12 Trang 12 DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu/Chữ cái Đơn vị Ý nghĩa C 10-2k.l Tỷ lệ carbon trong nhiên liệu V 10-2 k.l Tỷ lệ chất bốc trong nhiên liệuA 10-2k.l Tỷ lệ tr
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-
NGUYỄN THANH HÙNG
TRONG LÒ HƠI NGỌN LỬA HÌNH CHỮ W
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Hà Nội, 2018
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-
NGUYỄN THANH HÙNG
TRONG LÒ HƠI NGỌN LỬA HÌNH CHỮ W
Chuyên ngành Kỹ thuật nhiệt
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu, tính toán và thiết kế của tôi dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Lê Đức Dũng Để hoàn thành bản luận văn này tôi đã sử dụng các tài liệu tham khảo Các kết quả nghiên cứu trong luận văn hoàn toàn trung thực và chưa công bố ở bất kỳ công trình nào
Hà Nội, ngày 05 áng 11 th năm 2018
Học viên
Nguyễn Thanh Hùng
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ với đề tài: “Nghiên cứu giảm thiểu khí phát thải NO x trong lò
hơi ngọn lửa hình chữ W” đã được hoàn thành trong thời gian từ tháng 02 năm
2017 đến tháng…năm 201 tại Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt Lạnh, Trường 8 Đại học Bách Khoa Hà Nội
Tác giả xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt Lạnh, đặc biệt là - giáo viên hướng dẫn TS Lê Đức Dũng, và các Thầy giáo, Cô giáo trong Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt Lạnh đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá - trình thực hiện luận văn
Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến gia đình và người thân
đã khuyến khích, động viên và là chỗ dựa tinh thần cho tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn
Hà Nội, ngày 05 tháng 11 năm 2018 Tác giả
Nguyên Thanh Hùng
Trang 5MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I
LỜI CẢM ƠN II
MỤC LỤC III
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VI
DANH MỤC CÁC BẢNG IX
DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT X
MỞ ĐẦU 1
TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: 1
MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU: 2
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU: 3
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4
1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA VIỆC XỬ LÝ NOX: 4
Nhiệt điện đốt than ở Việt Nam: 4
Lượng khí NO x thải ra hàng năm: 5
Các tác hại của NO x : 6
1.1.3.1 Ảnh hưởng của NOxđến môi trường [6]: 6
1.1.3.2 Ảnh hưởng của NOxđến sức khỏe con người [6]: 7
Yêu cầu về môi trường: 7
1.2 THỰC TRẠNG CỦA VIỆC XỬ LÝ NOX: 9
1.2.1 Lò hơi đốt than phun (Pulverized Coal - PC): 10
1.2.2 Hệ thống khử NO x của các nhà máy nhiệt điện và hiệu quả: 12
1.2.3.2 Tính toán lượ ng phát th ả i NO x khi đố t cháy than: 16
1.2.3.3 Đánh giá kết quả tính toán thu được: 18
KẾT LUẬN 19
CHƯƠNG 2: CƠ CHẾ HÌNH THÀNH NOX TRONG LÒ HƠI ĐỐT THAN PHUN NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 20
2.1 CƠ CHẾ HÌNH THÀNH NOX: 20
2.1.1 Cơ chế hình thành NO x theo nguyên lý phân hủy nhiệt: 22
2.1.2 Cơ chế hình thành NO x nhiên liệu: 23
2.1.2.2 Lộ trình chủ yếu của NH 3 trong N chất bốc bị oxy hóa: 25
2.1.2.3 Dưới nhiệt độ cháy thông thường, NO x nhiên liệu chủ yếu là từ N chất bốc: 26
2.1.2.4 Phân hủy NO x : 26
Trang 62.1.4 Khống chế sự hình thành NO x khi đốt than: 27
ẢNH HƯỞNG CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐỐT ĐỐI VỚI SỰ PHÁT THẢI NOX: 28
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU NOX TRONG CÁC NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN 31
3.1 THAY ĐỔI ĐIỀU KIỆN CHÁY: 31
3.1.1 ĐỐT HỆ SỐ KHÔNG KHÍ THỪA THẤP: 31
3.1.2 Đốt phân cấp không khí: 32
3.1.3 Đốt phân cấp nhiên liệu: 33
3.1.4 Tái tuần hoàn khói: 34
3.1.5 Vòi phun bột than có nồng độ NO x thấp: 35
A VÒI PHUN ĐỐT NOX THẤP KIỂU DRBCỦA CÔNG TY MỸ B&W(BABCOCK &WILCOX): 36
B VÒI PHUN ĐỐT NOX THẤP KIỂU HT NR- CỦA BABCOCK ITACHI–H : 37
C VÒI PHUN ÍT NOX PHÂN CẤP NHIÊN LIỆU ĐỂ CHÁY: 38
D VÒI PHUN KIỂU MSMCỦA HÃNG STEINMULLER: 38
E VÒI PHUN ÍT NOX KIỂU PM VÀ DM CỦA HÃNG MITSUBISHI EAVY H INDUSTRIES: 39
F VÒI PHUN CỦA NMNĐ HÁI ÌNH T B 2: 40
3.1.6 Giảm NO x bằng URE trong lò đốt (SNCR): 42
3.2 XỬ LÝ NOX SAU KHI CHÁY: 43
3.2.1 Hấp thụ bằng nước: 43
3.2.2 Hấp thụ bằng kiềm: 43
3.2.3 Hấp thụ chọn lọc: 44
3.2.4 Phương pháp hấp thụ đồng thời SO 2 và NO x : 44
3.2.5 Phương pháp xúc tác và nhiệt: 44
3.2.6 Phương pháp có xúc tác và nhiệt độ cao: 44
3.2.7 Phương pháp xúc tác có chọn lọc: 45
3.2.8 Phương pháp thiêu hủy: 46
4.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CFD: 49
4.1.1 Mô hình cháy hạt than trên phần mềm ANSYS Fluent: 50
4.1.1.1 Mô hình dòng chảy rối: 52
4.1.1.2 Mô hình bức xạ: 53
4.1.1.3 Mô hình cháy bột than: 54
4.1.1.4 Mô h ình hình thành NO x : 56
4.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY BỘT THAN VÀ SỰ HÌNH THÀNH NOX TRÊN PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ANSYS F LUENT: 63
4.2.1 Xây dựng mô hình buồng đốt 3D: 63
4.2.2 Điều kiện biên đầu vào của mô hình: 65
4.2.3 Thiết lập mô hình tính toán: 67
4.2.4 Quy trình chạy bài toán mô phỏng: 70
Trang 74.3.1 S hình thành NO ự x cho than Hòn Gai: 71
4.3.1.1 S hình thành NO theo t ự ừng cơ chế : 74
4.3.2 Ả nh hư ở ng c a t l ủ ỷ ệ trộ n đ ế n sự hình thành NO: 84
KẾT LUẬN 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO 94
Trang 8DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ bố trí các hệ thống xử lý khói thải của lò hơi PC 11
Hình 1.2: sơ đồ nguyên lý h th ng kh NOệ ố ử x của NMNĐ Vũng Áng 1 14
Hình 1.3: Hệ số hoạt động của chất xúc tác theo thời gian 18
Hình 2.1: Quan hệ giữa lượng NOxthải ra với phương thức đốt 21
và sản lượng lò [4] 21
Hình 2.2 Tương quan lượng NOx sinh ra từ 3 cơ chế theo nhiệt độ [4] 22
Hình 2.3: Biểu thị quá trình phân hủy N trong nhiên liệu thành 23
N chất bốc và N cốc [4] 23
Hình 2.4: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tỷ lệ chuyển hóa Nitơ [4] 24
Hình 2.5: Lộ trình chủ yếu phản ứng oxy hóa HCN[4] 25
Hình 2.6: Lộ trình chủ yếu phản ứng oxy hóa NH3[4] 25
Hình 2.7: Biểu thị lộ trình phản ứng phân hủy NOx [4] 26
Hình 2.8 Biểu đồ cơ chế hình thành NOx 28
Hình 2.9: Giá trị NOx phát thải ban đầu cùng với mức độ cần giảm NOx để đạt tiêu chuẩn bảo vệ môi trường 29
Hình 3.1: Quan hệ giữa tỷ lệ hệ số không khí thừa với hàm lượng than trong tro bay và NOx trong khói 32
Hình 3.2: Sơ đồ bố trí miệng vòi phun OFA trong buồng lửa đặt vòi than ở tường trước 33
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý đốt phân cấp nhiên liệu 34
Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống tái tuần hoàn khói 35
Hình 3.5 Nguyên lý vòi phun phân cấp gió 36
Hình 3.6: Vòi phun kiểu DRB (Mỹ) 37
Hình 3.7: Vòi phun kiểu MSM của hãng Steinmuller 39
Hình 3.8: Vòi phun kiểu PM 40
Hình 3.9: Vòi phun của BCWC dùng cho NMNĐ Thái Bình 2 40
Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý bố trí vòi phun và mặt cắt ngang buồng lửa 42
Hình 3.11: Nguyên lý khử NOxbằng URE trong lò đốt 43
Hình 4.1 Định nghĩa CFD 49
Hình 4.2 Ba hướng nghiên cứu cơ học chất lưu chính 50
Hình 4.3 Cơ chế ấ ả t t c N c c chuy n thành HCN 60 ố ể Hình 3.4 Cơ chế ấ ả t t c N c c chuy n thành NO 60 ố ể Hình 4.5 Tất cả N cốc chuy n hóa thành NHể 3 61
Hình 4.6 Cơ chế ấ ả t t c N c c chuy n thành NO 62 ố ể Hình 4.7 Mô hình 3D buồng đốt lò hơi 64
Hình 4.8: Giao diện và các thi t lậ ủế p c a mô hình pha phân tán trên ph n m m ầ ề ANSYS FLUENT 68
Hình 4.9: Giao diện các thi t lế ập c a mô hình rủ ối trên phần m m ANSYS FLUENTề 69
Trang 9Hình 3.10: Giao diện và các thi t lậ ủế p c a mô hình b c xạứ trên ph n m m ANSYS ầ ề
FLUENT 69
Hình 4.11: Giao diện và các thi t lậ ủế pc a mô hình cháy than tr n trên ph n m m ộ ầ ề ANSYS FLUENT 70
Hình 4.12 Sự phân b nố ồng độ NO theo t l mol 71 ỷ ệ Hình 4.13 Sự phân bố nhiệt độ trên mặt cắt dọc theo chiều cao buồng đốt 72
Hình 4.14 Sự phân b nố ồng độ O2 theo khối lượng trên m t cặ ắt dọc theo chi u cao ề buồng đốt 72
Hình 4.15 Phân bố ốc độ t hình thành NO trên m t c t dặ ắ ọc theo chi u cao buề ồng đốt (kgmol.m-3.s-1) 73
Hình 4.16 Sự hình NO theo từng cơ chế trên m t c t dặ ắ ọc theo chi u cao buề ồng đốt (kgmol.m-3.s-1) 74
Hình 4.17 Sự hình thành NO theo từng cơ chế trên m t c t ngang qua cặ ắ ụm vòi loãng (kgmol.m-3.s-1) 75
Hình 4.18 Sự hình thành c a HCN(a) và NHủ 3(b) trên mặt c t ắ theo chi u cao bu ng ề ồ đốt 76
Hình 4.19 Sự hình thành HCN(a) và NH3(b) trên mặt cắt ngang qua cụm 76
vòi loãng 76
Hình 4.20 Vùng hoàn nguyên NO nhiên liệu 77
Hình 4.21 Cơ chế hình thành/hoàn nguyên NO nhiên li u trong 78 ệ ng n l a than phun 78 ọ ử Hình 4.22 Tốc độ cháy char trên mặt cắt dọc theo chiều cao buồng đốt 79
Hình 4.23 Sự phân bố nhiệt độ trên mặt cắt ngang qua cụm vòi loãng 80
Hình 4.24 Sự phân bố nồng độ O2trên mặt cắt ngang qua cụm vòi loãng 80
Hình 4.25 Sự phân bố tốc độ cháy char trên mặt cắt ngang qua cụm vòi loãng 81
Hình 4.26 Sự thay đổ ố ội t c đ hình thành NO nhi t trên đư ng AB 81 ệ ờ Hình 4.27 Sự thay đổ ố ội t c đ hình thành NO nhiên liệu trên đường AB 82
Hình 4.28 Sự thay đổ ố ội t c đ hình thành NO tổng trên đường AB 82
Hình 4.29 Sự thay đổi tốc độ thoát chất bốc trên đường AB 82
Hình 4.30 Sự thay đổi tốc độ cháy char trên đường AB 83
Hình 4.31 Sự thay đổi nồng độ O2trên đường AB theo khối lượng 83
Hình 4.32 Sự thay đổi nhiệt độ trên đường AB 83
Hình 4.33 Sự phân bố nồng độ NO trên mặt cắt dọc cho các trường hợp trộn khác nhau 84
Hình 4.34 Sự phân bố nồng độ tại mặt ra buồng đốt 85
Hình 4.35 Sự phân bố nhiệt độ trên mặt cắt dọc cho các trượng hợp trộn 85
khác nhau 85
Hình 4.36 Sự phân bố nồng độ O2 trên mặt cắt dọc cho các trượng hợp trộn khác nhau 86
Trang 10Hình 4.37 Vùng hình thành NO nhiên liệu trên mặt cắt dọc cho các trường hợp trộn (kgmol.m-3.s-1) 88 Hình 4.38 Vùng hoàn nguyên NO nhiên liệu trên mặt cắt dọc cho các trường hợp trộn (kgmol.m-3.s-1) 89 Hình 4.39 Vùng hình thành NO nhiên liệu trên mặt cắt ngang cho các trường hợp trộn (kgmol.m-3.s-1) 89 Hình 4.40 Vùng hoàn nguyên NO nhiên liệu trên mặt cắt ngang cho các trường hợp trộn (kgmol.m-3.s-1) 90 Hình 4.41 Tốc độ thoát chất bốc trong các trường hợp trộn khác nhau 90 Hình 4.42 Sự hình thành NO nhi t trong các trư ng h p tr n khác nhau (kgmol.m-ệ ờ ợ ộ3.s-1) 91
Trang 11DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Dự kiến cân đối cung cầu than sau khi điều chỉnh [7] 5
Bảng 1.2: Ước tính phát thải khí NOxhàng năm do đốt than [3] 6
Bảng 1.3: Nồng độ khí thải công nghiệp nhiệt điện theo loại nhiên liệu sử dụng [2] 8 Bảng 1.4: Thông số than của NMNĐ Thái Bình 2 [8] 12
Bảng 1.5: Thông số than của NMNĐ Vũng Áng 1 14
Bảng 1.6: Thông số vận hành của hệ thống SCR [20] 15
Bảng 3.1 Thông số hình học của buồng đốt 63
Bảng 3.2 Ch ỉ tiêu đánh giá chất lượng lưới 64
Bảng 3.3 Đặc tính nhiên liệu dùng trong mô phỏng 65
Bảng 3.4 Điều ki n biên 66 ệ Bảng 3.5 Tốc độ hình thành NO theo từng cơ chế 75
Bảng 3.6: Kết quả mô phỏng tính nồng độ NO 87
Bảng 3.7 Mức độ cháy kiệt của hạt than 87
Trang 12DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT
C 10-2(k.l) Tỷ lệ carbon trong nhiên liệu
V 10-2 (k.l) Tỷ lệ chất bốc trong nhiên liệu
A 10-2(k.l) Tỷ lệ tro trong nhiên liệu
N 10-2 (k.l) Tỷ lệ Nitrogen trong nhiên liệu
S 10-2 (k.l) Tỷ lệ lưu huỳnh trong nhiên liệu
H 10-2 (k.l) Tỷ lệ hydrogen trong nhiên liệu
W 10-2 (k.l) Tỷ lệ ẩm trong nhiên liệu
Trang 14MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài:
Theo quy hoạch điện VII hiệu chỉnh tháng 3 năm 2016 của Việt Nam[ , giai 1]đoạn 2015 2030 điện năng sản xuất từ nhiệt điện than luôn tăng và chiếm tỷ trọng -lớn nhất trong cơ cấu nguồn điện Các nhà máy nhiệt điện đốt than đã và đang xây dựng ở Việt Nam hiện nay, cơ bản sử dụng công nghệ lò hơi đốt than phun với thông số cận tới hạn và siêu tới hạn quy công suất tổ máy từ 300 - 600 MW, nhiên liệu sử dụng là than antraxit (than nội địa) và một số sử dụng than bitum và á bitum (than nhập khẩu) Tương lai tiếp theo quy mô công suất tổ máy dự kiến nâng lên đến 1000 MW Các lò hơi đốt than phun đã được thiết kế chế tạo đốt than ổn định, song hiệu suất còn thấp, tỷ lệ carbon chưa cháy hết trong tro còn cao Đặc biệt là đối với các lò hơi đốt than antraxit Việt Nam, loại than cháy ít khói, hàm lượng carbon (C) trong than cao, song chất bốc (V) thấp, hàm lượng tro xỉ (A) cao nên khó bắt cháy và khó cháy kiệt, hàm lượng độc hại như lưu huỳnh (S), nitơ (N) trong than cao Chính vì vậy, hiện nay, thành phần carbon còn lại trong tro xỉ ở các nhà máy nhiệt điện cũ đều rất cao như: Phả Lại: 12-18%, Ninh Bình: 15 -35%, Uông Bí cũ: 30 40%, ); Các nhà máy mới xây dựng như Phả Lại 2, Uông Bí mở rộng 1, - vẫn chưa khắc phục được các nhược điểm trên của than antraxit Việt Nam, hàm lượng C còn lại trong tro vẫn cao (trên 12%), tại nhà máy nhiệt điện Vũng Áng 1 với công nghệ tiên tiến và công suất tổ máy là 600 MW thì hàm lượng C còn lại trong tro (do không cháy hết) vẫn ở mức cao so với số liệu tính toán thiết kế Ngoài
ra, quá trình cháy than antraxit còn tạo ra lượng lớn các khí độc hại như SOx, NOx, gây áp lực lên môi trường xung quanh và đòi hỏi các nhà máy phải trang bị các hệ thống kiểm soát, xử lý khói thải hiệu quả cao
Gần đây, các lò hơi mới ở nhà máy nhiệt điện đốt than Việt Nam đều sử dụng dạng ngọn lửa hình W, nhằm kéo dài thời gian cháy của hạt than để hạt than cháy kiệt hơn, nâng cao độ ổn định và hiệu suất lò Đối với nguồn nguyên liệu than có chất lượng thấp hơn (than cám 5b hoặc than cám 6), sử dụng công nghệ đốt tầng sôi tuần hoàn để đảm bảo quá trình cháy cũng như giảm thiểu các tác hại của khói thải đến môi trường
Trang 15Các nghiên cứu lý thuyết cháy ứng dụng đã chỉ ra rằng, để nâng cao hiệu hiệu quả sử dụng than ít chất bốc cần phải giải quyết các vấn đề kĩ thuật cơ bản sau:+ Bảo đảm bắt lửa sớm, ổn định;
+ Bảo đảm hiệu suất cháy cao, cháy kiệt;
+ Hạn chế và loại bỏ đóng xỉ buồng lửa;
+ Đề phòng ăn mòn nhiệt độ cao;
+ Giảm chất phát thải khí và các thành phần ô nhiễm khác
Đây là những vấn đề kĩ thuật phức tạp, có ảnh hưởng lẫn nhau, phải nghiên cứu và chọn lựa các giải pháp phù hợp, tối ưu và đặc biệt phải lưu ý đến biện pháp nhằm giảm thiểu nồng độ khí độc hại SOx, NOx trong khói thải (đáp ứng nồng độ phát thải quy định tại QCVN 22:2009/BTNMT)
Từ những trình bày trên đây có thể nhận thấy, ngoài vấn đề nâng cao độ tin cậy trong vận hành và đặc biệt là hiệu suất cháy than antraxit Việt Nam đồng thời chúng ta phải giải quyết các vấn đề liên quan đến môi trường bằng cách ứng dụng các giải pháp nâng cao hiệu quả xử lý khói thải và tối ưu về mặt kỹ thuật – kinh tế
Để giải quyết vấn đề đặt ra, cần nghiên cứu bằng lý thuyết và bằng mô phỏng CFD quá trình cháy bột than, xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy, tạo cơ sở tin cậy cho việc lựa chọn một số giải pháp nâng cao hiệu suất cháy antraxit trong buồng đốt than phun nhà máy nhiệt điện Việt Nam, đồng thời nghiên cứu các cơ chế hình thành khí độc hại NOx trong quá trình cháy, thực trạng và giải pháp xử lý khí
NOx trong khói thải nhà máy nhiệt điện đốt than
Với lý do trình bày trên đây có thể nhận thấy, việc lựa chọn đề tài: “Nghiên
cứu giảm thiểu khí phát thải NOx trong lò hơi ngọn lửa hình chữ W” có ý nghĩa thực tiễn
Mục đích nghiên cứu:
Mục đích nghiên cứu của luận văn: Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm (bằng mô hình CFD) quá trình hình thành NOx trong buồng đốt lò hơi nhà máy nhiệt điện
Trang 16Trên cơ sở kết quả thu được, đề xuất và lựa chọn giải pháp nâng cao hiệu quả cháy antraxit Việt Nam đồng thời giảm thiểu sự phát thải khí NOx trong buồng đốt than phun nhà máy nhiệt điện
Để đạt đuợc mục đích nêu trên, quá trình nghiên cứu đề tài cần giải quyết những nhiệm vụ cụ thể sau đây:
- Nghiên cứu tổng quan sự hình thành và các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát thải khí NOx trong quá trình cháy;
- Nghiên cứu sự hình thành khí NOx trong sản phẩm cháy trên mô hình mô phỏng;
- Tổng hợp phân tích kết quả nghiên cứu và đề xuất lựa chọn giải pháp giảm thiểu NOx trong buồng đốt lò hơi ngọn lửa hình chữ W nhà máy nhiệt điệnVũng Áng 1
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Quá trình cháy than nói chung và cháy than antraxit nói riêng hết sức phức tạp
và rất rộng lớn, cả về đối tượng và phạm vi nghiên cứu Vì vậy, đối tượng nghiên cứu đặt ra trong luận văn này là buồng đốt than phun tại nhà máy nhiệt điện Vũng Áng 1 và phạm vi nghiên cứu là ảnh hưởng của một số yếu tố đến quá trình cháy và
sự hình thành khí NOx làm cơ sở cho việc đề xuất lựa chọn giải pháp giảm thiểu khí phát thải NOx trong nhà máy nhiệt điện lò hơi ngọn lửa hình chữ W
Phương pháp nghiên cứu:
Để giải quyết vấn đề đặt ra luận văn đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu
lý thuyết kết hợp với mô hình mô phỏng
- Nội dung nghiên cứu lý thuyết: Các cơ chế hình thành khí NOx trong quá trình cháy; Ảnh hưởng của hàm lượng Nitơ (N) trong than; Tính toán lượng phát thải trong sản phẩm cháy của giải pháp mới
- Nội dung nghiên cứu trên mô hình mô phỏng: sử dụng phần mềm CFD cho
quá trình cháy than phun và nồng độ khí NOx trong buồng đốt Từ đó có so sánh, đánh giá và kết luận hiệu quả và đưa ra giải pháp
Trang 17CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Tính cấp thiết của việc xử lý NOx:
Nhiệt điện đốt than ở Việt Nam:
Quy hoạch điện VII đã dự báo tổng tiêu thụ điện năng Việt Nam tăng trưởng ở mức 11,1%/năm giai đoạn 2016 2020 và 7,8%/năm giai đoạn 2020, - -2030 tương ứng với sản lượng điện dự báo đạt 230.924 GWh năm 2020 và 495.853 GWh vào năm 2030 Theo đó, tổng công suất phát điện ước tính đạt 52,04 GW vào m 2020 nă
và 110,2 GW vào năm 2030 với tổng công suất đặt các nhà máy nhiệt điện đốt than (NĐĐT) tăng nhanh và mạnh mẽ đến năm 2020 đạt khoảng 36.000 MW, chiếm 46,8% sản lượng điện sản xuất và tiêu thụ khoảng 67,3 triệu tấn than,và năm 2030 công suất đặt các NĐĐT đạt 75.000MW, chiếm 56,4% sản lượng điện sản xuất Công suất này giảm xuống còn 30.482MW và 57.585 MW tương ứng trong quy hoạch điện 7 điều chỉnh [1]
Nhu cầu than cho sản xuất điện năm 2020 khoảng 63 triệu tấn; năm 2025 khoảng 95 triệu tấn than và năm 2030 sẽ khoảng 129 triệu tấn than Do nguồn than sản xuất trong nước hạn chế, không đủ cung cấp, nên một số nhà máy nhiệt điện tại các trung tâm điện lực: miền Trung và miền Nam như: Vĩnh Tân, Duyên Hải, Long Phú, Sông Hậu, Long An vv sẽ sử dụng nguồn than nhập khẩu Như vậy, giai đoạn 2015-2030 nhiệt điện than có vai trò đặc biệt quan trọng trong cơ cấu phát triển hệ thống điện Việt Nam, chiếm tỷ trọng lớn về công suất và điện năng, vượt xa các nguồn khác như dầu khí, thủy điện và năng lượng tái tạo
Với công suất đặt và điện năng sản xuất như trên, NMNĐ đốt than cần lượng than rất lớn Khả năng cung cấp than nội địa và than nhập khẩu cho sản xuất điện được trình bày trong bảng 1.1
Trang 18Bảng 1.1: Dự kiến cân đối cung cầu than sau khi điều chỉnh [7]
Đơn vị: triệu tấn
2.Tổng nhu cầu 28 3842 6272 9198 114138 Nhu cầu ngoài điện 16 18 2022 2224 2428 Than cho điện 12 2024 4250 6874 90110
2030 Để cung cấp than ổn định cho các nhà máy nhiệt điện, ngoài việc phải nhập khẩu than cần đẩy mạnh đầu tư, khai thác than nội địa Chủng loại than nội địa chủ yếu vẫn là sử dụng than cám 5, cám 6 được quy định tại TCVN: 8910-2011
Từ những dữ liệu trình bày trên đây, có thể kết luận là: than đang và sẽ là loại nhiên liệu sơ cấp quan trọng cho sản xuất điện năng ở Việt Nam Vì vậy, vấn đề nghiên cứu nâng cao hiệu quả sử dụng than, các giải pháp nâng cấp và giảm thiểu ô nhiễm môi trường ở các NMNĐ đốt than vẫn đang là vấn đề cấp thiết
Lượng khí NOxthải ra hàng năm:
Khí NOx là tên gọi chung của các oxyde nitơ gồm các chất NO, NO2, N2O,
N2O5 Trong đó, khi đề cập đến vấn đề môi trường, chúng ta thường quan tâm chủ yếu đến NO, NO2 chúng được gọi chung là NOx (và một lượng nhỏ N2O)
Theo số liệu tính toán của báo cáo đánh giá môi trường chiến lược của Quy hoạch điện 7 lượng khí NOxtrong khí thải nhà máy nhiệt điện than theo các năm là:
Trang 19Bảng 1 2: Ước tính phát thải khí NOxhàng năm do đốt than [3]
Đơn vị: tấn
Nhiên liệu than
Khí NOx 35.240,6 49.642,9 80.128,2 105.248,9 151.428 Nhiên liệu dầu
Như vậy, vấn đề giảm phát thải NOxlà một vấn đề hết sức cấp bách hiện nay
Các tác hại của NOx:
1.1.3.1 Ảnh hưởng của NO x đến môi trường [6]:
NOxchỉ ảnh hưởng đến thực vật khi nồng độ của nó đủ lớn Người ta thấy ở vùng đô thị hóa cao, nồng độ NOx đạt khoảng 3,93ppm, sự quang hợp của thực vật chỉ giảm đi 25%
Trong không khí NOx đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì nồng độ ozone Ozone được hình thành thông qua chuỗi phản ứng phức tạp của O2 và NO2
Vì vậy, lượng NOxcàng thấp thì lượng ozone được hình thành càng ít Mặt khác, khi có quá nhiều NO2 cũng làm giảm lượng ozone do kích thích phản ứng từ ozone tạo thành NO và NO2
Trong lớp không khí sát mặt đất, NOx đóng vai trò chính trong việc hình thành khói mù quang hóa và chuỗi phản ứng phức tạp dẫn đến hình thành các hợp chấtnitơ hữu cơ gây ảnh hưởng xấu tới các hoạt động sinh hoạt, giao thông vận tải và đời sống con người Đặc biệt có ảnh hưởng tới sức khỏe con người và đời sống thực vật
Nồng độ NOx càng cao thì độ mưa axit càng cao (khí NO2 tác dụng với gốc
OH tạo thành axit nitric), làm giảm độ pH của nước mặt, nước ngầm, cũng như độ
Trang 20pH của đất gây chết cây Mưa axit cũng gây ăn mòn các bề mặt kim loại, phá hủy các công trình xây dựng,
1.1.3.2 Ảnh hưởng của NO x đến sức khỏe con người [6]:
NOxcó thể đi sâu vào phổi con người do ít hòa tan trong nước Khi vào được trong phổi, 80% lượng NOxbị giữ lại Trong các chất của NOx, độc tính của NO2cao hơn nhiều lần so với NO, NOx chủ yếu do quá trình cháy gây ra [6 Ngoài các ].quá trình cháy công nghiệp và gia dụng, trong sinh hoạt, con người còn chịu đựng ảnh hưởng trực tiếp của NOx do khói thuốc lá gây ra Tùy theo loại thuốc lá, khi hút một điếu thuốc người hút đã đưa vào phổi từ 100 đến 600µg NOx, trong đó hơn 5%
là NO2 Với thuốc lá nâu thông thường, trung bình mỗi điếu sinh ra 350µg NOx Nếu người hút thuốc hít 8 lần, mỗi lần 2s với dung tích 35ml và khoảng thời gian giữa hai lần hít là 60s, chúng ta tính được nồng độ NOx trung bình là 933ppm theo thể tích trong toàn bộ khói thuốc Nhưng mỗi lần hít vào, khói thuốc lá hòa tan vào phổi có thể tích 3500ml, nghĩa là đã làm loãng đi 100 lần, nồng độ NOx trung bình trong phổi khoảng 9,3ppm đối với người chủ động hút thuốc lá Đối với người thụ động chịu ảnh hưởng của thuốc lá (người hít không khí trong không gian bị ô nhiễm bởi khói thuốc lá) ảnh hưởng này nhỏ nhưng cũng đáng kể Tính trung bình theo số liệu trên đây thì trong một phòng kín có thể tích 50m3, khi người ta hút một gói 20 điếu thuốc, thì nồng độ NOx trong phòng đạt khoảng 0,1ppm do người hút thải ra Nếu tính luôn phần khói thuốc thoát ra giữa hai lần hít, người ta ước chừng nồng độ
NOxtrong phòng gấp 2÷5 lần so với nồng độ trên đây, nghĩa là 0,2 ÷ 0,5ppm
Yêu cầu về môi trường:
Tiêu chuẩn môi trường dành cho các NMNĐ trước 1995 có chỉ tiêu nồng độ
NOx trong khói thải của NMNĐ đều ở mức cao (1.000 mg/m3
tc) phù hợp với công nghệ nhà máy tại thời điểm đó Như vậy có thể thấy rằng, đối với NMNĐ xây dựng
và vận hành trước năm 1995 đều sử dụng công nghệ cũ và lạc hậu Hiện nay đối với phát thải khí NOx trong NMNĐ được quy định bởi Quy chuẩn Việt Nam: QCVN 22:2009/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về khí thải công nghiệp nhiệt điện
Trang 21Bảng 1.3: Nồng độ khí thải công nghiệp nhiệt điện theo loại nhiên liệu sử dụng [2]
TT Thông số
Nồng độ, mg/m3
A Trước
Đối với nhiệt điện đốt than ở nước ta hiện nay chủ yếu sử dụng công nghệ đốt than phun và đốt than tầng sôi Sự hình thành khí NOx là không thể tránh Để đảm bảo các yêu cầu về môi trường việc sử dụng các phương pháp giảm thiểu NOx trong khói thải là điều bắt buộc và cần thiết Ngoài tác dụng làm sạch khí thải trước khi thải vào môi trường không khí quanh NMNĐ, mang ý nghĩa về bảo vệ môi trường Tính đến thời điểm 2015, hầu hết các NMNĐ đốt than Việt Nam đều đã có công suất tổ máy từ 300 MW đến 600 MW Nhìn chung quy định đối với nồng độ khí thải NOx đều thấp hơn 600 mg/m3
tc (còn phụ thuộc vào các hệ số khác của nhà máy) Ví dụ: NMNĐ Vũng Áng 1 (đã vận hành), NMNĐ Thái Bình (đang giai đoạn chạy thử), NMNĐ Thái Bình 2 (đang giai đoạn xây dựng) đều đảm bảo nồng độ
NOxtrong khói thải luôn nhỏ hơn 700 mg/m3tc
Trang 22Ngoài ra, theo yêu cầu mới nhất Bộ Tài nguyên và Môi trường cũng vừa mới
ra Thông tư 31/2016/TT BTNMT ngày 14/10/2016 yêu cầu tất cả các - NMNĐ đốt than đều phải quan trắc tự động, liên tục khí thải và truyền số liệu li n tục về Sở êTNMT các tỉnh, do đó các NMNĐ cũng cần phải nghiên cứu các giải pháp nhằm giảm phát thải khí ra môi trường
Trong tương lai với xu thế chung của sự phát triển về kinh tế, ngành công nghiệp sản xuất điện năng của Việt Nam vẫn phụ thuộc vào nhiệt điện đốt than và
do đó vẫn gây ra các tác động xấu tới môi trường Để đảm bảo mục tiêu về phát triển bền vững gắn liền với bảo vệ môi trường, ngoài việc lựa chọn các công nghệ tiên tiến, hiện đại để nâng cao công suất và hiệu quả trong sản xuất điện năng của các NMNĐ đốt than, chúng ta buộc phải cắt giảm lượng khí thải độc hại, giới hạn mức nồng độ cho phép ngang bằng với các nước phát triển Việc đầu tư vào nâng cấp các hệ thống xử lý khí thải hiện có, lựa chọn các công nghệ phù hợp với giá trị nồng độ cho phép ngày càng khắt khe là yêu cầu tất yếu để bảo vệ môi trường
1.2 Thực trạng của việc xử lý NOx:
Hiện nay, để đáp ứng các yêu cầu về môi trường khi vận hành, các NMNĐ đều được lắp đặt và trang bị các hệ thống xử lý khí thải, trong đó có hệ thống khử khí NOx bằng các phương pháp khác nhau nhằm đảm bảo nồng độ NOx nhỏ hơn mức cho phép trước khi thải ra môi trường
Nhìn chung, các NMNĐ đốt than hiện đang vận hành hoặc đang xây dựng mới đều phải có đánh giá tác động môi trường và được chấp thuận bởi Bộ Tài nguyên và Môi trường trước khi cấp phép đầu tư xây dựng Các quy định về khói thải NMNĐ phải đáp ứng các chỉ tiêu về nồng độ phát thải được quy định tại QCVN 22:2009/BTNMT - về khí thải công nghiệp nhiệt điện
Biện pháp xử lý NOx trong khói thải phụ thuộc vào công nghệ lò hơi của các NMNĐ đốt than Việt Nam Hiện đang sử dụng hai công nghệ cơ bản là đốt than phun (Pulverized Coal - PC) và đốt tầng sôi tuần hoàn (Circulating Fluidized Bed - CFB) Định hướng phát triển nhiệt điện than tại Việt Nam trong thời gian tới như sau: Than Việt Nam chất lượng thấp sử dụng công nghệ đề xuất là lò CFB, thông số hơi cận tới hạn với tổ máy có gam công suất 200 300MW; Than Việt Nam chất -
Trang 23lượng tốt (cám 5, cám 6A) sử dụng công nghệ lò than phun, thông số hơi cận tới hạn và siêu tới hạn, tổ máy có công suất 500-1000MW [7]; Than nhập khẩu (chủ yếu từ Úc, Indonesia), công nghệ lò than phun, thông số hơi siêu tới hạn và trên siêu tới hạn, tổ máy có công suất 500-1000MW Các hệ thống xử lý khói thải của kiểu lò hơi đốt than phun và đốt than tầng sôi có nhiều điểm khác nhau
1.2.1 Lò hơi đốt than phun (Pulverized Coal - PC):
Do đặc điểm của công nghệ than phun có nhiệt độ buồng lửa cao, đòi hỏi độ mịn của hạt than nhỏ, cấu tạo buồng lửa không phù hợp với các biện pháp xử lý khí thải trong buồng đốt, do vậy các hệ thống xử lý khí thải SOx, NOx, bụi trong khói thải được trang bị trên đường khói thải (nơi có nhiệt độ khói thấp ở phía sau đuôi lò) như bố trí trên hình 1.1:
- Khử bụi: dùng bộ lọc bụi tĩnh điện lắp đặt phía sau bộ sấy không khí (nhiệt độ khói khoảng 130oC);
- Khử NOx: sử dụng bộ hấp thụ bằng chất xúc tác (SCR) lắp đặt phía sau bộ hâm nước và trước bộ sấy không khí (nhiệt độ khói khoảng 400oC);
- Khử SOx: sử dụng hệ thống FGD lắp đặt sau cùng trước khi khói được thải ra ống khói (nhiệt độ khói khoảng 65oC)
Trang 2411 Hình 1.1: Sơ đồ bố trí các hệ thống xử lý khói thải của lò hơi PC
Trang 25Các phương pháp xử lý khí NOx trình bày trong chương 2.Tuy nhiên, với lò hơi PC hiện nay phương pháp phổ biến nhất vẫn là phương pháp khử NOx sử dụng hóa chất để khử Phương pháp này có hiệu suất hấp thụ NOx khá cao, dễ dàng trong khâu cung cấp
1.2.2 Hệ thống khử NO x của các nhà máy nhiệt điện và hiệu quả :
Do buồng lửa than phun không thích hợp với việc xử lý khí thải trong buồng lửa nên các hệ thống khử NOx hiện nay phải lắp đặt riêng trên đường khói thải ở vùng nhiệt độ khói khoảng 400oC Tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu và vị trí đặt NMNĐ mà hệ thống khử NOx có thể dùng công nghệ sử dụng nước, kiềm, chất xúc tác và nhiệt độ cao, chất xúc tác, … Đa số các NMNĐ đốt than phun ở Việt Nam hiện nay đều có lò hơi kiểu W, nên có thể xem xét lò hơi đốt than phun của NMNĐ Vũng Áng 1 (công suất tổ máy cao nhất ở Việt Nam hiện nay cùng với một số NMNĐ Long Phú 1, Sông Hậu 1…) do hãng Babcook Wilcox sản xuất và cấp thiết
bị Nguyên lý hoạt động của hệ thống khử NOx sử dụng nguyên liệu hấp thụ NOx là
NH3 (được minh họa ở hình 1.2 ) Nguồn than cấp cho nhà máy là than antraxit từ vùng than Hòn Gai với thông số như bảng 1.4
Bảng 1.4: Thông số than của NMNĐ Thái Bình 2 [8]
Stt Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
(thiết kế)
Giá trị ((than xấu)
Trang 26Đối với phát thải ra môi trường của các NMNĐ được xác định trong “Đánh
giá tác động môi trường của NMNĐ” theo các tiêu chuẩn về môi trường được Bộ BTNMT phê duyệt, trong đó có phát thải của NOx
Theo QCVN 22:2009/BTNMT qui định về khí thải công nghiệp nhà máy nhiệt điện (trong đó có qui đinh về phát thải NOx), một số NMNĐ đã đi vào vận hành phải bổ sung thêm hệ thống xử lý NOx để đảm bảo phát thải NOx ra môi trường như
là các NMNĐ Quảng Ninh, Hải Phòng Các nhà máy đang xây dựng mới đều có hệ thống xử lý NOx (Thái Bình 2, Vĩnh Tân 4 mở rộng) hoặc dự phòng khu vực xử lý
NOx(Vĩnh Tân 4, Long phú 1, Sông Hậu 1)
Hiện tại chỉ NMNĐ Vũng Áng 1 áp dụng xử lý NOx kết hợp giữa vòi phun
NOx thấp và xử lý sau buồng đốt hoàn nguyên lựa chọn có xúc tác (SCR), nhà cung cấp lò hơi bảo hành phát thải NOx sau buồng lửa nhỏ hơn 1100mg/m3 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống SCR theo phụ lục 1 và các thông số vận hành ở chế độ 100% phụ tải (RO) theo Bảng 1.10
Do chỉ có NMNĐ Vũng Áng 1 đang hoạt động với sự kết hợp giữa vòi phun
NOx thấp và hệ thống xử lý NOxSCR, cho nên lựa chọn tính toán và mô tả hệ thống SCR cho sẽ áp dụng cho NMNĐ Vũng Áng 1
1.2.3.1 Mô tả ệ ố h th ng thi t b SCR c ế ị ủa NMNĐ Vũng Áng 1:
Chức năng của h th ng kh NOệ ố ử x bằng ammonia có xúc tác: Mục đích của h ệthống kh NOử x b ng ammonia có ằ chất xúc tác m b o đả ả NOx phát thải ra môi trường tuân th ủ theo yêu c u tiêu chu n phát th (QCVN 22:2009) Ph m vi c a h ầ ẩ ải ạ ủ ệ ốth ng
kh ử NOx b ng ammonia có xúc tác v i các thông s khói thằ ớ ố ải (lưu lượng, áp suất nhiệt độ, nồng độ), sơ đồ nguyên lý h ệ thống kh ử NOx c a ủ NMNĐ Vũng Áng 1 được th hi n hình 1.2, ể ệ trên cơ sở đặ c tính than s dử ụng cho NMNĐ Vũng Áng 1 (B ng 1.5 ả )
Trang 27Bảng 1.5: Thông số than của NMNĐ Vũng Áng 1
Stt Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị thiết
kế
Giá trị (Than xấu)
1-Khói vào 4- Thổi bụi 7- Quạt gió
2- Lưới phun ammonia 5- Tháp phản ứng 8- Bộ điều khiển
3- Cánh hướng 6- Khói ra 9- Thiết bị đo, phân tích
Hình 1.2: sơ đồ nguyên lý h ệ thống kh ửNOx của NMNĐ Vũng Áng 1
Trang 28Nguyên lý hoạt động của hệ thống SCR: NH3 chứa trong bồn được bơm bơm đến
bộ hóa hơi, tại đây NH3 được hóa thành hơi Hơi NH3 tiếp tục được không khí áp lực cao hóa mù rồi phun hòa trộn với dòng khói thoát thông qua vòi phun Hỗn hợp khói và ammonia tiếp tục đi qua các cơ cấu hòa trộn tĩnh để trở nên đồng đều hơn rồi đi vào tháp phản ứng Trong tháp phản ứng có bố trí các tấm chất xúc tác như
V2O5, TiO2, MoO3… Hỗn hợp khói và NH3 đi qua các tấm chất xúc tác này và ởđây sẽ ả s y ra các ph n ng hoàn nguyên (1.1÷1.3ả ứ ) trong điều ki n nhiệ ệt độ kho ng ả
390oC, sản phẩm tạo ra là N2 và H2O M h ỗi ệ thống SCR có 2 tháp ph n ng, và ả ứ
m i tháp ph n ng có ba l p xúc tác cho hoỗ ả ứ ớ ạt động và m t l p d phòng, Bộ ớ ự ảng 1.6 các thông số của hệ thống SCR ở chế độ vận hành 100% tải Từ Bảng 1.6 nồng độ phát thải NOx ra môi trường là CNOx=668,2 mg/m3, tương ứng với hiệu suất của hệ thống là 41%
NO + NO2 + 2NH3 2N2 + 3H2O (1.1) 4NO + 4NH3 + O2 4N2 + 6H2O (1.2) 2NO2 + 4NH3 + O2 3N2 + 6H2O (1.3)
Bảng 1.6: Thông số vận hành của hệ thống SCR[20]
Vị trí (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) Thông
Không khí
NH3/ không khí Lưu
Trang 29Nồng độ tối đa cho phép phát thải NOx của các nhà máy nhiệt điện đƣợc tính nhƣ sau:
Cmax = C*Kp*Kv
Trong đó:
- Cmax là nồng độ tối đa cho phép của các thông số ô nhiễm trong khí thải công nghiệp nhiệt điện, tính bằng milig am trên mét khối khí thải chuẩn r(mg/m3tc);
- C=1000 (mg/m3), là nồng độ của các thông số ô nhiễm trong khí thải công nghiệp nhiệt điện;
- Kp=0,7 là hệ số công suất quy định [2] ;
- Kv=1 là hệ số vùng, khu vực quy định [2];
Do đó: Cmax = C*Kp*Kv= 1000*0,7 *1= 700 mg/m3
1.2.3.2 Tính toán lượ ng phát th ải NO x khi đố t cháy than:
Trang 30Trong các tính toán sản phẩm cháy vấn đề phát thải NO trong nhiều trườ, ng hợp mặc dù nhiệt độ cháy không quá cao nhưng vẫn phát hiện thấy khí NOx trong khói thải Vì vậy để xác định được khả năng gây ô nhiễm môi trường ta có thể tham khảo cách tính toán lượng khí NOx phát sinh từ quá trình đốt nhiên liệu theo công thức thực nghiệm gần đúng của Woolrich đã được chuyển dạng thông dụng như sau [15 ]:
Đối với nhiên liệu than đá
(1.4) (kg/h)
Đối với nhiên liệu lỏng :
(1.5) (kg/h)
Đối với nhiên liệu khí :
(1.6) (kg/h)
Trong đó:
MNOx lượng phát thải NOx, kg/h;
Q lượng nhiệt do nhiên liệu tỏa ra, kcal/h;
B lượng nhiên liệu tiêu thụ, kg/h;
V lưu lượng khí đốt tham gia vào quá trình cháy, m3/h;
C thành phần cacbon trong khí đốt, %
Cần lưu ý rằng khi tính toán sản phẩm ch y có kể đến sự phát thải á NOx theo các công thức vừa nêu trên trong thành phần khói thải phải tính đến lượng NOx, đồng thời lượng N2, O2 tham gia vào phản ứng tạo thành NOx (trong đó NOx được xem như NO để tính toán)
Theo QCVN 22:2009/BTNMT quy định cho NMNĐ thì nồng độ NOx trong khói thải phải được tính ở điều kiện nồng độ oxy dư trong khói là 6% [2]:
Do vậy, ta quy đổi từ nồng độ lý thuyết CNOlt về điều kiện %O2 = 6% [12]:
Ta có: CNOlt = 1079,4 g/m3 [14]
Trang 31CNOx6% = CNO2lt*(20,9 %– O2tc)/(20,9 – %O2lt) = 1079,4*(20,9-6)/(20,9-5,782)
= 1064 (mg/m3)
Với hiệu suất của hệ thống khử NOx ηSCR= 41% [20], nồng độ NOx phát thải
ra ngoài môi trường như sau: CNOx 1 out=CNOx6%*(1- ηSCR)=627,7 mg/m3) < Cmax=700 mg/m3 Đảm bảo yêu cầu phát thải theo QCVN 22:2009/BTNMT
1.2.3.3 Đánh giá kết quả tính toán thu được:
Do các yêu cầu về phát thải môi trường ngày càng nâng cao, cụ thể như sau:
- Theo tiêu chuẩn TCVN: 5939 1995, nồng độ phát thải NO- x giới hạn cho phép
áp dụng trong khí thải công nghiệp là 1000mg/m3
- Theo QCVN 22:2009/BTNMT áp dụng cho các NMNĐ Thái Bình, Vũng Áng
1 nồng độ phát thải NOx giới hạn cho phép với hệ số vùng (Kv, Kp) là 700 mg/m3
Trên cơ sở yêu cầu phát thải của môi trường, do đó bắt buộc phải có hệ thống khử NOx
Trong quá trình hoạt động của hệ thống khử NOx bằng ammonia lựa chọn có chất xúc tác, hệ số hoạt động của chất xúc tác sẽ giảm dần theo thời gian, hình 1.3 [10] và tuổi thọ của chất xúc tác khoảng 16000÷20000 giờ hoạt động [11] là phải thay thế hoặc bổ sung thêm để đảm bảo phát thải ra NOx tuân thủ QCVN 22:2009/BTNMT áp dụng cho các NMNĐ
Hình 1.3: Hệ số hoạt động của chất xúc tác theo thời gian
Trang 32KẾT LUẬN
Cùng với sự tăng trưởng mạnh mẽ của NĐĐT kéo theo nhu cầu tiêu thụ than tăng cao Trong quá trình cháy nhiên liệu than sinh ra lượng khí thải NOx lớn Đây chính là nguồn phát thải rất lớn của các NMNĐ trong thời gian tới
Tác hại của NOx đến tự nhiên (đất, nước, sinh vật…) và môi trường xã hội (cơ
sở hạ tầng…) đã gây ra các ảnh hưởng xấu đến môi trường Do vậy, bắt buộc các NMNĐ phải có các biện pháp giảm thiểu và khống chế nồng độ NOx trong khói thải trước khi thải ra môi trường (mức nồng độ được quy định tại QCVN22:2009/BTNMT), do đó phải sử dụng các công nghệ giảm NOx trong các NMNĐ lò hơi ngọn lửa hình chữ W:
- Sử dụng công nghệ xử lý NOx bằng phương pháp xúc tác chọn lọc (SCR) được áp dụng rộng rãi trong các NMNĐ đốt than phun;
- Sử dụng công nghệ vòi phum giảm NOx;
- Sử dụng các loại than có chất bốc cao để tạo ra vùng hoàn nguyên
Trang 33CHƯƠNG 2: CƠ CHẾ HÌNH THÀNH NOx TRONG LÒ HƠI ĐỐT
THAN PHUN NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
2.1. Cơ chế hình thành NOx:
Phát thải NOx, chủ yếu từ quá trình đốt sinh khối và nhiên liệu hóa thạch, như
ô tô, máy bay, động cơ và quá trình đốt lò công nghiệp, cũng xuất phát từ việc sản xuất và sử dụng của các quá trình axit nitric, chẳng hạn như nhà máy phân đạm, nhà máy trung gian hữu cơ, nhà máy luyện kim loại Trên toàn thế giới mỗi năm do các hoạt động của con người, NOxthải ra ngoài không khí khoảng 53 triệu tấn
Lượng NOx tạo ra từ nguồn thiên nhiên và nguồn nhân tạo hàng năm gần tương đương Hiện nay, trên quy mô toàn cầu, lượng phát thải NOx đang gia tăng
NOx thường được tạo thành trong quá trình cháy ở nhiệt độ cao Lúc đó có sự kết hợp trực tiếp nitơ và oxy của không khí:
N2 + O2→ 2NONgoài ra, NO còn được tạo thành do quá trình oxy hóa các hợp chất có chứa nitơ trong nhiên liệu Sau đó, NO có thể bị oxy hóa tạo thành NO2 Thông thường hầu như trong các nguồn phát thải NOx, NO đều chiếm hơn 90% lượng NOx NOxcũng được tìm thấy trong tầng bình lưu, có thể do quá trình oxy hóa nitơ oxit hoặc
do khói thải của các máy bay Trong tầng đối lưu, NOx tham gia nhiều phản ứng hóa học với các tác nhân khác nhau, như O3, ánh sáng, gốc hydroxyl (OH), hydroperoxyl (H2O2), các phân tử hữu cơ (bao gồm cả các gốc peroxyl hữu cơ,
RO2), độ ẩm, các hạt lơ lửng (Hình 2.8) Ngoài các phản ứng hóa học, các quá trình vật lý như ngưng tụ khô và ướt cũng là các quá trình loại NO và NO2 trong khí quyển Trong đó, các quá trình hóa học được xem là cơ chế sinh ra chủ yếu của
NOx, còn các quá trình vật lý là sinh ra của PAN (peroxyacyl nitrate), HNO3 và
N2O5.
Nitơ oxit sinh ra trong quá trình đốt cháy bột than chủ yếu là NO và NO2 gọi chung là NOx, ngoài ra còn có ít N2O Trong quá trình đốt cháy than, lượng NOxhình thành và thải ra có quan hệ mật thiết với điều kiện cháy như phương thức đốt, đặc biệt là nhiệt độ cháy và hệ số không khí thừa Lấy đốt cháy than bột làm ví dụ, nếu không khống chế, lượng NO thải ra trong lò hơi thải xỉ lỏng cao hơn nhiều so
Trang 34với lò hơi thải xỉ khô, mà thải xỉ khô, nếu cách bố trí vòi phun không giống nhau, không khống chế lượng NOx thì lượng NOxthải ra cũng khác nhau như Hình 2.1biểu thị
Hình 2.1: Quan hệ giữa lượng NOxthải ra với phương thức đốt
và sản lượng lò [4]
Trong quá trình cháy than ở nhiêt độ trên 1000oC NOx sinh ra, trong đó NO chiếm 90%, NO2 chiếm 5 – 10%
NOxhình thành trong quá trình cháy than theo 3 cơ chế:
- Nguyên lý phân hủy nhiệt;
- Thành phần nhiên liệu;
- Nguyên lý phản ứng tức thời
Biểu đồ hình 2.2 cho ta thấy tương quan lượng NOx sinh ra từ 3 cơ chế theo nhiệt độ
Trang 35Hình 2.2 Tương quan lượng NOx sinh ra từ 3 cơ chế theo nhiệt độ [4]
Từ hình 2.2 ta thấy, NOxnhiên liệu là chủ yếu chiếm khoảng (60-80%) trong tổng số NOx hình thành, NOx nhiệt có thể chiếm 20% và phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ, còn NOxtức thời chiếm một lượng nhỏ
2.1.1 Cơ chế hình thành NOx theo nguyên lý phân hủy nhiệt:
NOx nhiệt sinh ra do Nitơ (N2) trong không khí tạo thành dưới dạng nhiệt độ cao trong qúa trình cháy
Cơ chế hình thành có thể biểu thị bằng phản ứng dây chuyền không phân nhánh của Zeldovich dưới đây:
Trang 362.1.2 Cơ chế hình thành NOx nhiên liệu:
Cơ chế hình thành NOxnhiên liệu rất phức tạp, nên mặc dù nhiều năm nay nhiều học giả trên thế giới đã tiến hành rất nhiều công trình nghiên cứu về lý luận cũng như thực tế để làm rõ cơ chế hình thành và phân hủy NOx nhiên liệu, nhưng cho đến nay vẫn chưa rõ ràng
Thực tế cho thấy, khi đốt than bột, khoảng 70 – 90% là NOx nhiên liệu, cho nên NOx sinh ra chủ yếu do đốt cháy Nitơ trong nhiên liệu Việc nghiên cứu cơ chế hình thành và phân hủy NOx nhiên liệu có ý nghĩa quan trọng đối với việc khống chế NOx thải ra trong quá trình đốt cháy một cách hiệu quả
Tổng kết quá trình nghiên cứu những năm gần đây, cơ chế hình thành NOxnhiên liệu có những quy luật sau:
Trong điều kiện đốt cháy bình thường, các hợp chất hữu cơ của Nitơ bị nhiệt phân trước tiên thành HCN, NH3và CN là những sản phẩm trung gian cùng tách ra cùng với chất bốc, nên gọi là Nitơ chất bốc Sau khi Nitơ bốc theo chất bốc vẫn còn hợp chất Nitơ trong cốc, gọi là Nitơ cốc
Hình 2.3: Biểu thị quá trình phân hủy N trong nhiên liệu thành
N chất bốc và N cốc [4]
Nghiên cứu trên thế giới cho thấy khi lượng chất bốc tách ra khoảng (10 - 15%) tổng lượng chất bốc trong than thì N chất bốc mới bắt đầu tách ra Tỷ lệ N chất bốc và N cốc trong nhiên liệu có quan hệ mật thiết với từng loại than, nhiệt độ nhiệt phân và tốc độ gia nhiệt Khi thành phần chất bốc của nhiên liệu cao, nhiệt độ
Trang 37nhiệt phân và tốc độ gia nhiệt tăng lên thì N chất bốc tăng lên còn N cốc sẽ giảm theo Hình 2.4 [4]
Hình 2.4: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tỷ lệ chuyển hóa Nitơ [4]
Trong N chất bốc, hợp chất N chủ yếu nhất là HCN và NH3 Trong N chất bốc, tỷ lệ HCN và NH3 không chỉ quyết định bởi tính chất hóa học của than và chất bốc, mà có quan hệ mật thiết với tính chất hóa học của N kết hợp với các loại Cacbonhydro của nhiên liệu, đồng thời có quan hệ với điều kiện đốt cháy như nhiệt
độ, hệ số không khí thừa… Quy luật đó như sau:
- Đối với than có khói, trong N chất bốc, tỷ lệ HCN lớn hơn NH3, như trong than Việt Nam thì N chất bốc NH3 là chủ yếu Đối với than không khói thì N chất bốc trong HCN và NH3tương đối ít;
- Khi N nhiên liệu kết hợp với C6H5NH2, HCN là sản phẩm nhiệt phân chủ yếu ban đầu, khi N nhiên liệu tồn tại dưới hình thức khác thì NH3 lại là sản phẩm chủ yếu của phản ứng nhiệt phân;
- Trong N chất bốc lượng HCN và NH3 tăng lên khi nhiệt độ tăng lên, nhưng khi nhiệt độ vượt quá 1000oC – 1100oC thì hàm lượng NH3đạt đến bão hòa;
- Khi nhiệt độ tăng lên, N nhiên liệu chuyển hóa thành HCN với tỷ lệ lớn hơn chuyển thành NH3
2.1.2.1 Lộ trình phản ứng chủ yếu của HCN trong : N
Chất bốc bị oxy hóa được biểu thị như sau:
Trang 38Hình 2.5: Lộ trình chủ yếu phản ứng oxy hóa HCN[4]
N chất bốc cùng được tách ra với thành phần chất bốc sau khi gặp oxy trong quá trình đốt cháy chất bốc, sẽ tiến hành một loạt phản ứng
Từ lộ trình phản ứng trên có thể thấy, HCN trong N chất bốc bị oxy hóa thành NCO, có thể có hai lộ trình phản ứng quyết định bởi điều kiện phản ứng mà NO gặp tiếp theo Trong môi trường oxy hóa NCO sẽ tiếp tục oxy hóa thành NO, nếu gặp môi trường hoàn nguyên, thì NCO sẽ phản ứng cho NH, lúc đó trong môi trường oxy hóa NH tiếp tục oxi hóa thành NO, NH thành nguồn tạo ra NO, đồng thời còn
có thể cùng với NO mới tạo thành, tiền hành phản ứng hoàn nguyên, làm cho NO hoàn nguyên thành N2, lúc đó NH lại là chất hoàn nguyên NO[4]
2.1.2.2 Lộ trình chủ yếu của NH 3 trong N chất bốc bị oxy hóa:
Hình 2.6: Lộ trình chủ yếu phản ứng oxy hóa NH3[4]
Từ lộ trình trên, NH3 có thể là nguồn hình thành NO, cũng có thể trở thành chất hoàn nguyên NO
Trang 392.1.2.3 Dưới nhiệt độ cháy thông thường, NO x nhiên liệu chủ yếu là từ N chất
bốc:
Khi đốt bột than NOxdo chất bốc sinh ra chiếm 60 80% tổng NO - x nhiên liệu Qua nhiều nghiên cứu cho thấy, trong môi trường oxy hóa, khi hệ số không khí thừa tăng lên, NOx chất bốc tăng nhanh, vượt NOx cốc một cách rõ ràng, còn N cốc tăng tương đối ít Đó là do:
- Năng lượng hoạt hóa phản ứng N cốc tạo thành NO lớn hơn năng lượng hoạt hóa phản ứng cháy của than, cho nên NOx cốc được tạo thành ở vùng cháy cốc phía dưới ngọn lửa;
- Tác dụng hoàn nguyên của bề mặt cốc cùng với C và CaO trong tro tác dụng làm cho NOx hoàn nguyên
2.1.2.4 Phân hủy NO x :
Ta biết NOx tạo thành trong môi trường oxy hóa khi gặp môi trường hoàn nguyên (đốt nhiên liệu giàu hoặc thiếu oxy) sẽ hoàn nguyên thành phân tử N2, đó gọi là phân hủy NOx hay sự hoàn nguyên NOx Cho nên, nồng độ NOx tạo thành ban đầu sẽ không bằng NOx khi thải ra, vì khi thay đổi điều kiện cháy, có thể làm cho
NOxhình thành bị phân hủy, hoàn nguyên trở lại Nitơ
Nồng độ NOx phát thải của thiết bị đốt than quyết định bởi kết quả tổng hợp của phản ứng tạo thành NOx và phản ứng hoàn nguyên hoặc phân hủy NOx
Hình 2.7: Biểu thị lộ trình phản ứng phân hủy NOx [4]
Trang 40Như đã giới thiệu, quá trình hình thành và phân hủy NOx nhiên liệu là vô cùng phức tạp, có 3 dạng lộ trình phản ứng và rất nhiều phương trình phản ứng Đến nay
đã phát hiện ra ít nhất 251 loại phương trình phản ứng có quan hệ đến quá trình hình thành và phân hủy NOx
2.1.3 Cơ chế hình thành NOx theo nguyên lý phản ứng tức thời:
NOx tức thời do Fenimore phát hiện qua thực nghiệm vào năm 1971 Tức là khi đốt nhiên liệu là hỗn hợp Cacbonhydro với nồng độ nhiên liệu quá đặc, ở xung quanh khu vực phản ứng sẽ tạo thành NOx NOx tức thời không giống như NOxnhiệt và NOxnhiên liệu, đó là do NHi sinh ra khi đốt nhiên liệu va đập vào N2 trong không khí tạo thành CN, HCN, sau đó bị oxy hóa tạo thành NOx
NOxtức thời là do N2 trong không khí dùng để đốt cháy bị oxy hóa tạo ra Xét
từ nguồn gốc N2 tạo thành NOx, thì tương tự như NOx nhiệt, ngược lại nó rất giống với cơ chế hình thành NOx nhiên liệu Thực ra sau khi N2 và CHi phản ứng tạo thành HCN, thì NOx nhiên liệu đi theo lộ trình phản ứng hoàn toàn giống nhau
NOx tức thời sinh ra trong trường hợp đốt nhiên liệu giàu, nhóm CHi có khá nhiều trong khi đốt cháy mà nồng độ oxy tương đối thấp, phát sinh nhiều trong quá trình cháy của động cơ đốt trong Trong các thiết bị đốt than, so với NOx nhiệt và
NOx nhiên liệu thì NOxtức thời tạo thành ít hơn nhiều
Có nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng, NOx tức thời ít phụ thuộc vào nhiệt độ Thông thường, khi đốt ở nhiệt độ thấp các nhiên liệu Cacbonhydro không chứa Nitơ, mới chú ý tới NOx tức thời, vì khi nhiệt độ quá 1500oC, thì NOx nhiệt là tác dụng chủ yếu [5]
2.1.4 Khống chế sự hình thành NOxkhi đốt than:
Từ ba cơ chế hình thành NOx nhiệt, nhiên liệu và tức thời đã được trình bày ở trên ta có thể thấy, cơ chế hình thành các loại NOx là không giống nhau, chủ yếu thể hiện ở nguồn gốc Nitơ không giống nhau, lộ trình hình thành không giống nhau và điều kiện hình thành không giống nhau, nhưng chúng lại có một quan hệ nhất định Cho nên có thể dùng mô hình 2.8 để miêu tả cơ chế hình thành NOx, đồng thời cũng thấy được sự khác nhau cũng như sự liên hệ về bacơ chế hình thành NOx đó Cho nên hình 2.8 là bảng tóm tắt về cơ chế hình thành NO