản phẩm công nghiệp như: sấy, nấu, hấp, là

Vấn đề nghiên cứu, ứng dụng, cải tiến các công nghệ đốt nhằm nâng cao hiệu quả đốt than và giảm ô nhiễm môi trường đã đạt được những thành công nhất định Một trong những thành công đó là phát triển ứng dụng công nghệ đốt lớp sôi

và lớp sôi tuần hoàn Đây là một công nghệ đốt tiên tiến tận dụng được các loại than xấu, đốt được với nhiều loại nhiên liệu khác nhau như than, trấu, bã mía, phế phẩm nông nghiệp , giảm ô nhiễm môi trường, nâng cao hiệu quả đốt Đề tài “ Nghiên cứu khí động học và cháy than trong lò hơi lớp sôi công suất nhỏ” của tôi sẽ tập trung và tìm hiểu công nghệ đốt lớp sôi công suất nhỏ, đánh giá tiềm năng áp dụng công nghệ lớp sôi cho các lò hơi đốt than/ sinh khối công suất nhỏ

1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu khí động học và cháy than trong lò hơi công suất nhỏ nhằm xây dựng được đặc tính khí động học của buồng đốt lớp sôi công suất nhỏ và đánh giá tiềm năng áp dụng công nghệ lớp sôi cho các lò hơi đốt than

Để đạt được mục tiêu nêu trên thì cần phải giải quyết một số nội dung chủ yếu đã được nhận dạng của đề tài như:

- Hoàn thiện phương pháp tính toán thiết kế và tính nhiệt lò hơi lớp sôi công suất nhỏ ( 2 10 tấn/giờ); –

- Nghiên cứu thực nghiệm về khí động học và cháy than trong lò hơi lớp sôi công suất nhỏ;

- Đánh giá tiềm năng tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường của công nghệ cháy lớp sôi trong các lò hơi công nghiệp

1.3 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

- Nghiên cứu khí động học và cháy, tính toán thiết kế và tính nhiệt trong buồng đốt lớp sôi bọt sẽ được thực hiện thông qua việc thu thập, cập nhập tài

nghiên cứu và chế ạo thiết ị áp ực Viện KH&CN Nhiệt Lạnh, trường đại học t b l - - Bách Khoa Hà Nội

dụng lò hơi lớp sôi ở Việt Nam

1.4 GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU

Phạm vi của luận văn là tập trung nghiên cứu lò hơi lớp sôi công suất nhỏ

Cụ thể là:

+ Nghiên cứu khí động học và cháy trong buồng đốt lớp sôi bọt;

+ Tính toán thiết kế và tính nhiệt cho lò hơi lớp sôi công suất nhỏ ( 2- 10 T/h);

+ Đánh giá tiềm năng áp dụng công nghệ lớp sôi

1.5 TRÌNH TỰ LUẬN VĂN

Chương 4: Tính toán thiết kế & tính nhiệt cho lò hơi lớp sôi công suất nhỏ

Chương 5: Tiềm năng ứng dụng công nghệ lò hơi lớp sôi công suất nhỏ tại

Việt Nam

Chương 6: Kết luận đề xuất -

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LÒ HƠI

LỚP SÔI CÔNG SUẤT NHỎ

2.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LÒ HƠI LỚP SÔI CÔNG SUẤT NHỎ TẠI VIỆT NAM

Công nghệ lớp sôi (FB) đã được nghiên cứu từ những năm 1940 - 1950 tại

sấy, chưng cất dầu mỏ, làm sạch quặng, hoặc để đốt than chất lượng thấp (nhiều tro,

có hàm lượng lưu huỳnh cao) trong công nghiệp Từ những năm 1990 trở lại đây, công nghệ lớp sôi tuần hoàn (CFB), một loại hình của FB với đặc điểm vận hành ở dải công suất lớn và có sự tuần hoàn của hạt nhiên liệu trở lại buồng đốt chính nhằm nâng cao hiệu quả cháy của nhiên liệu, giảm phát thải NOx và SOx, đã được nhiều công ty hàng đầu trên thế giới (Foster Willer, Alstom, Babcock & Wilcox, Misubishi Heavy Industry, v.v) nghiên cứu ứng dụng và triển khai rộng rãi chủ yếu trong khu vực sản xuất điện năng tại các nước Mỹ, Pháp, Trung Quốc, Ấn độ, Thuỵ Điển, Ba Lan, Phần Lan, Nhật Bản

Ở Việt Nam, nhu cầu sử dụng than địa phương, chất lượng thấp (độ tro và hàm lượng lưu huỳnh cao), phụ phẩm nông nghiệp (trấu, bã mía) và các nguồn nhiên liệu rắn khác (mẩu gỗ củi, rác công nghiệp, phế thải đô thị, v.v) thay thế cho nguồn nhiên liệu chất lượng cao và nhập khẩu đắt tiền (dầu, khí đốt), để sản xuất điện năng cung cấp lên lưới hoặc phục vụ nhu cầu năng lượng tại chỗ, tăng khả năng cạnh tranh sản xuất hàng hóa và giảm ô nhiễm môi trường đang trở nên hết sức cấp thiết

Công nghệ FB được Viện khoa học và Kỹ thuật điện (nay là Viện năng lượng), Bộ môn Thiết bị năng lượng nhiệt (nay là Bộ môn Máy Năng Lượng, Đại

-động nghiên cứu cũng chỉ dừng lại ở kết quả lý thuyết thuần túy, chưa đầy đủ, thiếu nghiên cứu thực nghiệm và do vậy chưa tạo ra được một sản phẩm cụ thể nào để có thể được ứng dụng, triển khai trong thực tiễn

Công nghệ FB & CFB thang độ công nghiệp được du nhập vào Việt Nam hoàn toàn theo phương thức chìa khóa trao tay (turnkey) giữa nhà cung cấp thiết bị

và chủ đầu tư, như công nghệ đốt than lớp sôi kiểu IGNIFLUID tại công ty giấy và bột giấy Bãi bằng (Phú thọ) vận hành năm 1983 và tại nhà máy dệt Nam định (thành phố Nam Định) vận hành năm 1986 Hai lò hơi công nghệ CFB của hãng Foster Willer lần đầu tiên được sử dụng ở Việt Nam tại công ty nhiệt điện Na Dương (Lạng sơn) do Tập đoàn Than và Khoáng sản Việt nam (VINACOMIN) là chủ đầu

tư và có công suất điện 2 x 55 MW Hệ thống lò hơi - tuabin hơi của công ty đã được đưa vào khai thác thương mại từ tháng 11/2006 Hai lò hơi CFB khác của hãng Alstom cũng đã được lắp đặt tại công ty nhiệt điện Cao Ngạn (Thái nguyên)

do VINACOMIN là chủ đầu tư với công suất điện 2 x 55 MW

Thực tế vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa các lò hơi FB trong khoảng 15 năm qua tại công ty giấy và bột giấy Bãi Bằng, nhà máy dệt Nam Định, nhà máy dệt Vĩnh Phú và đặc biệt là công tác lắp đặt, chạy thử và nghiệm thu các lò hơi CFB mới đây tại công ty điện Na Dương, Cao Ngạn cho thấy còn tồn tại nhiều rào cản kỹ thuật trong việc ứng dụng và khai thác thương phẩm công nghệ FB & CFB ở Việt nam: đặc thù nhiên liệu của than địa phương được khai thác sử dụng tại các cơ sở có

lò hơi FB&CFB, công nghệ xử lý phát thải SOx trong buồng đốt CFB chưa phù hợp, năng lực của các cơ sở tiếp quản trong việc làm chủ công nghệ, sử dụng và khai thác thiết bị

Lương khởi động trở ại đã đạt được ột ố ết quả ốt như đã l m s k t nghi n cứu ương đối ê tđầy đủ lý thuy v côết ề ng nghệ đốt lớp sô à li v ớp sôi tu hoànần và thiết kế chế tạo thử thành công s phản ẩm lò lớp sôi đốt than công su ấtnhỏ T i lô à một trong những

thành êvi n trong nhóm nghi n cứu êê tr n n n c đ ều ê ó i kiện ếp cận và s dti ử ụng ột ố m s

k ết quả đã đạt được

2.2 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÔNG NGHỆ LÒ HƠI LỚP SÔI

Đây là một công nghệ đốt được phát triển từ công nghệ đốt trên ghi cố định Gió cấp một được thổi từ dưới ghi lên Khi tốc độ gió đủ lớn sẽ tạo ra một lực cuốn thắng được trọng lực của hạt và khi đó, các hạt sẽ bắt đầu dịch chuyển lên trên tạo

ra một lớp hạt lơ lửng giống như một lớp chất lỏng Các chế độ tương tác giữa khí

và hạt phụ thuộc vào tốc độ gió cấp vào bao gồm : lớp cố định, giả lỏng đồng đều, sôi bọt, sôi dạng pittông ( slugging), sôi rối, sôi chèn (choking) và sôi tuần hoàn

Lò hơi lớp sôi hoạt động theo phương thức sôi bọt, chiều cao lớp sôi được giữ cố định trong một khoảng cho phép nào đó Không gian cháy chỉ chiếm một phần trong toàn bộ buồng đốt Gió cấp vào từ quạt có hai nhiệm vụ :

+ Cung cấp không khí cho quá trình cháy của nhiên liệu,

+ Tạo và duy trì lớp sôi

lớp Nếu hạt tương đối thô có thể sẽ quay trở lại mặt ghi do ảnh hưởng của trọng lực Nếu tiếp tục tăng tốc độ gió thì có thể một bộ phận hoặc toàn bộ chất rắn trên mặt ghi rơi vào trạng thái chuyển động hai hướng : Một hướng đi lên do lực nâng, một hướng đi xuống trở lại mặt ghi do trọng lực Trạng thái này giống như trạng thái sôi của chất lỏng, tốc độ gió tại đó là umf (tốc độ sôi tối thiểu) Lúc đó, lớp chất rắn chuyển động từ trạng thái lớp cố định sang trạng thái sôi hay lớp sôi Khi tốc độ gió tiếp tục tăng, toàn bộ lớp sôi sẽ bị phá huỷ, các chất rắn trong lớp sôi đều bị bay

ra ngoài, tương tự nếu tốc độ gió quá nhỏ không đủ để nâng khối lượng các hạt lên thì lớp sôi lại trở thành lớp cố định

giới hạn sau : umf < u < ugiới hạn

2.3 MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA CÔNG NGHỆ LÒ HƠI LỚP SÔI

FB

Một buồng lửa của lò hơi FB chứa một khối lượng các hạt rắn, thông thường

1 Cát hay sỏi (với nhiên liệu ít tro, như gỗ)

2 Đá vôi nguyên chất hay đá vôi già (với những lò đốt than nhiều lưu huỳnh

và đòi hỏi kiểm soát lượng phát thải lưu huỳnh)

3 Tro từ than (những lò hơi đốt than có hàm lượng tro cao và trung bình và không đòi hỏi khử lưu huỳnh)

Đôi khi, phối hợp các hạt liệu lớp sôi cũng được sử dụng Kích thước của hạt nhiên liệu, đặc biệt với nhiên liệu có hàm lượng tro thấp khác nhau, nó không nhất thiết mang lại một lượng lớn hạt rắn lớp sôi, bởi vì chúng chỉ có thể tạo thành một lượng hạt nhỏ hơn 1-3% 12 tổng lượng hạt rắn lớp sôi trong lò [ ]

nhiên liệu rắn khác Những đặc tính này bao gồm :

+ Độ mềm dẻo cao trong sử dụng nhiên liệu: Đây là một đặc tính ưu việt chính của lò hơi FB

- Có thể đốt với những loại nhiên liệu có phẩm cấp thấp (độ ẩm lên tới 60%, hàm lượng tro lên tới 70%);

- Tính linh động cao của nhiên liệu: cả về kích thước lẫn kiểu loại Có thể sử dụng đồng thời hoặc luân phiên nhiều loại nhiên liệu: than, sinh khối, phế thải nông nghiệp

+ Hiệu suất cháy cao

+ Giảm phát thải Ox Điều khiển có hiệu quả việc giảm khí SO2 trong S :buồng đốt bằng cách cho phản ứng với CaO

+ Giảm phát thải NOx:

Giảm phát thải NOx là một đặc tính hấp dẫn chủ yếu của lò hơi FB Các số liệu thu được trong các lò hơi FB đưa ra giá trị phát thải NOx trong khoảng 50-150ppm hay là 20-150 mg/MJ Không khí cấp hai (chứa trên 20% lượng không khí thừa) được cấp vào bên trên buồng đốt Khi đó, nitơ trong nhiên liệu đã sẵn sàng tách ra thành nitơ phân tử vẫn có rất ít cơ hội để hình thành NO2 trên vùng này Nitơ

trong lò hơi FB

+ Số lượng điểm cấp nhiên liệu ít hơn:

Hệ thống cấp nhiên liệu trong lò hơi FB được đơn giản hoá do số lượng điểm cấp ít Nó yêu cầu diện tích ghi nhỏ và do vậy diện tích buồng đốt sẽ nhỏ hơn diện tích buồng đốt than phun cùng công suất

+ Hệ số truyền nhiệt cao và việc xử lý, chuẩn bị nhiên liệu trước là không cần thiết như sấy, nghiền

Nhược điểm của lò hơi lớp sôi:

+ Lượng nhiệt sinh ra trên một đơn vị diện tích cắt ngang buồng đốt là tương đối nhỏ khi đốt những loại nhiên liệu có hàm lượng chất bốc cao

+ Việc thiết kế các lò có công suất lớn khó có thể liên kết được bởi vì nó đòi hỏi một lượng lớn các điểm cấp nhiên liệu

+ Tỉ lệ hạt nhiên liệu quay xuống nhỏ

+ Mài mòn các bề mặt trao đổi nhiệt phía dưới

- Sản xuất hơi bão hoà và hơi quá nhiệt có thông số tới 170 bar và

5400C, Công suất sinh hơi từ 2 160 t/h

-CHƯƠNG 3: QUÁ TRÌNH KHÍ ĐỘNG HỌC & CHÁY CỦA LÒ

HƠI LỚP SÔI

3.1 QUÁ TRÌNH KHÍ ĐỘNG HỌC CỦA LÒ HƠI LỚP SÔI

Những vật chất tham gia vào các quá trình trong lò hơi FBC (cát, than, đá vôi, tro) được gọi là chất đệm Đặc tính khí động của lớp sôi trong các thiết bị cấp, cyclone, các thiết bị phân tách, các ống đứng và các hệ thống khác cho quá trình vận chuyển cát, đá vôi, than và tro, tất cả phụ thuộc chủ yếu vào các đặc tính vật lý của các phần tử chất rắn

Khi một lớp các chất rắn được giữ lơ lửng bởi một dòng chảy lên trên, nó có thể bị tác động theo nhiều cách khác nhau: sôi một cách nhẹ nhàng, sôi bọt, sôi lờ

Kích thước của các hạt lớn hơn ( d > 1 mm) có thể được tìm thấy bằng các compa đo ngoài hoặc dụng cụ đo vi lượng Nếu các hạt đều nhau về hình dáng hoặc bằng nhau về trọng lượng, một con số chắc chắn nếu mật độ của chúng đã biết, hoặc bằng sự chiếm chỗ nếu các hạt không xốp Từ sự đo đạc này đầu tiên chúng ta tính toán được đường kính hình cầu tương đương, định nghĩa như sau

Các đo đạc khác nhau về các hình không phải là hình cầu đều có độ chênh lệch nhất định, đã được Zenz và Othmer tóm tắt lại Đối với các mục đích của mình chúng ta chọn một tham số được gọi là độ tròn, được địng nghĩa là:

trong đó: Fc = diện tích bề mặt của hình cầu

Fh = diện tích bề mặt của hạt

Với định nghĩa này ϕs = 1 với các hình cầu và 0 < ϕs <1 đối với tất cả các hạt có

khác nhau

Bảng 3.1: Độ cầu của một số loại hạt [ ]6

Tiếp theo chúng ta mô tả 1 lớp của các hạt không phải là hình cầu băng 1 lớp

chịu ma sát trong 2 lớp Bằng hình học chúng ta có thể biểu diễn:

Bề mặt riêng của các hạt trong lớp này hay lớp khác được tìm thấy bởi:

6/

*/

s sph

ϕπ

m

dV

F

*

)1(6ϕ

Sử dụng lưới phân tích cỡ hạt trung bình là cách thức thuận tiện nhất để đo cỡ hạt Vì không có các mối liên hệ chung nào giữa deff và dp, chúng ta có thể sử dụng một số công thức trong khi thiếu các điều kiện thí nghiệm như sau:

• Đối với các hạt không đồng đều cũng như không có sự dài hơn hoặc ngắn

• Đối với các hạt không đồng đều và có chiều dài lớn hơn một chút nhưng tỷ

• Đối với các hạt không đồng đều có chiều rộng lớn hơn một chut nhưng tỷ số

• Đối với các hạt rất mỏng, phẳng hoặc rất nhọn việc đánh giá quan hệ giữa deff và dp từ giá trị ϕs tương tự như với hình đĩa và hình trụ

Hầu hết trong vận hành lớp sôi kích thước các hạt đều được đo bằng lưới phân tích Thêm vào đó hầu hết các chất rắn không đồng đều cũng như không có sự lớn hơn hay nhỏ hơn về kích thước bề mặt Vì vậy chúng ta dùng cỡ hạt được xác định

thực Trong một vài trường hợp chúng ta có thể đề nghị thực hiện việc thí nghiệm

3.1.1.2 Các lớp cố định một kích cỡ của các hạt –

như biểu diễn trên hình 1 Thêm vào đó với các vật rỗng đưa vào sử dụng thì đường

dễ dàng được xác định do vậy ta giả thiết rằng nó được tìm thấy bằng thực nghiệm

Sự giảm áp suất do ma sát luôn được xác định chắc chắn Thông qua các lớp cố định theo chiều dài chứa đựng một kích thước đơn của các chất rắn đẳng hướng của

p s

o g m m p

s

o m

m c

m

fr

d

ud

ug

*75.1)

*(

*

*)1(

*150

*

2 3

2 3

2

ϕ

ρε

εϕ

µε

mc

g

Lp

−+

Đối với các hạt liệu được nhồi nhét một cách tuỳ tiện, biểu thức này được dùng

lớp được chất đầy có sự tính toán, các lớp các chất rắn có độ rỗng không bình thường, hoặc các lớp có rất nhiều các lỗ nhỏ Khi độ rỗng lớn thì độ giảm áp suất có thể lớn hơn giá trị tính toán theo phương trình (3.6)

Hình 3.1: Độ cầu của một lớp hạt tự do có kích thước đồng đều khi độ cầu của các

hạt giảm [6]

Trước khi xem xét cách hoạt động của các lớp chứa các chất rắn với các kích thước khác nhau Chúng ta phải diễn tả được lợi ích của sự phân bố kích thước của một mẻ các hạt rắn Định nghĩa các hàm phân bố kích thước P và p như sau : gọi P

là phần thể tích của tất cả các hạt có kích thước nhỏ hơn dp và pd(dp) là phần thể tích của các hạt có kích thước giữa dp và dp + d(dp) Các đường cong phân bố điển hình được biểu diễn trên hình 2 Từ đây chúng ta thấy rằng p cho sự phân bố thể tích (trọng lượng hoặc khối lượng) của các hạt một cách trực tiếp và có các phần tương quan nhau theo chiều dài Nhưng ngược lại P cho sự phân bố chồng chất của các kích cỡ và không đẳng hướng

Mối liên hệ giữa P và p được xác định qua việc xem xét các hạt, đặc biệt là kích

dP

p hoặc = ∫ ( )

1

0 1

dp

dpPd

i i

Chúng ta tiếp tục tìm kiếm bề mặt riêng biệt và đường kính trung bình của một hỗn hợp của các hạt đẳng hướng có các kích thước khác nhau.một vài tiêu chuẩn hoặc biện pháp có thể được định rõ Tuy nhiên, đối với sự giảm áp suất của dòng khi đi qua các lớp thì diện tích bề mặt là yếu tố qua trọng nhất Do đó mà kích thước trung bình và hình dạng sẽ được định rõ để có được tổng diện tích bề mặt là bằng nhau khi mà tổng thể tích của lớp là bằng nhau Như vậy việc sử dụng phân bố kích thước là để xác định bề mặt riêng trung bình:

( )

=

· , 0

· , 0

) (

*

*

6 '

pd a a

hoặc đối với một sự phân bố riêng rẽ :

i ali s alli

i i s

alli

i i

dp

xdp

dppdp

pa

Hình 3.2:Phân bố kích thước điển hình của các hạt cho buồng đốt lớp sôi [6]

kết hợp các phương trình (3.11) hoặc (3.12) với phương trình (3.13) ta được

*

6

m dp s

dp d dp p a

i i

dp

xdp

dpp

pd

∑

=

)(

1/

)(

1

Sự giảm áp suất do ma sát trong các lớp của các hạt hỗn hợp là xấp xỉ như sau

thay thế bằng đường kính trung bình độ rỗng của một hỗn hợp cac kích thước là không thể xác định chính xác, các yếu tố phải được xem sét bao gồm: các hạt rắn như thế nào thì được đưa vào trong bình, kích thước của nó và đường cong phân bố kích thước Ví dụ nếu như sự thay đổi kích thước lớn, các hạt mịn có thể được đặt vào các chỗ trống giữa các hạt lớn, do vậy mà độ rỗng giảm đi nhiều Vì độ rỗng của lớp là một đai lượng tương đối đơn giản để xác định bằng thực nghiệm

Hình 3.3: Mối quan hệ giữa p và P đối với sự phân bố rời rạc kích thước của các

chất rắn [6]

3.1.2 Sự tạo lớp sôi không có các hạt bị cuốn theo dòng

Nghiên cứu một lớp các hạt được giữ trên một thiết bị phân phối đã được thiết kế đối với dòng khí đi lên, ví dụ như một tấm kim loại được đục các lỗ nhỏ li

ti Sự tạo lớp sôi xảy ra mạnh mẽ khi:

(lực lôi kéo của dòng khí đi lên ) = (trọng lượng của các hạt) (3.16a) hoặc:

Sự giảm áp suất từ

bên này sang bên

kia lớp

Diện tích mặt cắt lỗ

=

Thể tích lớp

Phần chất rắn của lớp

Trọng lượng riêng của chất rắn

t t b

g

g L

A A

bằng việc biến đổi một chút chúng ta tìm được điều kiện tạo lớp sôi nhỏ nhất là:

c g s mf mf

b

g

gL

Ngay khi sự tạo lớp sôi bắt đầu mạnh mẽ thì độ rỗng của nó chỉ lớn hơn độ

rỗng của lớp đầy chặt một chút, thực tế thì nó tương ứng với trạng thái lỏng của

lớp đầy, nặng Vì vậy chúng ta có thể đánh giá εmf từ số liệu của lớp chất đầy một

cách tuỳ ý, hoặc tốt hơn chúng ta có thể xác định giá trị này bằng thực nghiệm, vì

đây là vấn đề tương đối đơn giản

Tốc độ trên bề mặt ở điều kiện sôi nhỏ nhất umf được tìm thấy bằng việc kết

hợp các phương trình (3.17) và (3.6) Nói chung đối với các chất có hình dáng

không thay đổi điều này cho 1 quan hệ bậc 2 đối với umf [ ] 12 như sau:

2 3

2 3

2 3

ρϕ

ε

εµ

ρϕ

ε

g d

u d u

s mf

mf g

mf p s

mf mf

p s mf

=

−

3 ,

2

*

)1(

*150Re

*

*

75.1

ϕε

εϕ

Ở đây số Ar chính bằng vế phải của phương trình (3.18)

Những người tìm ra gọi nhóm không thứ nguyên này là số Galileo , Ga trong

mf

s mf g

ρρ

d

ϕερ

ρρ

*

*75

.1

*)(

với Rep,mf >1000 (3.21)

khi mà εmf và (hoặc) ϕs không biết, người ta vẫn có thể đánh giá được umf đối với lớp của các hạt không đều cũng như không có sự lớn hơn hay nhỏ hơn về kích thước bề ngoài như sau:

Đầu tiên viết lại phương trình (3.19):

Ar K

Ở đây:

s mf

K

ϕ

ε *

75.1

3

s mf

mf

*

)1(

*150

ϕε

có sai lệch 34% so với tiêu chuẩn ±

Làm sáng tỏ phương trình (3.23) đối với các điều kiện tạo lớp sôi nhỏ nhất và

µ

ρ

gd

u

d

g s g p g

ïm

hoặc: Rep,mf = [(28.7)2+0.0494*Ar]1/2−28.7 3.24b)(đối với các hạt mịn giá trị được giới thiệu bởi Wen và Yu là:

Rep.mf = [(33.7)2+0.0408*Ar]1/2−33.7 (3.25)

Lm - Chiều cao của lớp hạt trong buồng đốt, m

3.1.2.2 Đồ thị quan hệ giữa độ giảm áp suất và tốc độ Uo

Đồ thị này đặc biệt hữu ích khi biểu thị sự gồ ghề đặc tính của việc tạo lớp sôi, đặc biệt là khi sự quan sát bằng mắt thường không chính xác

Các hạt có kích thước giống nhau không quá nhỏ hình 3.4, với cát cỡ đồng đều

là 160µm là cỡ hạt điển hình của hệ thống, nó không quá nhỏ Đối với tốc độ dòng tương đối chậm trong lớp cố định, sự giảm áp suất xấp xỉ tương ứng với khí được

một chút Với tốc độ khí tăng thêm nữa thì lớp cố định được giải phóng, độ rỗng

cho bởi phương trình (3.17) Với tốc độ khí vượt ra ngoài giới hạn tạo lớp sôi nhỏ nhất, lớp mở rộng ra , các bọt khí suất hiện, kết quả là không còn tính đồng nhất nữa Bất chấp sự dâng lên này trong dòng khí, sự giảm áp suất còn lại thực tế không thay đổi Để giải thích sự bất biến này của sự giảm áp lực, ghi nhớ rằng mật

độ giữa pha khí- rắn là rất tốt cho việc thông khí và rất có thể bị thay đổi nếu thiếu

sự đánh giá khả năng chịu đựng.Trong khí động lực học của nó chúng ta có thể so sánh với một chất lỏng Tính bất biến trong sự giảm áp lực xảy ra trong 2 trường hợp : chất lỏng sôi bọt và sự tạo lớp sôi bọt, chúng có sự tương quan nhau

cố định lỏng với độ rỗng εmf một dung động nhẹ cũng có thể làm thay đổi giá trị εmf ban đầu.Thông thường umf được xác định tại điểm giao nhau của uo và ∆p đối với lớp cố định có độ rỗng εmf ,với đường nằm ngang tương ứng với W/At

Hình 3.4: Quan hệ giữa áng cgi áp ủa l hớp ạt và t dốc độ òng kh theo các ch í ế độ sôi

c l h [ ] ủa ớp ạt 10

3.1.2.3 Việc chuyển trạng thái từ sự tạo lớp sôi nhẹ sang sôi bọt

Tốc độ sôi vào lúc các bọt tăm là các đối tượng đầu tiên suất hiện được gọi là

hoặc tạo lớp sôi ở khắp nơi vì vậy mà umb không có nghĩa Mặt khác trong các lớp khí rắn của các hạt lớn, các bọt hơi suất hiện ngay khi tốc độ khí vượt qua giá trị umf do vậy mà umf u≅ mb

Bây giờ xem sét việc cung cấp khí cho các lớp giả lỏng của các hạt nhỏ, nhẹ,

là điển hình và hình 5 biểu diễn đường co3 ng ∆p – uo của vật liệu này

Hình 3.5 cũng biểu diễn sự giãn nở của lớp vật liệu này, ở đây Lf là độ cao trung bình của lớp sôi Với sự gia tăng tốc độ khí vượt quá giới hạn umf lớp giãn nở nhẹ cũng như không có bọt sủi Tuy nhiên khi tốc độ khí bằng khoảng 3 umf thì các bọt khí bắt đầu được tạo thành và chiều cao lớp bắt đầu giảm Hình 6 biểu diễn

sự ảnh hưởng của các đặc tính hạt đến umb

Geldart và Abrahamsen đã đo umb đối với 23 hạt khác nhau.( đường kính trung

CO2 , R12 họ tìm thấy rằng tỷ số umb/ umf chắc chắn phụ thuộc vào trọng lượng riêng của các hạt nhỏ hơn 45µm , như vậy đối với hệ thống này họ thu được biểu thức:

8 0

45 52

0 13 0

*

)72.0exp(

*

*

*2300

g s p

g um

mb

d

Pu

u

ρρ

µρ

−

biểu thức này cùng với hình 6 là cơ sở để xác định u3 mb

Cuối cùng, phạm vi của sự tạo lớp sôi của các hạt trong các hệ thống khí rắn có thể được mở rộng bằng việc thêm vào một phần nhỏ các hạt mịn trong đường đặc trưng cơ bản

Hình 3.5: Đối với chất xúc tác FCC, lớp giãn nở nhẹ và phát triển dần dần phía trên

umf , sau khi các bọt hơi suất hiện và sự giãn nở dừng lại [11]

Hình 3.6: Tỷ số tốc độ sôi bọt nhỏ nhất giảm mạnh cùng với sự gia tăng kich thước

hạt [10]

3.1.2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất tới hoạt động lớp sôi

Ảnh hưởng của áp suất đã được nghiên cứu bởi nhiều điều tra viên Chúng ta

tổng kết lại những điều đã thu được đối với các lớp xốp của bụi than, than, than

củi, và các hạt thuỷ tinh có kích thước đồng đều ở áp suất 80 bar như sau:

 umf giảm khi gia tăng áp suất vận hành Tuy nhiên sự giảm này là không

nghiệm thu được phù hợp với sự ước đoán của các phương trình (3.21) và

(3.22) Nói chung umf có thể được ước lượng một cách hợp lý bởi các

phương trình ( 18) hoặc (3 3.19)

tăng tới 30% cùng với việc gia tăng áp suất vận hành Theo đề nghị này sự

gia tăng áp suất vận hành làm mở rộng phạm vi tạo lớp sôi của các hạt trong

hệ thồng khí rắn–

 εmf Tăng cùng với nhiệt độ đối với các hạt mịn ( đạt tới 8% ở nhiệt độ

 umf có thể được ước đoán hợp lý bởi các phương trình (3.18 3.22) khi việc hiệu chỉnh giá trị εmf được sử dụng.

-3.2 QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA LÒ HƠI LỚP SÔI

3.2.1 Các điều kiện cháy trong lò hơi lớp sôi

Các quá trình cháy hay chiều hướng phản ứng hoá học với ôxy để giải phóng nhiệt từ nhiên liệu: phụ thuộc rất lớn vào chế độ dòng, truyền nhiệt truyền chất, thuỷ động học cơ bản , các thông số thuỷ động và đặc tính của nhiên liệu Đặc biệt, khi đốt cháy than tính chất vật lý hoá học của than rất phức tạp, ảnh hưởng của đặc tính than là rất quan trọng

nhiều so với những lò hơi thông thường , nhiệt độ cháy của lò hơi thông thường

thuộc vào cường độ truyền O2 tới bề mặt hạt than mà còn phụ thuộc và tốc độ của phản ứng hoá học

Trường nhiệt độ trong tầng sôi là đồng đều, bởi vì sự hoà trộn của những hạt trơ rất lớn và sự truyền nhiệt mãnh liệt giữa các hạt với nhau và giữa khí với hạt Điều này đảm bảo thuận lợi và điều kiện đồng đều cho sự cháy trong toàn bộ tầng sôi

Khi những phần tử chất đốt vào tầng sôi của chất trơ, do sự chuyển động hỗn độn và có hướng của các phần tử tầng sôi, chúng sẽ trải đều khắp tầng sôi Sự phân phối của những phần tử chất đốt trong dung tích tầng sôi sẽ trở lên đồng đều hơn hay kém đồng đều phụ thuộc vào mật độ và kích thước của phần tử nhiên liệu, trạng thái xốp tầng sôi và tính đồng đều của sự hoá lỏng

Hiện tại, khi một phần tử nhiên liệu lạnh vào một tầng sôi của các phần tử

ngừng với hạt nóng Hệ số truyền nhiệt từ tầng sôi đến các hạt nhiên liệu có đường kính 5÷10 mm là khoảng 300W/m2K, nhiệt độ khác nhau giữa tầng sôi và hạt ở

Trong lò hơi tầng sôi bọt than có kích thước 5 10 mm và tới 50mm được sử ÷dụng Mặc dù quá trình truyền nhiệt mãnh liệt, những phần tử nhiên liệu trong tầng

phụ thuộc vào loại than và cỡ hạt sử dụng trong khi than cháy còn lại kéo dài hơn

trong lò đốt than phun đến sự so sánh việc đốt cháy than phun, những đặc tính thời gian này là lâu hơn nhiều Ví như khi thoát chất bốc và đốt than cacbon cho hạt có đường cỡ 90µm kéo dài theo thứ tự là 0,1 và 1÷2s [11]

Lượng than cũng như tỉ lệ phần trăm của than so với tổng khối lượng tầng

nhiên liệu và tốc độ cháy cacbon Lượng vật chất này đủ nhỏ để cho rằng lượng nhiện liệu này không được tác động về phía nhiên liệu khác trong tầng sôi Bất kỳ

sự va chạm nào của hạt nhiên liệu có thể xảy ra trong khoảng thời gian đủ ngắn để cho sự giả định này không bị mâu thuẫn Bởi vậy đó là điều hợp lý để xem xét riêng

rẽ hạt nhiên liệu trong môi trường hạt trơ khi nghiên cứu và mô hình hoá quá trình cháy của nhiên liệu ảnh hưởng của những hạt nhiên liệu khác chỉ được đưa vào tính

3.2 2 Các quá trình vật lý khi cháy than trong lớp sôi

Quá trình cháy nhiên liệu diễn ra theo các giai đoạn:

i) Gia nhiệt và sấy ii) Thoát và cháy chất bốc

iv) Cháy cốc với sự vỡ vụn và mài mòn của hạt than

hạt trong buồng đốt :

[ ] Hình 3.7 : Các bước trong quá trình cháy của các hạt than 12Sau khi được đưa vào buồng đốt, nhiệt độ của nhiên liệu bắt đầu tăng rất

nhiên liệu bắt đầu được sấy khô

Hơn nữa khi nhiệt độ tăng là nguyên nhân gây nên quá trình phân hủy nhiệt

bốc hơi nước và chất bốc có thể là nguyên nhân gây nên sự phá vỡ của các hạt nhiên liệu tạo nên nhiều mảnh nhỏ làm tăng khả năng bốc ẩm và chất bốc bên trong hạt nhiên liệu Chất bốc sau khi thoát khỏi nhiên liêu được hòa trộn cùng với không khí

và bốc cháy Thường thì không đủ thời gian để chất bốc cháy hết trong lớp sôi mà

nó được tiếp tục cháy trong vùng không gian trên lớp sôi, do vậy việc cung cấp giócho quá trình cháy kiệt chất bốc trên vùng không gian này là rất quan trọng

Cốc là dạng vật chất còn lại sau khi bốc chất bốc Trong quá trình cháy cốc, chúng luôn va chạm với các hạt trơ dẫn đến quá trình mài mòn các hạt cốc Quá trình mài mòn phụ thuộc vào loại nhiên liệu, và nó có thể tạo ra một lượng lớn các hạt cháy có kích thước nhỏ Các hạt này cùng với sản phẩm cháy của các hạt có kích thước lớn hơn được đưa ra khỏi lớp và thường thì chúng không cháy lại trong

khoảng không trên lớp sôi, đó là nguồn năng lượng mất mát chủ yếu trong quá trình cháy

Sự thoát và cháy của chất bốc có thể có ảnh hưởng lớn đến các đặc tính cháy than trong lớp sôi Việc thoát đột ngột một lượng lớn chất bốc, phần lớn không thể cháy gần hạt than, và sự chuyển động của các chất khí chưa cháy qua lớp sôi, nó hoà trộn với oxi, sự đánh lửa và các điều kiện cháy Bất chấp việc hoà trộn rất mãnh liệt, một vài chất khí dễ cháy dời lớp sôi không cháy được và cung cấp các điều kiện cho nó cháy ở trên lớp sôi là rất khó kích thích, điều này phải được tiếp nhận bởi thiết kế thích hợp cho quá trình cháy trong lò hơi lớp sôi

Hình 3.7 chỉ ra tất cả các quá trình được đề cập trên và phác thảo phức tạp của các quá trình trên khi đốt cháy than trong lớp sôi

Khi nhiên liệu được cung cấp tới bề mặt của lớp sôi, trong thời gian nó qua các sản phẩm cháy có nhiệt độ cao trong khoảng trên lớp sôi, như vậy các hạt than

có thể thay đổi quan trọng trước khi chúng đi tới bề mặt lớp sôi Phụ thuộc vào kích thước hạt than, đặc điểm của than, nhiệt độ trong khoảng trên lớp sôi và thời gian cần thiết để tới bề mặt lớp sôi, hạt nhiên liệu có thể mất hoàn toàn hay một phần độ

ẩm của nó và việc thoát chất bốc và char, cháy có thể bắt đầu Một số hạt sẽ không thể tới được bề mặt lớp sôi, nhưng sẽ được mang ra ngoài buồng đốt, bất chấp trạng thái cháy của nó

Hoạt động của chất khoáng và tro trong than nhiên liệu là vấn đề quan trọng phải chú ý cùng với quá trình cháy trong lò hơi lớp sôi Tro có thể ở lại lớp sôi và thay thế các hạt trơ, nó có thể được mang ra ngoài lớp sôi như tro bay hay có thể lắng xuống đáy của lớp sôi Nghiên cứa cách thức hoạt động của tro là quan trọng trong việc tối ưu cấp than,cháy và cơ sở thiết kế toàn diện lò hơi lớp sôi

3.2.3 Thông số ảnh hưởng tới quá trình cháy trong lớp sôi

Để có một quá trình cháy tốt và ổn định thì điều đầu tiên phải đề cập tới chính là nhiệt độ và hệ số không khí thừa Nhiệt độ của lớp sôi trong lò lớp sôi được lựa chọn và duy trì trong một giới hạn khá nhỏ Giới hạn trên phụ thuộc vào nhiệt

độ bắt đầu biến dạng của tro và nhiệt độ khử lưu huỳnh tối ưu, giới hạn dưới được lựa chọn để có thể cháy kiệt nhiên liệu Thông thường nhiệt độ trong lớp sôi được

diễn ra là tốt nhất Ngoài ra việc chọn nhiệt độ lớp sôi còn phụ thuộc vào kích thước hạt nhiên liệu, độ xốp, khả năng phản ứng của nhiên liệu, và các quá trình động học trong lò hơi Việc xác định nhiệt độ của lớp sôi giúp ta có thể xem xét ảnh hưởng của nó tới:

- Các quá trình: gia nhiệt cho lớp hạt, sấy khô và bốc chất bốc

Trong quá trình cháy cốc nhiệt độ của các hạt nhiên liệu cao hơn nhiệt độ

lớp sôi, và kích thước hạt trơ)

Khi xem xét tới ảnh hưởng của hệ số không khí thừa tới quá trình cháy trong lớp sôi, chúng ta có thể đánh giá qua lượng oxy cần thiết cho quá trình cháy, hay hàm lượng chất bốc và cacbon cố định trong cốc

Trong thực tế có một lượng lớn không khí (O2) được đưa vào trong buồng đốt nhưng không phản ứng với nhiên liệu Nghĩa là, lượng không khí đưa vào phải lớn hơn lượng không khí cần thiết để cháy kiệt nhiên liệu, và thông thường đối với

lò FB lượng không khí đưa vào nằm trong khoảng 120 – 130 % lượng không khí lí thuyết

Vận tốc lớp sôi và kích thước các hạt trơ cũng ảnh hưởng tới quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất giữa các hạt nhiên liệu và lớp sôi, do đó ảnh hưởng tới vận tốc bốc và cháy chất bốc cũng như quá trình cháy cốc Việc tăng vận tốc lớp sôi và giảm kích cỡ của các hạt trơ sẽ làm tăng các quá trình này, trong khi quá trình bào mòn các hạt cốc lại phụ thuộc vào vận tốc của lớp sôi và quá trình chuyển động hỗn loạn của các hạt trong lớp sôi

Chủng loại và đặc tính của nhiên liệu có ảnh hưởng quyết định tới quá trình cháy, và tất cả các quá trình xảy ra trong lò FBC Cụ thể ở đây chúng ta nói tới: kích

cỡ hạt nhiên liệu, tỉ lệ thành phần chất bốc, đặc tính của các thành phần khoáng trong nhiên liệu và độ rỗng của nhiên liệu Các yếu tố này ảnh hưởng tới quá trình phân rã hạt trong quá trình bốc chất bốc, tốc độ bốc chất bốc, nhiệt độ của các hạt nhiên liệu, các quá trình động học và khuếch tán trong quá trình cháy cốc, phương thức cháy và quá trình bào mòn hạt cốc

Để dự đoán các đặc tính, hay tính toán các quá trình trong buồng đốt cần thiết phải biết những đặc điểm về nhiệt độ, vận tốc quá trình, và thời gian tồn tại của tất cả các quá trình trong buồng đốt:

- Đặc điểm về nhiệt độ bao gồm: nhiệt độ bắt đầu bốc chất bốc, nhiệt độ cháy chất bốc, và nhiệt độ cháy cốc Trong nhiều trường hợp cần biết thêm nhiệt độ

mà quá trình cháy cốc diễn ra tốt nhất

- Đặc điểm về tốc độ của các quá trình bao gồm: tốc độ bốc chất bốc, tốc

độ cháy chất bốc và tốc độ cháy cốc, tốc độ cháy kiệt nhiên liệu (hay tốc độ cấp nhiên liệu)

- Đặc tính thời gian bao gồm: thời gian gia nhiệt và sấy nhiên liệu, thời gian bốc và cháy kiệt chất bốc và có thể cả thời gian cháy kiệt nhiên liệu

- Riêng với quá trình phân rã hạt và bào mòn hạt cốc có thể kể thêm các đặc điểm như: số lượng và kích cỡ các hạt sau khi phân rã, tốc độ chuyển động của dòng hạt cốc sau khi bào mòn

3.2.4 Quá trình phân rã hạt trong lớp sôi

Các hạt nhiên liệu sau khi được đưa vào buồng đốt chúng liên tục va chạm với các hạt trơ nằm trong lớp sôi dẫn tới sự thay đổi lớn về kích thước và trạng thái

bề mặt của hạt nhiên liệu Chính những thay đổi ấy làm tăng diện tích bề mặt cháy,

và giảm khối lượng nhiên liệu trong lớp sôi, dẫn tới quá trình loại bỏ các chất không cháy trong nhiên liệu

Do vận tốc chuyển động tự do của các hạt trong lớp sôi nhỏ hơn vận tốc chuyển động của khí nên nếu có kích thước nhỏ chúng có thể bị thổi bay ra khỏi lớp sôi trước khi cháy hết Bởi vậy cần thiết phải xác định kích thước của các hạt nhiên liệu và cốc để có thể đưa ra những tính toán đúng về quá trình cháy trong lò lớp sôi Những thay đổi về mặt cơ học của nhiên liệu trong lớp sôi xảy ra do nhiều nguyên nhân khác nhau và có thể diễn ra lần lượt hay đồng thời bao gồm:

- Quá trình phân rã sơ cấp quá trình phân rã các hạt nhiên liệu phụ thuộc - vào ứng suất nhiệt và sự tăng áp suất bên trong hạt nhiên liệu trong quá trình bốc chất bốc

- Quá trình phân rã thứ cấp các hạt cốc phân rã trong suốt quá trình cháy - cốc phụ thuộc vào quá trình bốc cháy bên trong các hạt và độ xốp của nhiên liệu

-Quá trình bào mòn - phụ thuộc vào tương tác cơ học của các hạt cốc và các hạt trơ trong lớp sôi hình thành các hạt có kích thước rất nhỏ

- Quá trình tạo tro quá trình phân rã hạt cốc để tạo ra các hạt nhỏ hơn - khi kết thúc quá trình cháy Các hạt này là các chất không cháy được trong nhiên liệu

Hình 3.9:Những biến đối cơ học tự nhiên trong khi lưu lại và cháy của than trong

lớp sôi [ ] 12

(3) - Quá trình bào mòn (4) - Quá trình tạo tro

(5) - Quá trình cháyHiện nay, quá trình phân rã thứ cấp vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu và rất khó xác định do nó phụ thuộc vào quá trình cháy bên trong hạt cốc và nhiều yếu tố khác mà với mỗi loại nhiên liệu thì quá trình này xảy ra lại rất khác nhau Còn quá trình tạo tro tạo ra các hạt tro có kích thước nhỏ và chúng được tách ra khỏi nhiên liệu nhờ chuyển động của dòng khí từ dưới ghi Đó đơn thuần là quá trình lọc để loại bỏ đi những hạt có kích thước đủ nhỏ ra khỏi lớp sôi

Trong phần này chúng ta chủ yếu đi xem xét 2 quá trình là: quá trình phân rã

sơ cấp và quá trình bào mòn

3.2.4.1 Quá trình phân rã sơ cấp

Trong suốt quá trình bốc chất bốc và sau khi thành phần ẩm bay hơi tuỳ thuộc vào chủng loại, cấu trúc và đặc tính của nhiên liệu có 3 xu hướng có thể xảy ra:

3 Các hạt nhiên liệu bị phân rã và thể tích của chúng tăng lên

Do tốc độ gia nhiệt của nhiên liệu trong lớp sôi là rất nhanh nên sau khi thành phần độ ẩm bay hơi hết, quá trình bốc chất bốc nhờ sự phân huỷ nhiệt của nhiên liệu diễn ra rất mãnh liệt Lượng chất bốc thoát ra làm áp suất bên trong các hạt nhiên liệu tăng Phụ thuộc vào độ rỗng của nhiên liệu, lượng chất bốc này sẽ dễ dàng thoát ra hay bị giữ lại trong hạt nhiên liệu

Nếu các hạt có độ rỗng rất lớn và có những lỗ mở dẫn tới bề mặt hạt thì chất bốc sẽ dễ dàng thoát ra khỏi nhiên liệu mà không làm thay đổi kích thước và hình dạng của nhiên liệu Nhưng nếu quá trình lưu động của chất bốc bị ngăn cản do các

lỗ rỗng quá nhỏ , kích thước của các hạt quá lớn hay do lỗ bị bít kín thì các hạt sẽ bị phân rã hoặc phình ra

Dakic đã biểu diễn xu hướng phân rã của các hạt nhiên liệu qua hệ số cản trở

độ rỗng:

W

VM

Với VM là thành phần chất bốc thoát ra trong thời gian τ [%]

W là lượng hơi ẩm chứa trong nhiên liệu ở trạng thái cân bằng [%]

Bằng việc phân tích một số loại than nâu và than đá người ta đã đưa ra quan

hệ giữa xu hướng phình ra hay phân rã của hạt nhiên liệu với hệ số PRN Với các hạt có xu hướng phân rã mạnh thì có hệ số PRN vào khoảng 15 – 17 Nhiên liệu có PRN nhỏ thì quá trình thoát chất bốc diễn ra dễ dàng hơn Nhiên liệu có PRN lớn dễ phình ra và các phần tử của nó dễ bị biến dạng

Ngoài ra chúng ta còn thấy rằng với tất cả các loại nhiên liệu thì các xu hướng xảy ra còn phụ thuộc vào kích thước hạt nhiên liệu

Hình 3.10: Mối quan hệ giữa đường kính phân rã tới hạn và hệ số PRN Hình 3.10 biểu diễn mối liên hệ giữa đường kính phân rã tới hạn và hệ số PRN Các hạt nhiên liệu có kích thước nằm ở phía trên đường cong trong đồ thị sẽ

dễ dàng bị phân rã trong quá trình bốc chất bốc Đường kính phân rã tới hạn phụ thuộc vào chế độ vận hành của lớp sôi (nhiệt độ, vận tốc lớp sôi, kích thước của các hạt trơ)

Phụ thuộc vào từng loại nhiên liệu và kích thước của các phần tử nhiên liệu đầu vào mà số lượng các hạt sau khi phân rã có thể lớn hơn số hạt ban đầu từ 2 tới 3 lần

3.2.4.2 Quá trình phân rã thứ cấp

Phân rã thứ cấp xảy ra trong xuốt quá trình cháy sau quá trình thoát chất bốc Các mảnh vỡ theo thứ tự độ lớn hơn so với các hạt than mịn bị mài mòn được mô tả trên hình 3.9

3.2.4.3 Quá trình bào mòn hạt cốc

Quá trình bào mòn hạt cốc là quá trình tạo ra các hạt cốc rất nhỏ do quá trình

va chạm của chúng với các hạt trơ Dạng mới của các hạt này có kích thước đủ nhỏ

để chúng có thể bị thổi bay ra khỏi buồng đốt

Quá trình bào mòn hạt cốc trong suốt quá trình cháy không chỉ phụ thuộc vào quá trình chuyển động hỗn loạn của các hạt trong lớp sôi mà còn phụ thuộc vào quá trình cháy trong lớp

Hình 3.11: So sánh tốc độ bào mòn của than Nam Phi không có quá trình cháy(A)

và trong quá trình cháy(B) Hình 3.11 so sánh lượng sản phẩm tạo ra của các hạt cốc của than Nam Phi khi có những bào mòn cơ học trong lớp sôi không cháy và trong quá trình cháy Bào mòn cơ học trong lớp sôi không cháy có đỉnh là điểm bắt đầu khi các hạt nhiên liệu bắt đầu được đưa vào Nếu các hạt nhiên liệu không cháy dưới tác động của các hạt trơ (cát, tro, đá vôi) dẫn tới kích thước của các hạt nhiên liệu khá đều và tốc độ bào mòn sẽ nhanh chóng giảm đi và gần như không đổi trong thời gian còn lại cho tới khi các hạt nhiên liệu đạt tới kích thước đủ nhỏ để có thể bị thổi bay ra khỏi buồng đốt

Nếu các hạt nhiên liệu bắt đầu bắt cháy, quá trình bào mòn sẽ tăng và sau đó đạt tới giá trị cao nhất Theo nghiên cứu thì cường độ bào mòn trung bình trong quá trình cháy kiệt của nhiên liệu có kích thước 6.3 – 4.76 mm lớn hơn khoảng 5 lần so với bào mòn cơ học trong lớp sôi không cháy

3.2.5 Quá trình bốc và cháy chất bốc

Nhiên liệu thường được sử dụng trong lò lớp sôi là loại than có chất lượng thấp và không được sàng lọc trước khi đưa và buồng đốt như than đá và than nâu Những loại than này chứa một lượng chất bốc lớn 30 – 50% (với mẫu khô) và nếu tính tới thành phần độ ẩm thì lượng chất bốc chứa trong đó còn lớn hơn Bởi vậy khi đốt những loại nhiên liệu này một lượng lớn năng lượng được sinh ra trong quá trình cháy chất bốc Đó là lí do tại sao trong quá trình tính toán và thiết kế lò hơi cần đặc biệt quan tâm tới quá trình bốc và cháy chất bốc

Ngoài ra quá trình bốc và cháy chất bốc còn ảnh hưởng tới đặc tính của từng vùng thậm chí là của toàn bộ lớp sôi ở những vị trí mà quá trình bốc chất bốc diễn

ra quá mãnh liệt có thể dẫn tới thiếu oxy dẫn tới quá trình cháy cốc diễn ra không hoàn toàn

Bên cạnh việc ảnh hưởng tới những quá trình diễn ra gần đó, tới bề mặt và trong hạt nhiên liệu, quá trình bốc cháy chất bốc còn ảnh hưởng tới cấu trúc của sản phẩm cháy cũng như đặc tính của lớp sôi

Để có thể xác định quá trình bốc chất bốc một cách chính xác cần thiết phải

có những thông số: số lượng và cấu trúc của chất bốc, động học của quá trình bốc

lò hơi, nhiệt độ bắt cháy, thời gian và tốc độ cháy chất bốc

3.2.5.1 Sản lượng và cấu tạo của chất bốc

Quá trình phân huỷ nhiệt – bốc chất bốc thường bắt đầu xảy ra ở nhiệt độ

ở nhiệt độ thấp và phần lớn chất bốc thoát ra ở nhiệt độ này, sau đó khi nhiệt độ cao hơn phản ứng xảy ra chậm hơn và sản phẩm chủ yếu là H2

Trong suốt quá trình gia nhiệt, nhiên liệu trải qua một giai đoạn mà cấu trúc

liệu bị phân tách thành các phần tử, mà các phần tử này bị hoá lỏng ở nhiệt độ này

Khi nhiệt độ tăng tính dẻo của nhiên liệu tăng nhưng sau đó giảm một cách nhanh chóng khi các thành phần lỏng bắt đầu bay hơi hoặc tiếp tục bị phân tách thành các thành phần khí hoặc rắn Các thành phần nhiên liệu trở lại trạng thái rắn ở nhiệt độ

Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân huỷ than, chất bốc như là sản phẩm khí với thành phần cấu tạo phức tạp, chất lỏng, sản phẩm ở thể bay hơi (tar) và char ( hầu hết là cacbon nguyên chất, bỏ qua thành phần khoáng chất)

Các thông số ảnh hưởng thành phần cấu tạo và khối lượng chất bốc: thành phần hoá học của than, quá trình biến đổi nhiệt độ của than (tốc độ gia nhiệt, nhiệt độ lớn nhất) áp suất và thành phần của không khí, kích thước các hạt nhiên liệu

Thông thường chất bốc bao gồm các chất khí như: CH4, C2H6, CO, CO2, H2, H2O, NH3, và H2S nhưng cũng có thể bao gồm nhiều loại hydrocacbon khác

Với loại nhiên liệu là than đá thì thành phần chất cháy trong chất bốc CH4, CO, H2 lớn hơn so với chất không cháy CO2 Điều đó càng thấy rõ khi nhiệt độ tăng

loại than có nhiều chất bốc (than Pittsburgh có thành phần: 41.2% chất bốc, 76.5%

C, 4.8% H2O, 6.9%O2, 0.95%N2, 1.85%S, 8.9% tro, và than Wyoming chứa 46.1% chất bốc, 73.3%C, 5%H2, 16.5%O2, 1.23%N2, 0.49%S, 3.4% tro)

Hình 3.12: Sự thay đổi của thành phần chất bốc của 2 loại than (a) Pittsburgh và

Qua đó ta thấy với cùng nhiệt độ lớp sôi, áp suất, kích thước hạt nhiên liệu

và hạt trơ, lượng chất bốc thoát ra và thời gian thoát chất bốc ở 2 loại than là khá

giống nhau Sự khác biệt lớn nhất là lượng CO và CO2 thoát ra Than có thành phần

khí khác lượng phát thải giảm tới gần như bằng 0 sau 10 s thì thời điểm lượng phát thải H2 lớn nhất diễn ra chậm hơn và do đó H2 chiếm chủ yếu trong giai đoạn cuối của quá trình bốc chất bốc

Những kết quả trên cho thấy quá trình bốc chất bốc xảy ra theo 2 giai đoạn: Trong giai đoạn đầu, khi nhiệt độ thấp, quá trình thoát chất bốc diễn ra mạnh nhất Sau đó, khi nhiệt độ tăng cao quá trình bốc chất bốc giảm và chủ yếu là H2 thoát ra trong giai đoạn này Cùng với sự biến thiên của gradient nhiệt độ 2 quá trình này diễn ra chồng chéo với nhau

Khi xét tới ảnh hưởng của nhiệt độ lớp sôi tới quá trình bốc chất bốc ta đi minh

trong hình 3.12 Ta thấy ở nhiệt độ thấp (7600C) khối lượng phát thải CH4 giảm trong khi thời gian bốc chất bốc lại tăng

Với một số loại nhiên liệu có lượng phát thải lỏng lớn (như than đá và than non lượng chất lỏng (tar) chiếm khoảng 15 – 30%, trong khi than nâu là 50 – 70% thành phần chất bốc) thì phải quan tâm tới ảnh hưởng của thành phần này

Khi tăng nhiệt độ lượng phát thải lỏng (tar) gần như không đổi trong khi lượng sản phẩm nhiệt phân dạng khí tăng Tỉ lệ giữa phát thải lỏng và khí với than

lượng chất bốc của nhiên liệu, nhưng trên thực tế lượng chất bốc thoát ra còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như: nhiệt độ, tốc độ gia nhiệt, và kích thước của nhiên liệu…

Việc xác đinh lượng chất bốc trong nhiên liệu theo phương pháp thông

][3.1][][25.11][408.0(%)

VMc là lượng chất bốc chứa trong cốc xác định ở nhiệt độ vận hành theo công thức:

Với T là nhiệt độ vận hành

K1 Hằng số nằm trong khoảng ( 2.77 3.97 )10– -3K-1

K2 Hằng số nằm trong khoảng 438 746 K–