Nghiên ứu nâng cao quá trình cháy than trộn trong lò hơi than phun hình chữ w

Người thực hiện Trang 4 LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ với đềtài: “Nghiên cứu nâng cao quá trình cháy than trộn trong lò hơi than phun hình ch W” đã đượữc hoàn thành t i Vi n ạệKhoa học v

ĐỀ TÀI: NGHIÊN C U NÂNG CAO QUÁ TRÌNH CHÁY THAN TR N Ứ Ộ

TRONG LÒ HƠI THAN PHUN HÌNH CHỮ W

LUẬN VĂN THẠC S K THU T Ỹ Ỹ ẬCHUYÊN NGÀNH K THUỸ ẬT NHIỆT

B GIÁO D Ộ ỤC VÀ ĐÀO TẠ O TRƯỜNG ĐẠ I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ọ Ộ

-

VŨ HỒNG SƠN

ĐỀ TÀI: NGHIÊN C U NÂNG CAO QUÁ TRÌNH CHÁY THAN TR N TRONG Ứ Ộ

LÒ HƠI THAN PHUN HÌNH CHỮ W

Chuyên ngành: K Thu t Nhi t ỹ ậ ệ

LUẬN VĂN THẠC S K THU T Ỹ Ỹ ẬCHUYÊN NGÀNH K THUỸ ẬT NHIỆT

NGƯỜI HƯỚNG D N: Ẫ

TS LÊ ĐỨC DŨNG

Hà N i – 2018 ộ

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan lu n văn này do tôi t ậ ự tính toán, thiết kế và nghiên

cứ u dư ớ i sự hướ ng d n t n tình c a thầy giáo TS LÊ Đ C DŨNG ẫ ậ ủ Ứ

Để hoàn thành lu n văn này, tôi đã tham khả ậ o và s d ng các tài liệu ử ụ trong mục tài li ệ u tham khả o, ngoài ra không s ử ụ d ng b t c ấ ứ tài li ệ u không đượ c li t kê nào khác ệ

Nếu sai, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Vũ Hồng Sơn

LỜI CẢM ƠN

Lu ận văn th ạ c sĩ v ớ i đ ề tài: “Nghiên cứu nâng cao quá trình cháy than trộ n trong lò hơi than phun hình ch W” đã đượ ữ c hoàn thành t i Vi n ạ ệ Khoa họ c và Công ngh Nhi t L nh, Trư ng Đ i h c Bách Khoa Hà Nội vào ệ ệ ạ ờ ạ ọ tháng 03 /201 8

Tôi xin chân thành cả m ơn Lãnh đ o Trư ng Đ ạ ờ ạ i h c Bách Khoa Hà ọ Nội, Việ n Đào t o Sau đ ạ ạ i học, Viện Khoa học và Công nghệ Nhi t ệ - L ạ nh và

đặ c bi t là giáo viên hướ ệ ng d n TS Lê Đ c Dũng cùng các thầy giáo trong ẫ ứ Viện Khoa học và Công nghệ Nhi t - Lạ ệ nh đã t n tình hướ ậ ng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hi n lu ệ ận văn.

Tôi xin cả m ơn Ban Lãnh đ o Ban QLDA Đi ạ ệ n lực Dầu khí Thái Bình

2, độ i ngũ Trư ở ng ca, kỹ thu t viên c ậ ủ a NMNĐ Vũng Áng 1 đã t o đi ạ ề u ki ệ n

và giúp đỡ tôi tìm hi u, gi i đáp các th c m c và cung c p các s liệu thiết kế ể ả ắ ắ ấ ố vận hành nhà máy trong su t ố quá trình thực hiện luận văn này.

Cuối cùng tôi xin kính chúc quý thầy, cô và gia đình luôn dồi dào sức khỏe và thành công trong sự nghiệp trồng người cao quý

Ngườ i th c hi n ự ệ

Vũ Hồ ng Sơn

DANH M C CÁC KÝ HI U VÀ CH CÁI VI Ụ Ệ Ữ Ế T T T Ắ

CFD : Công cụ tính toán động lực học lưu chất bằng phương pháp số

(Computational Fluid Dynamics)

NMNĐ : Nhà máy Nhiệt điện

PC : Công ngh ệ lò hơi đốt than phun (Pulverized Coal)

HHV : Nhiệt trị cao (Higher Heating Value)

LHV : Nhiệt trị thấp (Lower Heating Value)

ESP : Thiết bị lọ ục b i tĩnh điện (Electrostatic Precipttator System)

SCR : Thiết bị xử lý phát thải NOx (Selective Catalytic Reduction)

FGD : Thiết bị xử lý phát thải SOx (Flue Gas Desulfurization)

DANH M C CÁC B Ụ Ả NG

B ng 1.1 ả Nguồn than dự kiến cung cấp cho nhiệt điện theo quy hoạch 7

B ng 1.2 M c tiêu th nhiên liả ứ ụ ệu tương ứng với chế độ ụ ả ph t i 15

B ng 2.1 ả Đặc tính chất bốc và cốc của một số loại than 21

B ng 2.2 ả Năng lượng hoạt hóa của phản ứng C + O2 khi nhiệt độ cao

B ng 2.3 ả Phán đoán trạng thái cháy theo Sm và nồng độ 30

B ng 2.4 Di n tích b m t c a 1kg than vả ệ ề ặ ủ ới kích thước hạt khác nhau 35

B ng 2.5 Tả ốc độ không khí ra kh i vòi phun ỏ 39

B ng 4.1 Các thông s chính d nả ố ự g hình 3D lò hơi B&WB-028/17.43M 54

B ng 4.2 Ch ả ỉ tiêu đánh giá chất lượng của lưới 55

B ng 4.3 Thông s than dùng trong mô ph ng ả ố ỏ 56

B ng 4.4 Thông s u vào mô hình 100% t i ả ố đầ ở ả 57

B ng 4.5 ả Các phương pháp giải sử ụ d ng trong mô hình 59

B ng 5.1 ả Nhi t trung bình tệ độ ại các mặ ắt c t ngang trong buồng đốt lò

B ng 5.2 ả So sánh nhiệt độ trung bình tại các mặ ắt c t ngang trong bu ng ồ

B ng 5.3 ả So sánh kết quả cháy than trộn và than Hòn Gai 71

B ng 5.4 ả So sánh nhiệt độ trung bình tại các mặ ắt c t ngang trong bu ng ồ

B ng 5.5 ả So sánh kết quả cháy của than trộn trong các trường hợp 76

B ng 5.6 ả Bảng tính hàm lượng carbon cháy không hết trong tro 77

B ng 5.7 ả Entanpi của 1m3tc các khí và của 1 kg tro 78

B ng 5.8 ả Bảng tính tổn thất nhiệt lò hơi trong các trường hợp mô phỏng 78

DANH M C CÁC HÌNH V Ụ Ẽ , Đ Ồ TH Ị

Hình 1.1: Sản lượng điện theo Quy hoạch điện VII điều chỉnh 5 Hình 1.2: Công suất các nhà máy điện theo Quy hoạch điện VII điều chỉnh 6 Hình 1.3: Sơ đồ ấ ạo chung lò hơi than phun ọ ử c u t ng n l a hình W 13 Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý máy nghiền than NMNĐ Vũng Áng 1 15

Hình 2.2: Phân bố nồng độ oxy trên bề mặt trong quá trình cháy 29 Hình 2.3: Các trạng thái cháy của hạt than lớn theo nhiệt độ 32 Hình 2.4: Thay đổi trạng thái hạt than theo nhiệt độ 33

Hình 2.6: T l cháy t b t than anthraxit theo chi u dài ng n l ỷ ệ kiệ ộ ề ọ ửa 36 Hình 2.7: Ảnh hưởng c a nhiủ ệt độ ban đầu đế ốc độ ốc cháy.n t b 37 Hình 2.8: Ảnh hưởng của nồng độ ột than đế ố ộ b n t c đ phát tri n ng n l a ể ọ ử 38

Hình 4.2: Ba phương pháp cơ bản nghiên cứu cơ học chất lưu 47 Hình 4.3: Mô hình buồng đố D sau khi được chia lướt 3 i 55

Hình 5.1: Phân b vector t100% than Hòn Gai ố ốc đ ại mặ ắt đứng buồng đốt lò hơi khi cháy ộ t t c 60 Hình 5.2: Phân b nhiố ệt độ ại mặ ắt đứ t t c ng buồng đốt khi cháy than Hòn Gai 62 Hình 5.3: Phân b nhiố ệt độ ạ t i mặ ắt c t ngang bu ng t khi cháy than Hòn Gai ồ đố 62 Hình 5.4: S phân b t l khqua vòi đậự ố ỷ ệm khi cháy than Hòn Gai ối lượng các chất trong buồng đốt lò tại mặ ắt c t 64

Hình 5.5: Phân b tthan Hòn Gai ố ốc độ ph n ng cháy trên m t cả ứ ặ ắt đứng trong buồng đốt 65 Hình 5.6: Phân tích thời gian lưu của 1 vòi khi cháy than Hòn Gai 66 Hình 5.7: Phân tích qu ỹ đạo chuyển động của hạt trong khi cháy than Hòn Gai 67 Hình 5.8: So sánh phân b ố trường nhiệt độ ủ c a than tr n tộ ại mặ ắt đứt c ng D-2 68 Hình 5.9: So sánh phân b ố trường nhiệt độ ủ c a than tr n tộ ại mặ ắt c t ngang D 68

Hình 5.10: So sánh qu o chuyỹ đạ ển động của hạt than bi u th theo s ể ị ự thay đổi

Hình 5.11: So sánh s phân b t l khự ố ỷ ệ ối lượng khí CO 70 Hình 5.12: So sánh phân bố trường vận tốc của than trộn trong các phương án 71 Hình 5.13: So sánh quỹ đạo chuyển động của dòng trong các phương án 72 Hình 5.14: So sánh phân bố trường nhiệt độ của than trộn tại mặt cắt đứng trong các phương án 73

Hình 5.15: So sánh phân bố trường nhiệt độ của than trộn tại mặt cắt ngang D trong các phương án 73

Hình 5.16: So sánh s phân b nbuồng đốt ự ố ồng độ khí CO tại mặ ắt đứt c ng trung tâm 75 Hình 5.17: So sánh s phân b t l khự ố ỷ ệ ối lượng khí CO tại đầu ra của buồng đốt 75

M Ụ C LỤ C

M Ở ĐẦ U 1

1 Tính c p thi t cấ ế ủa đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Đối tượng và ph m vi nghiên c u 2ạ ứ 4 Ý nghĩa khoa học và thự ễ ủa đềc ti n c tài 2

5 N i dung nghiên c u c a luộ ứ ủ ận văn 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4

1.1 Vai trò của nhiệt điện đốt than 4

1.2 Các phương pháp nâng cao quá trình cháy than trộn 9

1.2.1 ng dỨ ụng ngoài nước 9

1.2.2 Nghiên c u tứ ại Việt Nam 11

1.3 Công ngh ệ lò hơi đốt than phun (Pulverized Coal PC)- 12

1.3.1 Nguyên lý làm việc của lò hơi 12

1.3.2 Ưu điểm của lò hơi đốt than phun ng n l a hình ch W 13ọ ử ữ 1.3.3 Đối tượng lò hơi được nghiên c u 14ứ CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUY T CHÁY THAN 19 Ế 2.1 Đặc tính c a than 19ủ 2.1.1 Thành ph n hóa hầ ọc của than 19

2.1.2 c tính công ngh c a than 20Đặ ệ ủ 2.2 Cơ sởlý thuyết cháy h t than 22ạ 2.3 Cơ chế ph n ng hóa hả ứ ọc của sự cháy carbon 22

2.3.1 Cơ chế ph n ả ứng 22

2.3.2 H ng s tằ ố ốc độ năng lượng hoạt hóa c a ph n ng gi a C và CO2 26ủ ả ứ ữ 2.4 Kh ng ch phố ế ản ứng cháy carbon 27

2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ ớ t i quá trình cháy than 31

2.6 Cháy theo ngọn lửa (cháy b t than) 34ộ 2.7 Các yế ố ảnh hưởng đếu t n quá trình b c cháy h t than 35ố ạ CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP TRỘN THAN 41

3.1 Phương pháp trộn đống 41

3.2 Phương pháp trộn trong Silo: 42

3.3 Phương pháp trộn đáy: 43

3.4 Phương pháp đốt tr n than bộ ằng vòi đốt phun 44

3.5 Phương pháp trộn than trên băng tải 44

CHƯƠNG 4: CÔNG CỤ MÔ PH NG QUÁ TRÌNH CHÁY THAN TR N Ỏ Ộ TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN VŨNG ÁNG 1 46

4.1 Công c mô phụ ỏng 46

4.1.1 T ng quan v CFD 46ổ ề 4.1.2 Cơ sở lý thuy t CFD trong mô hình cháy h t than 48ế ạ 4.2 Mô phỏng quá trình cháy than lò hơi NMNĐ Vũng Áng 1 53

4.2.1 Mô hình hình h ọc, chia lưới và nhập thuộc tính 53

4.2.2 Thi t lế ập điều ki n biên c a mô hình 55ệ ủ 4.2.3 Thi t lế ập mô hình vật lý, phương pháp giải và tính toán 58

CHƯƠNG 5: KẾ T QU MÔ PH NG VÀ TH O LU N 60 Ả Ỏ Ả Ậ 5.1 Nghiên cứu quá trình cháy than Hòn Gai bằng phần mềm mô phỏng CFD 60

5.1.1 Xác định trường tốc độ dòng h n h p b t than trong buỗ ợ ộ ồng đốt 60

5.1.2 Xác định trường nhiệt độ trong buồng đốt 61

5.1.3 Phân b s n ph m cháy bên trong buố ả ẩ ồng đốt 63

5.1.4 Phân b tố ốc độphả ứn ng cháy bên trong buồng đốt 64

5.1.5 S chuyự ển động và s t n t i cự ồ ạ ủa hạt than bên trong buồng đốt 66

5.2 Ảnh hưởng c a than trủ ộn đến quá trình cháy bên trong buồng đốt 67

5.2.1 Xác định trường nhiệ ột đ trong buồng đốt 5.2.2 Độ cháy ki t c a nhiên li u 69ệ ủ ệ 5.3 Ảnh hưởng của hệ ố không khí thừa và tỷ ệ gió cấp 2/cấp 1 đến quá trình s l cháy than tr n 71ộ 5.3.1 Xác định trường tốc độ dòng h n h p b t than trong buỗ ợ ộ ồng đốt 71

5.3.2 Xác định trường nhiệ ột đ dòng h n hỗ ợp bột than trong buồng đốt 72

5.3.3 Độ cháy ki t c a nhiên li u 74ệ ủ ệ 5.3.4 Hàm lượng Carbon cháy không h t trong tro 76ế 5.3.5 S ự ảnh hưởng đến hi u su t cệ ấ ủa lò hơi 77

K T LU N VÀ KI N NGH 81 Ế Ậ Ế Ị TÀI LI U THAM KH O 83 Ệ Ả

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Các nhà máy nhiệt điện đốt than đã và đang xây dựng Viở ệt Nam hi n nay, ệ

cơ bản s d ng công ngh ử ụ ệ lò hơi đốt than phun v i thông s c n t i h n và siêu t i ớ ố ậ ớ ạ ớ

h n v i ạ ớ quy công suất tổ máy từ 300 - 600 MW, nhiên liệu sử ụ d ng chính là than anthraxit (than nội địa)

Để đáp ứng nhu c u than ngày mầ ột tăng nhanh cho sản xuất điện, trong khi ngu n than s n xuồ ả ất trong nước không đủ đáp ứng, đồng thời chất lượng than c p cho nhiấ ệt điện có chiều hướng ngày càng gi m, vả ấn đề ấ c p thiết đặt ra là s ử

dụng hợp lý nguồn than nội địa và than nhập khẩu mà vẫn đảm bảo yêu cầu chất lượng than cho s n xuả ất điện Phương pháp tr n than v i t l tr n h p lý các ngu n ộ ớ ỷ ệ ộ ợ ồthan để cung c p cho các nhà máy nhiấ ệt điện đốt than trong suốt vòng đời nhà máy,

đạt hi u qu ệ ả cao theo hướng ổn định v ch ng lo i và chề ủ ạ ất lượng than, đồng th i ờnâng cao hi u suệ ất năng lượng cho các nhà máy nhiệt điện Hệ thống thi t bế ị ủ c a nhà máy đảm bảo vận hành ổn định, tin c y, lâu dài, giậ ảm tối đa chi phí đầu tư cải

t o thi t b công ngh t, nâng cao hi u qu s d ng nhiên li u ạ ế ị ệ đố ệ ả ử ụ ệ

Để ả gi i quy t vế ấn đề đặ t ra, c n nghiên c u b ng lý thuy t và b ng công c ầ ứ ằ ế ằ ụ

mô phỏng CFD ề quá trình cháy ủa than trộ , xác địv c n nh các y u t ế ố ảnh hưởng đến quá trình cháy, tạo cơ sở tin c y cho viậ ệc lựa chọn một số ả gi i pháp nâng cao hi u ệ

su t cháy than tr n trong buấ ộ ồng đốt than phun nhà máy nhiệt điện Việt Nam

Vì v y, viậ ệc lựa chọn đề tài “Nghiên c u nâng cao quá trình cháy than trứ ộn trong lò hơi than phun hình chữ W” để tìm ra các giải pháp, ứng dụng trong thực

t , lế àm chủ công nghệ đốt than trộn giữa than khó cháy và than dễ cháy, nhằm nâng cao hi u qu s d ng n ng l ng trệ ả ử ụ ă ượ ong các nhà máy đ ệ đối n t than Vi t Nam ở ệ

2 Mục đích nghiên cứu

a) Mục đích

- Nghiên cứu các phương pháp trộn than và các yếu tố ảnh hưởng đến quá

1

trình cháy c a than trủ ộn trong lò hơi than phun hình chữ W;

- Tổng hợp, phân tích các ết quả thu được khi thay đổi đ ều kiện cháy trong k i

lò hơi khi sử ụ d ng than trộn và đề xu t các gi i pháp nâng cao hi u qu cháy khi s ấ ả ệ ả ử

d ng than tr n ụ ộ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a) Đối tượng nghiên c u: ứ

Đối tượng nghiên cứu đặt ra trong lu n ậ văn này là lò hơi than phun hình ch ữ

W của Nhà máy Nhiệt điệ Vũng Áng 1 (2x600MW) tại xã Kỳ ợn L i – huyện KỳAnh – tỉnh Hà Tĩnh

b) Ph m vi nghiên c u ạ ứ

- Nghiên cứu đặc tính của than, cơ sở lý thuyết cháy than và các phương pháp

tr n than ộ đã và đang được áp dụng trong thực tế;

- Nghiên c u công ngh ứ ệ lò hơi đố t than phun ng n l a hình ch ọ ử ữW;

- Nghiên cứu quá trình cháy của than trộn trong lò hơi than phun hình chữ W

b ng công c ằ ụmô phỏng CFD;

- Tổng hợp phân tích kết quả nghiên cứu và đề xuất giải pháp nâng cao quá trình cháy c a than tr n ủ ộ

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- V mề ặt khoa học: Đề tài đã làm sáng tỏ được các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy khi s d ng than tr n i vử ụ ộ đố ới lò hơi hình chữ W

- V mề ặt thực tiễ Đưa ra giải pháp có tính khản: thi để nâng cao hiệu quả cháy

và nhìn nhận được xu hướng điều chỉnh lò hơi khi sử ụ d ng than tr n ộ

5 N ội dung nghiên cứu của luận văn

Mục đích chính của luận văn là nghiên cứu nâng cao quá trình cháy than trộn trong lò hơi than phun hình chữ W trong Nhà máy nhiệt điện đốt than ở Việt Nam

2

Trong đó, nội dung cụ thể luận văn là nghiên cứu ảnh hưởng của việc đốt than trộn đến quá trình cháy bên trong lò hơi của Nhà máy nhiệt điện Vũng Áng 1 Công cụ dùng để mô phỏng đánh giá quá trình cháy là phần mềm mô phỏng ANSYS FLUENT Luận văn đã đánh giá được 03 phương pháp đốt than trộn ở các điều kiện cháy khác nhau Các nội dung chính được trình bày trong luận văn như sau:

- Nghiên cứu nguyên lý, cấu tạo và chỉ ra được ưu điểm của công nghệ lò hơi than phun ngọn lửa hình W;

- Trình bày tóm tắt những lý thuyết cơ bản liên quan đến đặc tính của than, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy của than và các phương pháp trộn than;

- Nghiên cứu tổng quan về ứng dụng các công cụ mô phỏng CFD trong nghiên cứu các quá trình chuyển động chất lưu nói chung và quá trình cháy nhiên liệu trong lò hơi đốt than phun nói riêng;

- Dựa trên cơ sở lý thuyết cháy và các số liệu thực tế của NMNĐ Vũng Áng 1, luận văn đã mô phỏng được quá trình cháy than trộn trong lò hơi bằng phần mềm ANSYS FLUENT;

- Luận văn đã tiến hành nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của hệ số không khí thừa, tỷ lệ gió cấp 2/cấp 1 đến quá trình cháy bên trong lò hơi khi sử dụng than trộn 15% về nhiệt trị

3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Giới thiệu vai trò của nhiệt điện đốt than đối với sự phát triển kinh tế xã hội -

của Việt Nam, trữ lượng nguồn tài nguyên than trong nước, than nhập khẩu để làm nguyên liệu sơ cấp cung c p cho s n xuấ ả ất điện và t m quan tr ng c a vi c nâng cao ầ ọ ủ ệ

hiệu suất lò hơi, các nghiên cứ ứng dụng đã thực hiện trong và ngoài nướ ểu c đ tìm

ra gi i pháp áp d ng cho các nhà máy nhiả ụ ệt điện than của Việt Nam

1.1 Vai trò c ủa nhiệ t đi ện đố t than

Trong những năm gần đây, tốc độ tăng trưởng phụ ải điệ t n là rất lớn S n ảlượng điện s n xu t trong th i gian qua ch y u v n t các nhà máy th y đi n và ả ấ ờ ủ ế ẫ ừ ủ ệnhiệt điện khí (chu trình kết hợp khí, hơi) Tuy nhiên, với ố ột c đ tăng trưởng ph t i ụ ảnhư vậy mà s ố lượng các nhà máy th y đi n, nhiủ ệ ệt điện khí hi n nay s ệ ẽ không đủnguồn điện đểcung cấp, đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế xã hội và nhu cầu sinh -

ho t cạ ủa người dân

a) Cơ cấu nguồ n đi ện trong nướ c

Th ủ tướng chính phủ đã ra Quyết định số 428/QĐ-TTg ngày 18/3/2016, ềv

việc Phê duyệt điều chỉnh Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 –

2020 có xét đến năm 2030 (Quy hoạch điện VII điều ch nh [1]) V i m c tiêu s ỉ ớ ụ ử

d ng hi u ụ ệ quả nguồn năng lượng sơ cấp trong nước, kết hợp với nhập khẩu nhiên

liệu hợp lý nhằm da dạng hóa các nguồn năng lượng sơ cấp cho sản xuất điện C ụ

th theo quy hoể ạch như sau:

4

Năm 2020 (265 tỷ kWh) Năm 2025 (400 tỷ kWh) Năm 2030 (572 tỷ kWh)

Sản lượng điện theo Quy hoạch

Hình 1.1: Sản lượng điện theo Quy hoạch điện VII điều ch nh ỉ [1]

Thủy điện là nguồn phát điện quan trọng chiếm tỉ ọng lớn trong đảm bảo trcung cấp điện khi nhiệt điện chưa phát triển Thủy điện có giá thành điện năng có

th ểnói là rẻ ất so với các loại nguồn phát điện khác, nên đã được phát triển trước nh

và khai thác đã ếh t tiềm năng các dòng sông có thể xây d ng nhà máy th y đi n có ự ủ ệcông suất lớn Năm 2020, dự tính công su t 18.000MW (cấ ấp 18,25% điện năng), năm 2030 công suất 21.380MW (cấp 12,4% điện năng) Công suất các nhà máy

thủy điện năm 2030 chỉ tăng khoảng 3.000MW so với năm 2020, vì đã hết tiềm năng

Nhiệt điện khí có giá thành sản xuất điện cao hơn nhiệt điện than, tiềm năng cũng hạn ch Tr ế ữ lượng khí th gi i ch có th s dế ớ ỉ ể ử ụng được khoảng 50 năm nữa Năm 2020 nhiệt điện khí c p kho ng ấ ả 16,6% điện năng Năm 2030 ỉ ệ điện năng t l

cấp cũng tương tự, khoảng 16,8%, nhưng về giá trị tuyệt đối đã tăng từ 44 tỉ kWh lên 96 tỉ kWh và trong đó chúng ta đã phải nhập khí hóa l ng LNG cho s n xuỏ ả ất điện

Nguồn năng lượng tái tạo đã được quan tâm khai thác, phát triển, nhưng tiềm năng hạn ch , giá thành s n xuế ả ất điện cao hơn nhiệt điện than, di n tích chiệ ếm đất

lớn (gấp 3 4 lần so với nhiệt điện than với cùng mộ- t đơn vị công suất đặt) Dự tính

5

đến năm 2020 tổng công suất năng lượng tái t o là 5.940MW chiếm 9,9% tổng ạcông su t, (cung c p 17,2 t kWh) chiấ ấ ỉ ếm 6,5% điện năng hệ ống Năm 2030 tổ th ng công suất 26.500MW (tăng gấp kho ng 4,5 l n so vả ầ ới năm 2020) chiếm 21% (cung

cấp 61,2 tỉ kWh), chiếm 10,7% điện năng hệ ống Công suất tăng khoảng 4,5 lần thnhưng tỉ ệ điện năng tăng đượ l c 0,8%

Đến năm 2020, nhiệt điện than v i quy mô 25.620MW chi m 42,7% công ớ ế

suất, cấp 130,2 tỉ kWh chiếm 49,3% điện năng toàn hệ ống Năm 2030, nhiệt điệ th n than có t ng công su t 53.890MW chi m 42,6% t ng công su t, c p 304,3 tổ ấ ế ổ ấ ấ ỉ kWh chiếm 53,2 % điện năng toàn hệ ống Công suất nhiệt điện than năm 2030 so vớ th i năm 2020 cơ bản không thay đổ ỉ ệi t l % công su t 42,7% (2020) so v i 42,6% ấ ớ(2030), nhưng điện năng cung cấp tăng 10,6%

Như vậy, có th th y r ng ể ấ ằ trong tương lai, nhiệt điện than cung c p trên 50% ấđiệ năng toàn hệ ốn th ng và gi vai trò ch o trong vi c cung cữ ủ đạ ệ ấp điện cho s phát ựtriển và đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia

Năm 2020 (60.000 MW) Năm 2025 (96.500 MW) Năm 2030 (129.500 MW)

Công suất các nhà máy điện theo Quy hoạch

Hình 1.2: Công suất các nhà máy điện theo Quy hoạch điện VII điều chỉnh [1]

b) Nguyên nhân phát tri n c nhi ể ủa ệt điệ n than theo Quy ho ạch điện VII:

- Giá thành s n xuả ất nhiệt điện than th p (kho ng 7 cent Mấ ả ỹ/kWh);

- Vốn đầu tư xây dựng dự án không quá cao, thấp hơn thủy điện, điện mặt trời,

6

điện gió, điện h t nhân; ạ

- Kh ả năng huy động công su t l n nên sấ ớ ản lượng điện phát ra lớn;

- Không ph thu c vào v ụ ộ ị trí địa lý như thủy điện, điện gió, điện mặ ờt tr i;

- Th i gian xây dờ ựng cũng không quá lâu (khoảng 3 năm)

c) Ngu n ồ cung cấp than cho các nhà máy nhiệt điệ n

 Nguồn than trong nước

Theo quy ho ch phát tri n ngành than Viạ ể ệt Nam đến năm 2020, có xét triển

vọng đến năm 2030 tại Quyết định số 403/QĐ TTg của Thủ tướng chính phủ- [2], sản lượng than thương phẩm sản xuất toàn ngành trong các giai đoạn của quy hoạch như sau:

Bảng 1 : Nguồn than dự kiến cung cấp cho nhiệt điện theo quy hoạch1 [2]

Năm Đơn vị Nhu cầu than

cho nhiệt điện Quy hoạch khai thác S thi u h ản lượng ế ụt

2030 Tri u t n ệ ấ 131,1 55 – 57 74,1 – 76,1 Qua b ng 1 ta nh n thả 1 ậ ấy sản lượng than khai thác nội địa không đủ cung

cấp cho nhiệt điện than Đến năm 2030 sản lượng than khai thác chỉ đáp ứng được khoảng hơn 40% nhu cầu than cho sản xuất điện Vì vậy, lượng than thiếu hụt phải được bù đắp b ng than nh p kh u ằ ậ ẩ

Than nội địa mà chủ ế y u là than anthraxit có chấ ốc rất b t th p Theo TCVN ấ8910:2011, than khu vực Hồng Gai- Cẩm Phả có chấ ốc cao nhất cũng chỉ ớt b t i 6,5%, than M Khê: 5%, than Uông Bí, Vàng Danh: 2 4%, cá bi t có v a than có ạo - ệ ỉchấ ốt b c <2% (than mêtan anthraxit), nên rất khó cháy Những năm gần đây than

nội địa cấp cho các nhà máy nhiệt điệ nói chung đều có phẩm cấp thấp, chất lượn ng than không ổn định, độ tro c a than r t cao, (h u hủ ấ ầ ết > 30%) gây khó khăn rấ ớn t lcho việc tổ chức quá trình đốt cháy than

7

 Ngu n than nhồ ập khẩu

Tiềm năng tài nguyên than trên thế ới rất lớn Đến hết năm 2016 tổng trữ gilượng than toàn th gi i là 1.139.331 tri u tế ớ ệ ấn, trong đó than antraxít và bitum 816.214 triệu tấn (chi m 71,6%), than áế bitum và than non 323.117 triệu tấn (chiếm 28,4%) Theo báo cáo tổng quan về năng lượng thế ớ gi i [14] với mức sản lượng năm 2016 có thể còn khai thác trong 153 năm Xét trên mọi phương diện thì có 4 nước là Indonesia, Australia, Nga và Nam Phi được đánh giá cao nhấ ềt v kh ả năng cung c p than cho sấ ản xuất điệ ủn c a Vi t Nam trong hi n tệ ệ ại cũng như trong tương lai

Tuy nhiên, Nga và Australia có than chất lượng t t, giá thành thố ấp nhưng có

bất lợi là cung độ ận chuyển than từ các mỏ ra cảng biển quá xa, việ ấ v c đ u nối các khâu: mỏ đườ - ng sắt - cảng và v n t i biậ ả ển rất khó khăn, vị trí địa lý xa, khí hậu khắc nghiệt Nam Phi có than chất lượng tốt, chi phí thấp, nhưng chính sách không

lò kho ng 40 tả ỷ ấ t n Sản lượng than của Indonesia tăng liên tục trong th i gian qua ờTrong vòng 17 năm (1997 ÷ 2013) sản lượng than khai thác tăng 8,2 lần (bình quân tăng 14,2%/năm), than xuất khẩu tăng 8,3 lần (14,4%/năm) và than tiêu thụ trong nước tăng 5,5 lần (11,8%/năm) Tỷ ọ tr ng than xu t kh u chi m kho ng 75%, than ấ ẩ ế ảtiêu thụ trong nước kho ng 25% Than c a Indonesia, vả ủ ề chất lượng, tính theo nhiệt

tr m u ị ẫ khô (ADB, kcal/kg) được phân thành 4 nhóm: nhiệt tr rị ất cao (>7100); nhi t tr ệ ị cao (6100÷7100); nhiệ trị trung bình (5100÷6100); nhiệ trị ấp (<5100), t t th

s d ng r t tử ụ ấ ốt cho lò hơi nhà máy nhiệt điện [4]

d) Ý nghĩa củ a vi ệ c nâng cao hi ệu suất lò hơi nhà máy n ệt điện hi

- Ti t kiế ệm được nguồn năng lượng sơ cấp đang dần c n ki t; ạ ệ

8

- Tăng độ ổn định tin cậy và an ninh năng lượng trong cung cấp và sử ụ d ng than ở các NMNĐ đốt than nh p kh u; ậ ẩ

- Tăng độlinh hoạt trong vận hành các nhà máy nhiệt điện than Việt Nam (cho

c ả trường h p ch yợ ủ ếu dùng than nội địa và than nh p kh u); ậ ẩ

- Giảm bớt lượng dầu (dầu DO, FO) đốt phụ ợ cho các lò hơi đốt than khi tr

1992 Sau m t th i gian, chộ ờ ất lượng than cung cấp cho nhà máy này ngày càng kém, làm hi u qu cháy không t t, dệ ả ố ẫn đến giảm hiệu su t cấ ủa lò hơi Tây Ban Nha đã nhập thêm than bitum của Nam Phi để ộ tr n v i anthraxit, ớ

nhằm năng cao hiệu quả ủa quá trình cháy Nhà máy nhiệt điện Puente cNuevo có hai hệ ố th ng máy nghiền và đốt riêng than anthraxit trong nước và than bitum n p t Nam Phi Bhậ ừ ột than theo hai đường ng dẫ ới hai vòi đốt ố n tkhác nhau và làm việc song song Vòi đốt than anthraxit dẫn đến các van

buồng đốt phun úc xuch ống tạo ngọn lửa hình W, còn vòi đốt than bitum đặt

ở tường trước và tường sau cùng phun ngang vào buồng đố ạt t o ng n l a ọ ửhình L Cách bố trí vòi đốt như vậy đòi hỏi thêm máy nghiền và hệ th ng ốnghiền riêng cho than bitum Ngoài ra, việc đưa thêm vòi đốt vào sẽ làm thay đổi quá trình cháy cũng như khí động h c c a ng n l a Đi u này, ch có nhà ọ ủ ọ ử ề ỉsản xuất lò hơi mới làm được, thành ra cách làm của Tây Ban Nha khó áp

d ng vụ ới Việt Nam, song cách làm này rất đáng được tham kh o ả

9

b Hàn Quốc là nước có than anthraxit nội địa tương tự than của Việt Nam nhưng sản lượng thấp và không đều nên hàng năm vẫn nh p kh u than ậ ẩanthraxit của nước ta, than bitum của Úc và á bitum của Nga, Mỹ, Nam Phi, Columbia và Indonesia Trong bối cảnh đó, nghiên cứu đốt than được Hàn

Quốc tiến hành chính tại lò hơi đang sử ụ , [6] Các lò hơi này trước đây d ngđược thi t kế ết đốt than anthraxit, bitum hoặc á bitum, tức là lò hơi đốt than

bột hoặc lò hơi lớp lỏng tầng sôi Tuy nhiên than nhập khẩu chủ ếu ở đây là ybitum và á bitum, t ng c ng nh p kh u kho ng 16 tri u tổ ộ ậ ẩ ả ệ ấn/năm Tỷ ệ l nh p ậ

khẩu thay đổi theo từng năm Năm 2010 chủ ếu củ y a Indonesia là 48%, Úc là 33% trong khi của Mỹ ỉ ch có 12% và của Nga 1% Nhưng đến năm 2012, tỷ

l nhệ ập khẩu than của Indonesia chỉ còn 33%, của Úc còn 29% trong khi của

M ỹ tăng lên 17% và Nga tăng lên 9% Ở đây, tất nhiên có giá trị nhiệt trị làm

việc cao nhất, ví dụ ủa Indonesia thì nhiệt trị là 5258 kcal/kg, của Úc là c

5985 kcal/kg, của Mỹ là 5179 kcal/kg và c a Nga là 3795 kcal/kg và củ ủa Nam Phi là 6045 kcal/kg và Columbia là 6076 kcal/kg Hàn Quốc đã đốt thử nghiệm than trộn trên các nhà máy đã có sẵn Tại Nhà máy nhiệt điện Dang-jin có 5 nhà máy nhỏ Trong đó, tổng công suất của các nhà máy 1,2 và 3 là 3.000 MW, m i nhà máy có 2 tỗ ổ máy, mỗi t máy 500 MW Công su t nhà ổ ấmáy số 4 là 2.000 MW, g m hai t ồ ổmáy, mỗ ổi t máy 1.000 MW Hiện, người Hàn đang xây dựng nhà máy th ứ năm, với công su t 2.000 MW, g m 2 t ấ ồ ổmáy T l ỷ ệ đốt than trộ ở các nhà máy này là than bitum và than á bitum sửn

dụng là 50 50% Tỷ ệ than trung bình của hai tổ máy nhà máy số 5 dự ến - l ki

là 17 tri u tệ ấn/năm, còn 8 tổ máy của 4 nhà máy kia tiêu th 13 triụ ệu

tấn/năm Số lượng than tiêu thụ ở đây, ví dụ năm 2012, là 13.325 nghìn tấn

và lượng điện s n xu t ra là 33.596 kWh K t quả thu đượ ế ỷ ệ ộả ấ ế c n u t l tr n là 50% thì đố ới v i các thi t b tro thì không c n ph i s a ch a, thay th thi t b ế ị ầ ả ử ữ ế ế ịnhưng với 60% than bitum và 40% á bitum, bắt đầu ph i c i t o thi t b và ả ả ạ ế ị

nếu 70% than á bitum, mứ ộc đ cải tạo thiết bị ẽ tăng cao hơn Như vậy, việc s tăng tỷ l ệ than á bitum cũng đồng nghĩa với việc phải cải tạo thiết bị ố, đ i với

10

nhà đầu tư, đây là điều quan tr ng Cho nên, chọ ỉ tính riêng năm 2012, Nhà máy Dang-jin đã tăng tỷ ệ l than bitum và giảm tỷ ệ l á bitum xu ng, k t quố ế ả

một năm tính cho 33 tỷ kWh điện đã tiết kiệm được 81 triệu USD Đốt than trộn, người Hàn Quốc đã đạt được trong chính Nhà máy điện Dang-Jin là giảm chi phí nhiên liệu trong sản xuất điện, cũng như đảm bảo việc vận hành

ổn định c a h th ng nghiủ ệ ố ền than, đảm b o h th ng th i tro x , b i v i m i ả ệ ố ả ỉ ở ớ ỗquy trình đốt khác nhau cho ra lượng x khác nhau Mỉ ột điều không kém quan tr ng là kh c phọ ắ ục đóng tro xỉ rong lò hơi và giảm carbon trong tro để tsau này có th tái s d ng tro ể ử ụ

1.2.2 Nghiên c ứu tạ i Vi t Nam ệ

Những kết quả nghiên cứu ban đầu của Việt Nam được xem như giải pháp

c u cánh cho vứ ấn đề nguyên liệu đầu vào của các nhà máy nhiệt điện than, trong b i ố

c nh nhiên liả ệu đầu vào g p khó ặ

Loại than đốt được thiết kế theo dây chuyền công ngh các nhà máy nhi t ệ ệđiện có s n hiẵ ện nay đang giảm m nh và s không còn n a Các nhà máy nhiạ ẽ ữ ệt điện

đốt than bu c ph i tr n m t s ộ ả ộ ộ ố lượng than trong nước khó cháy v i than nh p kh u ớ ậ ẩ

d ễ cháy để giảm giá thành nhiên liệu, nâng cao hiệu quả kinh tế Rút kinh nghiệm

của Nhật Bản, Hàn Quốc, nước ta đã thử nghiệm đốt than trộn tại nhà máy điện Ninh Bình, tỷ ệ ộn thay đổ l tr i là 5 30% than á bitum c a Indonesia - ủ - loại than có chấ ốt b c cao, d ễ cháy so với than anthraxit của Việt Nam Nghiên cứu được tiến hành theo Đề tài KC.05.25/11-15 do PGS TS Trương Duy Nghĩa - H i Khoa h c ộ ọ

K thu t Nhi t Vi t Nam (VTA), th c hi n ỹ ậ ệ ệ ự ệ

Kết quả thu được bằng thực nghiệm đã tính toán được hiệu suất lò hơi tăng từ1-4% Trong trường hợp này, độ ịn than cho phép giảm Điều đó có nghĩa, ta có m

th nghiể ền than theo kích thước to hơn như là 90 micron Do đó, năng suất của máy nghiền than tăng lên và đấy là một ưu điểm Bởi một khi năng suất của máy nghiền than tăng lên thì điện năng tiêu thụ cho vi c nghi n than gi m đi, mà v n cháy t t ệ ề ả ẫ ố

Một điều n a, khi khữ ởi động đốt lò hơi bao giờ cũng phải có ph t i t i thi u, không ụ ả ố ể

11

kèm dầu giảm đi 10% Tức là trước đây thiết k là 65% thì bây gi gi m xuống ế ờ ả55%, đó một ưu điểm c a viủ ệc đốt tr n than, [6] ộ

Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy, khi trộn mộ ỷ ệt t l nhất định gi a than ữ

nhập khẩu với than nộ ịi đ a, có thể nâng cao hiệu suất của các lò hơi dùng than bột

và có th áp dể ụng cho các lò hơi khác dùng chế độ đố t tầng sôi từ 1-3% Đ ềi u này cũng tương ứng v i vi c chúng ta có th ti t ki m đư c t 1-3% nguớ ệ ể ế ệ ợ ừ ồn than để ử s dụng cho các nồi hơi của các nhà máy nhiệt điện Tính nhanh, hiện nay các nhà máy

đốt than c a Vi t Nam dùng h t kho ng 33 tri u tủ ệ ế ả ệ ấn than/năm Nếu đốt than tr n ta ộnâng được hiệu suất lò hơi ít nhất lên 1% thì có thể ết kiệ ti m được 330.000 tấn than Hiện nay cơ chế các nhà máy đi n cho phép t ch , nên vi c các nhà máy thích ng ệ ự ủ ệ ứnhanh v i viớ ệc chuyển đổi sang đốt than trộn, điều này sẽ ạo ra môi trườ t ng cạnh tranh lành m nh, giúp gi m giá s n xuạ ả ả ất điện M t khác, khi k t quặ ế ả này được áp

dụng đại trà cho tất cả các nhà máy nhiệt điện than của nước ta, có thể ết kiệm tiđược khối lượng than tương đố ới l n, mang l i hi u qu kinh t và phù h p v i b i ạ ệ ả ế ợ ớ ốcảnh nước ta đang phải nhập khẩu than và giá than nhập khẩu đang thấp hơn giá than nội địa

1.3 Công ngh ệ lò hơi đố t than phun (Pulverized Coal - PC)

Công nghệ lò hơi đốt than phun PC đã và đang được sử ụ d ng r ng rãi trong ộcác NMNĐ đốt than Việt Nam Năm 2013, có 9/14 NMNĐ đốt than s dử ụng lò hơi

PC vớ ổi t ng công su t lấ ắp đặt là 3.380 MW, chi m 63% trong t ng s ế ổ ố NMNĐ đốt than Năm 2015, số NMNĐ đốt than phun tăng lên 16/24 nhà máy (chiếm 78,6%) với tổng công suất lắp đặt là 9.895MW/12.591MW công suất đặt của các NMNĐ đốt than [8]

1.3.1 Nguyên lý làm vi ệc của lò hơi

Không khí được qu t gió (c p 1/cạ ấ ấp 2) đưa qua bộ ấy không khí và đượ s c

sấy nóng đến nhiệt độ nhất định Bột than được nghiền mịn thông qua máy nghiền than và hệ ống gió nóng cấp bột than (gió cấp 1) được phun vào buồng lửa qua thvòi phun để ế ti n hành quá trình cháy nhiên li u và chuyệ ển hóa năng lượng hóa h c ọ

12

sang nhiệt năng của kh i và bố ức xạ nhi t trong bu ng l a ệ ồ ử

Nước trong các ống sinh hơi được h p th nhi t ấ ụ ệ và sinh hơi được đưa vào bao hơi Hơi ra khỏi bao hơi là hơi bão hòa được đưa tớ ội b quá nhiệt để gia nhi t ệthành hơi quá nhiệt và được đưa vào tuabin

Khói ra khỏi bộ quá nhiệt đối lưu vẫn còn nhiệt độ cao, vì v y ngưậ ời ta đặt thêm bộ hâm nước, bộ ấ s y không khí t n d ng nhi t thậ ụ ệ ừa của khói th i Qu t khói ả ạ

để hút khói th i ra khả ỏi lò hơi và đưa qua hệ th ng kh NOx (SCR), h th ng l c ố ử ệ ố ọ

bụi tĩnh điện (ESP) và h th ng kh ệ ố ử lưu huỳnh (FGD) trước khi đi vào ống khói

Hình 1.3: Sơ đồ ấ ạ c u t o chung lò hơi than phun ng n l a hình W [9] ọ ử

1.3.2 Ưu điểm của lò hơi đốt than phun ngọn lửa hình chữ W

- Trung tâm ngọn lửa hình chữ W rất gần với đầu ra của vòi phun bột than, điều này s r t thu n l i cho vi c b t l a bẽ ấ ậ ợ ệ ắ ử ột than (đặc bi t là lo i than x u, ệ ạ ấchấ ốt b c th p); ấ

- Vòm lò ở tường trước tường sau đều có tác dụng như những cuốn lò phản xạ

13

dòng nh t cung ciệ ấp một ph n nhi t cho sầ ệ ự ắ b t cháy của dòng h n hỗ ợp bột than và gió u vào vòi phun; ở đầ

- D ễdàng sử ụng loại vòi phun kiểu phân dòng đậm đặ d c để có lợi cho việc

b t l a; ắ ử

- Tăng chiều dài ngọn lửa có nghĩa là tăng thời gian lưu lại của hạt bột than trong buồng lửa có lợi cho việc nâng cao hiệu suất cháy Điều này cực kì quan trọng đố ới các loại v i than x u; ấ

- Vì có thể điều chỉnh phân đoạn cấp gió và nồng độ ột than ở đầu ra của vòi bphun nên loại lò hơi ngọn l a hình ch W có khử ữ ả năng thích ứng với loại than khá r ng và sộ ự thay đổi phụ ải tương đố t i rộng, nói cách khác tính năng điều tiết tương đố ối t t;

- D ễphân cấ phân phối gió (cấp gió), cháy phân đoạn, và có thể điều chỉp, nh,

khống chế quá trình cháy ở ạng thái hệ ố không khí thừ tr s a bé và đảm bảo hệ

s phát th i khí NOx th p ố ả ấ

1.3.3 Đối tượng lò hơi được nghiên cứ u

Đối tượng mà tác gi l a chả ự ọn để nghiên c u công ngh ứ ệ lò hơi đốt than phun

trực tiếp ngọn lửa hình chữ W, tuần hoàn tự nhiên là NMNĐ Vũng Áng 1 ới tổv ng công suất 1.200 MW(2x600MW) Nhà máy s d nử ụ g than cám 5 ội địa trong nướ n c

với lượng tiêu thụ 2,9 triệu tấn/năm và đã đi vào vận hành từ năm 2014 đóng góp bình quân cho lưới điện qu c gia 7,2 t kố ỷ Wh/năm Nhà máy đã lắp đặ ệ ốt h th ng tr n ộthan trên băng tải và trong tương lai nhà máy sẽ ử ụ s d ng than trộn để nâng cao hi u ệ

su t cấ ủa lò hơi [9] H ệthống c p nhiên li u và h thấ ệ ệ ống lò hơi của nhà máy như sau: a) H th ng c p nhiên li u ệ ố ấ ệ

Than vận chuyển từ cảng vào kho thông qua hai cầu trục hút than và hệ thống băng tải đến các máy đánh đống Hai máy đánh đống nhận than từ các băng tải và đánh thành đống vào kho than

Hai kho than khô, mỗi kho có sức chứa khoảng 200.000 tấn gồm 01 máy đánh đống và 02 máy phá đống chính/phụ Than từ kho than được phối trộn qua các máy

14

phá đống than kiểu lưỡi cào, hệ thống băng tải than, tháp chuyển và cấp lên bunker thông qua hệ thống rót than vào bunker

Than từ các bunke được đưa xuống 12 máy cấp than băng tải kiểu trọng lực r

và được chuyển tới 06 máy nghiền than (A, B, C, D, E, F) Than vào mỗi máy nghiền được trộn chung với gió cấp 1 rồi đưa đến 04 vòi than

Bảng 1.2: Mức tiêu thụ nhiên liệu tương ứng với chế độ phụ tải [9]

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý máy nghiền than NMNĐ Vũng Áng 1 [9]

và cháy Dòng loãng gồm 15%÷10% than nghiền + 50% gió cấp một phun vào lò qua vòi phun loãng phía bên dưới

Hình 1.5: Cấu tạo vòi đốt than H-PAX [9] Mỗi một vòi đốt được trang bị một bộ đánh lửa đặt bên trong hộp gió cấp hai

Bộ đánh lửa này có thể đẩy vào bên trong lò để đánh lửa, sau khi mồi lửa cho vòi dầu xong nó được kéo ra khỏi lò bằng cơ cấu khí nén để tránh bị hỏng bộ đánh lửa

do quá nhiệt

Ngoài ra cạnh mỗi vòi đốt than có lắp một vòi đốt dầu kèm dùng để đốt dầu lúc khởi động lò hay khi vận hành lò ở tải nhỏ hơn 60% tải (vận hành bình thường) Vòi đốt dầu kèm có cơ cấu Xilanh Píttông bằng khí nén để đẩy vào- bên trong lò khi vận hành dầu hoặc kéo ra khỏi lò khi không vận hành dầu

Vòi đốt còn có đường hơi để tán sương dòng dầu lúc khởi động, hệ thống hơi thông thổi vòi trước và sau khi khởi động lò bằng dầu Vòi dầu khởi động có thể đưa tải lò lên đến 30% tải

16

Hình 1.6: Hình dạng ngọn lửa trong buồng đốt [9] c) Qu t gió c p m t ạ ấ ộ

Quạt gió cấp một lấy gió từ môi trường, đường gió ra sau quạt được chia làm

2 nhánh, nhánh thứ nhất đi qua bộ sấy hơi để nâng cao nhiệt độ tránh đọng sương gây ăn mòn cho bộ sấy không khí kiểu quay và một đường đi tắt qua hai bộ sấy này (gió lạnh) tới các hệ thống sau đây [9]:

- Cấp tới bộ sấy không khí, tại đây gió cấp một được sấy nóng tới nhiệt độ yêu cầu và được đưa tới máy nghiền để sấy than trong quá trình nghiền và vận chuyển than bột tới các vòi đốt

- Cấp gió theo đường đi tắt qua bộ sấy không khí tới các quạt gió chèn máy nghiền, tới đường ống gió lạnh để điều chỉnh nhiệt độ gió cấp một trước khi vào máy nghiền, ngăn chặn việc cháy trong máy nghiền và trên đường ống hỗn hợp than bột - gió nóng

d) Qu t gió chính ạ

Quạt gió chính cấp hai lấy gió từ môi trường đưa qua bộ sấy hơi rồi đến bộ sấy không khí kiểu quay để nâng nhiệt độ lên đến khoảng 3500C, gió nóng cấp hai được phân phối đến các hộp gió cấp hai phía trên rồi cấp đến từng vòi đốt cung cấp

17

Oxy cho quá trình cháy Một phần gió nóng cấp 2 phân phối đến hộp gió nhỏ hơn bên dưới đưa đến các vòi phun để điều chỉnh trung tâm buồng đốt cũng như làm nguội phần phễu lò tránh bị đóng xỉ, nó đóng vai trò như là gió cấp 3,[9]

18

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHÁY THAN 2.1 Đặc tính củ a than

Hyđrô là thành phần cháy quan trọng của nhiên liệu rắn, khi cháy toả ra nhiệt lượng 144.500 kJ/kg Nhưng lượng hyđrô có trong thiên nhiên rất ít Trong nhiên liệu lỏng hyđrô có nhiều hơn trong nhiên liệu rắn

Lưu huỳnh là thành phần cháy trong nhiên liệu Trong than lưu huỳnh tồn tại dưới ba dạng: liên kết hữu cơ Shc, khoáng chất Sk, liên kết sunfat Ss Lưu huỳnh hữu

cơ và khoáng chất có thể tham gia quá tŕnh cháy gọi là lưu huỳnh cháy Sc Còn lưu huỳnh sunfat thường nằm dưới dạng CaSO4, MgSO4, FeSO4 , những liên kết này không tham gia quá trình cháy mà chuyển thành tro của nhiên liệu

Vì vậy: S = Shc + Sk + Ss (%)

= Sc + Ss (%) Nhiệt trị của lưu huỳnh bằng khoảng 1/3 nhiệt trị của carbon Khi cháy lưu huỳnh sẽ tạo ra khí SO2 hoặc SO3 Lúc gặp hơi nước SO3 dễ hoà tan tạo ra axit

H2SO4 gây ăn mòn kim loại Khí SO2 thải ra ngoài là khí độc nguy hiểm vì vậy lưu huỳnh là nguyên tố có hại của nhiên liệu

Oxy và Nitơ là những chất trơ trong nhiên liệu rắn và lỏng Sự có mặt của Oxy và Nitơ làm giảm thành phần cháy của nhiên liệu làm cho nhiệt trị của nhiên

19

liệu giảm xuống Nhiên liệu càng non thì Oxy càng nhiều Khi đốt nhiên liệu, nitơ không tham gia quá trình cháy, chủ yếu chuyển thành dạng tự do ở trong khói

Tóm lại trong nhiên liệu than có các thành phần C, H, O, S, N, A, M, Trong đó:

A (tiếng anh là Ash) là độ tro,

M (tiếng anh là Moisture) - độ ẩm

C + H + S + O + N + A + M = 100%

2.1 2 Đặ c tính công ngh c a than ệ ủ

Để phù hợp hơn với nhu cầu thực tế trong đánh giá chất lượng than, người ta còn đánh giá, phân loại than theo các đặc tính công nghệ mà những đặc tính đó phản ánh khả năng cháy của than Gồm có các thành phần sau: Độ ẩm (moisture) hoặc (M); Chất bốc (volatile matter) (V); Cốc (fixed carbon) (FC); Độ tro (ash) (A)

M+ V+ FC + A = 100 %

• Độ ẩm trong than và dầu “M”

(M-Moisture): Bất kỳ một loại nhiên liệu rắn nào cũng chứa một lượng nước gọi là độ ẩm của nhiên liệu Nó là thành phần không tham gia quá trình cháy của nhiên liệu Sự có mặt của độ ẩm làm cho thành phần cháy giảm đi, giảm nhiệt trị của nhiên liệu Ngoài ra khi nhiên liệu cháy cần phải tiêu hao một số lượng nhiệt để làm độ ẩm bốc thành hơi nước

Phần độ ẩm duy trì trên bề mặt than và có thể thoát ra khỏi bề mặt than khi để trong không khí khô 300C gọi là độ ẩm ngoài Trong nhiên liệu còn có độ ẩm trong là

độ ẩm bền vững không tách khỏi nhiên liệu ở điều kiện không khí khô

Độ ẩm toàn phần của than được xác định bằng cách sấy nhiên liệu trong tủ sấy

ở nhiệt độ 1050C cho đến khi trọng lượng nhiên liệu không thay đổi Phần trọng lượng mất đi gọi là độ ẩm nhiên liệu Thực ra ở nhiệt độ 1050C chưa đủ để thải hoàn toàn độ

ẩm ra khỏi nhiên liệu với một số loại độ ẩm trong như ẩm tinh thể, thường phải ở nhiệt

độ 500- 8000C mới thoát ra ngoài được

20

• Độ tro trong than “A” (A- Ash mineral matter)

Các vật chất ở dạng khoáng chất trong than khi cháy biến thành tro, sự có mặt của chúng làm giảm thành phần cháy nghĩa là làm giảm nhiệt trị của than Tỉ lệ tro trong than ảnh hưởng rất lớn đến tính chất cháy của than như: giảm nhiệt trị của than, gây nên mài mòn bề mặt ống hấp thụ nhiệt, bám bẩn làm giảm hệ số truyền nhiệt qua vách ống, Ngoài ra một đặc tính quan trọng nữa của tro ảnh hưởng lớn đến quá trình làm việc của thiết bị cháy là độ nóng chảy của tro

• Chất Bốc của than (Volatile matter V)

Khi đem đốt nóng nhiên liệu trong điều kiện môi trường không có Oxy thì mối liên kết các phân tử hữu cơ bị phân huỷ Quá trình đó gọi là quá trình phân huỷ nhiệt Sản phẩm của phân huỷ nhiệt là những chất khí được gọi là "Chất bốc" và kí hiệu là

VC %, bao gồm những khí Hydro, Cacbuahydro, Carbon xyt, Carbonic O

Bảng 2.1: Đặc tính chất bốc và cốc của một số loại than [10]

Nhiên liệu Nhiệt độ bắt đầu

• Thành phần cốc trong than (Fixed Carbon FC):

Chất rắn còn lại (đ trừ đi độ tro) của than sau khi bốc hết chất bốc thì được gọi ã

là cốc của than Cốc là thành phần chất cháy chủ yếu của than Tính chất của cốc phụ thuộc vào tính chất của các mối liên hệ hữu cơ có trong các thành phần cháy Nếu cốc

ở dạng cục thì gọi là than thiêu kết (than mỡ, than béo), nếu cốc ở dạng bột thì gọi là than không thiêu kết (than đá, than Anthraxit) Than có nhiều chất bốc thì cốc càng xốp,

than càng có khả năng ph n ứnả g cao, carbon không những dễ bị Oxy hoá mà còn dễ

21

bị hoàn nguyên khí CO2 thành khí CO Than gầy và than Anthraxit không cho cốc xốp khi cháy, cho nên chúng là loại than khó cháy Tuỳ thuộc khả năng thiêu kết của than

mà than có màu sắc khác nhau Than không thiêu kết có màu xám, than ít thiêu kết

có màu ánh kim loại

Độ bền của than phụ thuộc vào độ xốp của cốc, than càng xốp t độ bền càng hì

bé than càng dễ nghiền

• Nhiệt trị của than (HHV/LHV):

Nhiệt trị của than là nhiệt lượng phát ra khi cháy hoàn toàn 1 kg than, kí hiệu bằng chữ Q (kJ/kg) Nhiệt trị của than được phân thành nhiệt trị cao (Higher Heating Value) và nhiệt trị thấp (Lower Heating Value)

Than Anthraxit ở việt nam là than có thành phần cốc lớn nhiệt trị cao, tuy nhiên hàm lượng chất bốc lại thấp nên rất khó bắt cháy

2.2 Cơ sở lý thuyết cháy hạt than

Quá trình phả ứng trên bề mặt hạt than là sự xâm nhập của các phần tử oxy n vào bề mặt các tinh thể carbon do có các phần tử hấp thụ hóa học trên bề mặt hạt carbon

Phản ứng hóa học dị pha trên bề mặt bao gồm các bước chính sau:

- Oxy bắt buộc phải khuếch tán lên bề mặt hạt than;

- Các phần tử oxy được khuếch tán lên bề mặt cần phải hấp thụ;

- Các phân tử oxy được hấp thụ tiến hành các phản ứng hóa học và hình thành sản phẩm cháy;

- Sản phẩm cháy phải tách khỏi bề mặt;

- Khuếch tán sản phẩm cháy đã tách khỏi bề mặt

Rõ ràng là tốc độ phản ứng cháy phụ thuộc vào giai đoạn tiến hành chậm nhất trong các giai đoạn nói trên

2.3 Cơ chế phản ứng hóa học của sự cháy carbon

2.3.1 Cơ chế phản ứng

Quá trình cháy hạt carbon là quá trình cháy dị pha khí và rắn Quá trình phản ứng giữa oxy và carbon xảy ra trên bề mặt hấp thụ của hạt carbon Nhiệt lượng phát

22

ra của quá trình cháy chủ yếu là nhiệt phản ứng hóa học Phản ứng được coi là phản ứng sơ cấp và cho rằng CO2, CO đều là sản phẩm sơ cấp, nghĩa là:

2CO O+ =2CO +57,1.10 ;kJ (2.4) Trong quá trình cháy hạt carbon, cả phản ứng sơ cấp lẫn phản ứng thứ cấp đều xảy ra xen kẽ nhau và đều là những phản ứng hóa học cơ bản của sự cháy carbon

Song carbon không thể tiến hành hoàn toàn theo phản ứng (2.1) và (2.2) vì khi gần bề mặt hạt có tồn tại hơi nước có thể xảy ra các phản ứng sau:

Rõ ràng quá trình cháy hạt carbon xảy ra bằng nhiều phản ứng phức tạp, trong đó loại nào là chủ yếu còn tùy thuộc vào điều kiện cụ thể về nhiệt độ, áp suất

và thành phần thể khí

Ví dụ ở nhiệt độ cao và áp suất khí quyển thì CH4 rất dễ hấp thụ nhiệt để phân giải thành 2H2 và C, vì vậy phản ứng (2.8) có tốc độ phản ứng thuận rất nhỏ nên có thể bỏ qua

Nhưng sau khi ta tăng áp suất, nếu trong chất khí có nhiều H2 thì phản ứng thuận lại tăng lên và không thể bỏ qua được

Cho tới nay tồn tại ba lý thuyết cho rằng sản phẩm cháy của phản ứng sơ cấp của quá trình cháy hạt carbon như sau:

- Sản phẩm cháy của phản ứng sơ cấp là CO2, còn CO trong sản phẩm cháy chỉ là sản phẩm của phản ứng giữa CO2 và C

- Sản phẩm cháy của phản ứng sơ cấp là CO, còn CO2 trong sản phẩm cháy chỉ là do CO tác dụng với O2ở bề mặt mà có

- Cho rằng đầu tiên phản ứng cho ta hợp chất cacbuahydro không ổn định:

2

y

xC + O = C OSau đó va đập phân tử mà bị phân giải thành CO2 và CO:

2

x y

C O = mCO + nCO

Tỷ lệ phần trăm giữa hai loại phụ thuộc vào nhiệt độ Thông thường khi nhiệt

độ tăng thì tỷ lệ m/n cũng tăng lên

Cả 3 lý thuyết trên hiện vẫn còn đang được tranh luận, tuy nhiên lý thuyết đang được sử dụng phổ biến nhất là lý thuyết thứ ba và theo đó có ba trường hợp xảy ra:

a) Khi nhiệt độ thấp hơn 1300 o C

Thực nghiệm cho rằng phản ứng C + O2 là phản ứng cấp 1 và tỷ lệ với sản phẩm cháy CO/CO2= 1 Lúc đó cả phân tử oxy xâm nhập vào các tinh thể carbon

và tạo thành hợp chất:

2 3 4

24

Do nhiệt độ không cao nên khả năng phân hủy nhiệt của C3O4 không cao mà vào trạng thái ổn định, nhưng khi các phân tử oxy có năng lượng cao va đập thì sẽ xảy ra phản ứng phân hủy:

b) Khi nhiệt độ cao hơn 1600 o C

Khi nhiệt độ cao hơn 1600oC thì tùy tỷ lệ va đập của các phân tử oxy có năng lượng cao giữa các tinh thể carbon tăng lên rất nhiều nhưng tác dụng giải phóng các phân tử oxy bị hấp thụ vào các tinh thể cũng tăng lên Vì vậy khi nhiệt độ cao hơn

1600oC thì hầu hết các phân tử oxy không dung nạp vào các tinh thể carbon

Thực nghiệm cho rằng cấp phản ứng lúc đó là cấp “0” và tỷ lệ sản phẩm cháy là CO/CO2 = 2 Đồng thời lúc đó hợp chất khí không ổn định nhờ sự tác động của nhiệt độ cao sẽ tự phân hủy theo:

2 2

c) Khi nhiệt độ nằm trong khoảng 1300 o C đến 1600 o C

Phản ứng đồng thời xảy ra theo cơ chế hấp thụ vào các tinh thể và trên các bề mặt Tỷ lệ phần trăm sản phẩm phản ứng tùy thuộc vào điều kiện thực tế và được xác định bằng cách tổng hợp cả hai phản ứng (2.11) và (2.12)

Tuy nhiên trong thực tế khi này nồng độ oxy trên bề mặt không cao nên phản ứng cháy có thể dùng công thức (2.14) để biểu thị và phản ứng được coi là phản ứng bậc 1

Ở đây cần lưu ý rằng quá trình cháy than và cốc trong thực tế không phải là cháy ở trạng thái các tinh thể hoàn chỉnh mà là tổ hợp các hạt nhỏ, bề mặt của nó cũng rất phức tạp

Năng lượng hoạt hóa tương đối cao, đặc biệt trong đó có cốc hoạt tính có năng lượng hoạt hóa thấp hơn 29.104 kJ/mol

Thông thường ở nhiệt độ cao năng lượng hoạt hóa của phản ứng C + O2 là 12,5.104 ~ 19,9.104 kJ/mol

2.3.2 H ằng số ốc độ năng lượng hoạ t t hóa c ủa phản ứ ng gi a C và CO ữ 2

Như đã thấy ở (2.3) phản ứng giữa C và CO2 là phản ứng thu nhiệt, đầu tiên

CO2 hấp thụ vào các tinh thể carbon hình thành hợp chất không bền vững, sau đó phân giải nhiệt thành CO Thực nghiệm cho thấy, khi nhiệt độ thấp hơn 400oC thì

CO2 chỉ hấp thụ vật lý trên bề mặt mà không có bất kỳ một phản ứng hóa học nào, chỉ khi nào nhiệt độ cao hơn 700oC thì mới thấy xuất hiện CO và bậc phản ứng là bậc không “0” Khi nhiệt độ cao hơn 950oC thì bậc phản ứng chuyển từ bậc “0” sang bậc “1” Nhiệt độ cao hơn nữa thì tốc độ phản ứng chủ yếu phụ thuộc vào phản ứng hóa học và lúc ấy bậc phản ứng sẽ là bậc 1:

Bảng 2.2: Năng lượng hoạt hóa của phản ứng C + O2 khi nhiệt độ

3.1066,9.1067,9.1073,7.1081,6.1093,1.1010Thạch mặc thiên nhiên

Thạch mặc nhân tạo

18,4.10421,8.104

4.1062,5.108Thông thường năng lượng hoạt hóa của phản ứng giữa CO2 và C là 16,8.104

Trong đó: β là tỷ số toán hóa học giữa tiêu hao carb và oxy.on

Vì phản ứng cháy carbon là phản ứng hóa học không đồng pha cho nên tốc

độ phản ứng không chỉ phụ thuộc vào bản thân phản ứng hóa học mà còn phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán các phân tử oxy lên bề mặt hạt Nếu giả thiết nồng độ oxy tại môi trường xa là C∞ thì lưu lượng oxy khuếch tán lên bề mặt hạt sẽ là:

Trong đó α là hệ số truyền chất oxy khuếch tán lên bề mặt hạt carbon d

Trong điều kiện cân bằng thì lượng oxy truyền t bề mặt bằng lượng oxy bị ới tiêu hao để cháy, ta có:

27

2 2

- Khi k << α , lúc đấy d 1 1

d

k>>α , nghĩa là trở lực phản ứng hóa học lớn hơn rất nhiều trở lực khuếch tán oxy trên bề mặt sẽ không cao, tốc độ phản ứng hóa học thấp và ta có thể viết:

2 .

O S

28

Quá trình cháy đó là quá trình cháy động học, yếu tố ảnh hưởng chủ yếu là tốc độ phản ứng hóa học

- Khi k =α , trường hợp này cả hai yếu tố phản ứng hóa học và khuếch tán d

oxy đều không được bỏ qua, lúc đó phải dùng công thức (2.21) để tính tốc độ tiêu hao nhiên liệu Quá trình cháy lúc này được gọi là cháy trong vùng quá độ

0 < CS < C∞

Hình 2 trình bày quan hệ giữa tốc độ cháy 1 carbon và nhiệt độ, còn hình 2.2 trình bày sự phân bố oxy ở lân cận bề mặt hạt carbon

Có hai tiêu chuẩn để phán đoán trạng thái cháy là:

Tiêu chuẩn Xemenov:

d m

m d

kD

Và đồng thời cũng dùng nồng độ để phán đoán trạng thái cháy

Hình 2.1: Tốc độ cháy hạt than theo

nhiệt độ [10]

1.Vùng động học; 2 Vùng quá độ;

3 Vùng khuếch tán

Hình 2.2: Phân bố nồng độ oxy trên bề

mặt trong quá trình cháy [10] 1.Vùng động học; 2 Vùng quá độ;

3 Vùng quá độ ; 4.Vùng khuếch tán

29