Trang 7 c Các nội dung chính + Nghiên cứu cập nhật lý thuyết truyền nhiệt và + Nghiên cứu cập nhật lý thuyết cháy than trong lớp sôi + Điều tra khảo sát và cập nhật hiện trạng công nghệ
Cơ sở đề tài
Năng lượng đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển kinh tế quốc dân và tăng trưởng kinh tế toàn cầu, đặc biệt tại các nước đang phát triển Nhu cầu năng lượng ngày càng tăng để thúc đẩy GDP và nâng cao đời sống nhân dân, gắn liền với quá trình công nghiệp hóa Trong những năm qua, cả thế giới và Việt Nam đều ghi nhận sự phát triển và tiêu thụ năng lượng mạnh mẽ Tuy nhiên, nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và chi phí năng lượng ngày càng cao, do đó, việc sử dụng năng lượng một cách tiết kiệm và hiệu quả trở nên cần thiết Trong ngành công nghiệp, các nguồn năng lượng như than, dầu, khí và sinh khối được sử dụng đa dạng, nhưng than vẫn là nguồn năng lượng chủ yếu và có mức dự trữ lớn nhất tại Việt Nam hiện nay.
Do nhu cầu tiêu thụ than trong nước và xuất khẩu ngày càng tăng, lượng than khai thác tại Việt Nam ngày càng khó đáp ứng Trước đây, Việt Nam xuất phát từ một nước nghèo và phải chấp nhận xuất khẩu than để phát triển, dẫn đến việc các mỏ than dự trữ ngày càng giảm Với sự phát triển mạnh mẽ của nhu cầu công nghiệp hóa, năm 2011, Việt Nam lần đầu tiên phải nhập khẩu than, và dự kiến sẽ tiếp tục trong những năm tới.
Vào năm 2017, Việt Nam sẽ thiếu hụt trung bình từ 10,8 đến 11 triệu tấn than mỗi năm, dẫn đến việc chuyển từ một nước xuất khẩu than ròng sang nhập khẩu than trong tương lai gần Sự thay đổi này sẽ làm tăng giá thành năng lượng đầu vào cho các ngành công nghiệp, ảnh hưởng tiêu cực đến sức cạnh tranh của nền kinh tế Do đó, việc phát triển và áp dụng công nghệ tiết kiệm năng lượng, giảm tiêu thụ năng lượng không tái tạo, cũng như sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng trong nước trở nên cấp bách hơn bao giờ hết.
Công nghệ đốt than lớp sôi nổi bật nhờ khả năng sử dụng than cám, loại than có chất lượng kém và giá thành rẻ, giúp giảm tiêu thụ than đá và chi phí năng lượng cho doanh nghiệp, từ đó nâng cao sức cạnh tranh cho nền kinh tế Than antraxit sau sàng tuyển, mặc dù có phụ phẩm chất lượng kém và tính thương mại thấp, vẫn có thể được tận dụng trong công nghệ này Việc áp dụng công nghệ đốt than lớp sôi không chỉ tối ưu hóa việc sử dụng các phụ phẩm thấp cấp mà còn đảm bảo các yếu tố bảo vệ môi trường.
Trong những năm gần đây, công nghệ đốt than lớp sôi đã được áp dụng tại một số địa phương và ngành nghề ở Việt Nam Tuy nhiên, việc ứng dụng chủ yếu dựa vào việc nhập khẩu dây chuyền thiết bị từ nước ngoài, trong khi các thiết bị sản xuất trong nước vẫn còn ở quy mô nhỏ Điều này đặt ra yêu cầu cần thiết phải cập nhật các nghiên cứu về công nghệ đốt than lớp sôi, nhằm mục tiêu giúp người Việt Nam làm chủ công nghệ và tiến tới tự sản xuất các thiết bị lò hơi có công suất trung, đáp ứng nhu cầu trong nước.
Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của nghiên cứu là cập nhật lý thuyết cháy than trong buồng đốt lớp sôi và đánh giá hiện trạng sản xuất công nghệ than lớp sôi tại Việt Nam Để đạt được mục tiêu, nghiên cứu sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm thu thập tài liệu và báo cáo khoa học từ các tác giả trong và ngoài nước Thực trạng ứng dụng công nghệ than lớp sôi được khảo sát thông qua việc lấy số liệu thực tế từ các đơn vị đã áp dụng công nghệ này Dựa trên những đánh giá đó, nghiên cứu sẽ đề xuất các giải pháp nhằm phát triển công nghệ đốt than lớp sôi tại Việt Nam.
Tr×nh tù luËn v¨n
Luận văn gồm các phần:
Chơng 2: Tổng quan công nghệ đốt than lớp sôi
Chơng 3: Tổng quan truyền nhiệt trong lớp sôi
Chơng : Tổng quan4 cháy than trong lớp sôi
Chơng : 5 Hiện trạng và đánh giá tiềm năng ứng dụng công nghệ đốt than lớp sôi tại Việt Nam
Kết luận: Tóm tắt các kết quả và kiến nghị
Chơng 2: tổng quan về công nghệ đốt than lớp sôi
Khái niệm lớp sôi
Than đóng vai trò quan trọng trong sản xuất năng lượng ở Việt Nam, do đó, nghiên cứu công nghệ đốt than được ưu tiên hàng đầu Tuy nhiên, công nghệ hiện tại vẫn lạc hậu, hiệu suất kém và gây ô nhiễm môi trường Hiện nay, các nhà khoa học Việt Nam đang nghiên cứu và ứng dụng thành công các công nghệ mới trên thế giới để nâng cao hiệu quả đốt than và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Một trong những thành công nổi bật trong ngành sản xuất điện năng và công nghiệp Việt Nam là việc ứng dụng công nghệ đốt lớp sôi FBC (Fluidized Bed Combustion) và CFBC (Circulating Fluidized Bed Combustion) Những công nghệ này giúp tận dụng các loại than kém chất lượng, có hàm lượng lưu huỳnh cao và tro nhiều, từ đó giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu suất đốt.
Công nghệ đốt hiện đại được phát triển từ công nghệ đốt trên ghi cố định, trong đó gió cấp một được thổi từ dưới ghi lên Khi tốc độ gió đạt mức đủ lớn, lực cuốn sẽ vượt qua trọng lực của các hạt, khiến chúng dịch chuyển lên trên và hình thành lớp hạt lơ lửng tương tự như chất lỏng Các chế độ tương tác giữa khí và hạt phụ thuộc vào tốc độ gió cấp vào, bao gồm các trạng thái như lớp cố định, giả lỏng đồng đều, sôi bọt, sôi dạng pittông, sôi rối, sôi chèn và sôi tuần hoàn.
Giới thiệu về công nghệ đốt lớp sôi FBC
Nguyên lý hoạt động
Công nghệ đốt lớp sôi hoạt động theo phương thức sôi bọt, với chiều cao lớp sôi được giữ cố định trong khoảng cho phép Không gian cháy chỉ chiếm một phần trong toàn bộ buồng đốt, trong khi gió từ quạt có nhiệm vụ cung cấp không khí cho quá trình cháy và duy trì lớp sôi Nhiên liệu sử dụng trong công nghệ này bao gồm than, vỏ trấu, bã mía và các chất thải nông nghiệp khác.
Khi không khí di chuyển qua lớp hạt rắn với tốc độ thấp, các hạt này không bị ảnh hưởng Tuy nhiên, khi tốc độ không khí tăng, các hạt đơn bắt đầu lơ lửng trong không khí, tạo thành lớp sôi Khi tốc độ tăng thêm, bong bóng hình thành và chuyển động nhanh, tạo ra bề mặt nhiên liệu đặc Lớp vật liệu này được xem như dung dịch đun sôi Khi tốc độ gió vượt quá tốc độ tới hạn, các hạt rắn sẽ bị thổi bay, nhưng hạt thô có thể quay lại mặt ghi do trọng lực Nếu tốc độ gió tiếp tục tăng, một phần hoặc toàn bộ chất rắn có thể rơi vào trạng thái chuyển động hai hướng, với một hướng đi lên do lực nâng và một hướng đi xuống do trọng lực, tương tự như trạng thái sôi của chất lỏng với tốc độ gió umf Khi tốc độ gió tăng hơn nữa, lớp sôi sẽ bị phá hủy và các chất rắn sẽ bị thổi bay, trong khi nếu tốc độ gió quá thấp, lớp sôi sẽ trở lại trạng thái cố định.
Nh vậy, trong vận hành công nghệ FBC, tốc độ gió cấp vào lò phải nằm trong khoảng giới hạn sau : umf < u < ugiới hạn [1]
Khi các hạt ở trạng thái sôi được gia nhiệt đến nhiệt độ mà than có thể bốc cháy, và than được cung cấp liên tục, lớp nhiên liệu than sẽ bắt đầu cháy và đạt nhiệt độ đồng đều Quá trình cháy diễn ra ở khoảng nhiệt độ 840 ~ 950 °C, thấp hơn nhiều so với nhiệt độ tan chảy của xỉ, giúp tránh được vấn đề xỉ nóng chảy và các vấn đề liên quan khác.
Nhiệt độ cháy thấp hơn xuất phát từ hệ số truyền nhiệt cao, nhờ vào sự pha trộn nhanh chóng trong lớp sôi và khả năng thoát nhiệt hiệu quả từ lớp nhiên liệu qua các ống truyền nhiệt trong lớp nhiên liệu cũng như thành của lớp nhiên liệu.
Ưu - nhợc điểm của công nghệ đốt lớp sôi FBC
- Thích ứng nhiều loại than nhiên liệu, tận dụng nguồn phế phẩm nông lâm nghiệp
- Hiệu suất cháy cao, tiết kiệm chi phí vận hành
- Thiết kế lò hơi gọn nhẹ
- Phát thải thấp, làm giảm mức độ ô nhiễm môi trờng
- Chuẩn bị nhiên liệu đơn giản
- Phạm vi điều chỉnh phụ tải rộng
- Có khả năng cơ giới hóa, tự động hóa cao
Giới thiệu chung về công nghệ đốt lớp sôi tuần hoàn CFBC
Nguyên lý hoạt động
Một buồng đốt sử dụng công nghệ CFBC chứa một khối lợng các hạt rắn, thông thờng ở trong khoảng kích thớc từ 0,1-0,3 mm Nó bao gồm:
1 Cát hay sỏi (với nhiên liệu ít tro, nh gỗ)
2 Đá vôi nguyên chất hay đá vôi già (với những lò đốt than nhiều lu huỳnh và đòi hỏi kiểm soát lợng phát thải lu huỳnh)
3 Tro từ than (Những buồng đốt CFBC cháy than có hàm lợng tro cao và trung bình và không đòi hỏi khử lu huỳnh)
Trong công nghệ lớp sôi tuần hoàn (CFBC), tốc độ khí lớn hơn so với công nghệ lớp sôi kiểu sôi bọt, tạo ra hỗn hợp dày đặc các hạt rắn như nhiên liệu, đá vôi và tro than được mang qua buồng lửa Để các hạt này được nâng lên và tách ra khỏi buồng lửa, cần đạt tốc độ tối thiểu của khí vào Sự đạt được tốc độ này đánh dấu sự chuyển đổi từ chế độ lớp sôi sôi bọt sang chế độ lớp sôi tuần hoàn Hệ thống lớp sôi tuần hoàn hoạt động trong vùng giữa lớp sôi bọt và lớp sôi tuần hoàn cho đến khi nhiệt độ lớp đệm vượt quá 260 °C, lúc này dòng không khí có tốc độ cao hơn giá trị tối thiểu và đạt được tốc độ vào.
Hình 2.2 Sự so sánh các đặc tính thiết kế riêng của các chế độ khác nhau
Trong công nghệ CFBC, các hạt rắn di chuyển chậm hơn không khí và hỗn hợp khí đã cháy trong buồng đốt kéo dài Sự tái tuần hoàn các hạt đệm cho phép thời gian lưu lại của các hạt rắn lên tới vài phút, trong khi các hạt nhiên liệu được nghiền thô vẫn tiếp tục cháy trong buồng đốt.
Nhiên liệu giảm kích thước hạt khi cháy và được hòa trộn kỹ với bột đá vôi, tạo ra một lớp đệm cân bằng Phản ứng này sản sinh ra các hạt mịn cần thiết cho lớp đệm tuần hoàn trong "vòng tuần hoàn nóng" Vòng tuần hoàn này là hành trình tuần hoàn của nguyên liệu lớp đệm bên trong buồng đốt.
Thời gian lưu lại trong buồng lửa kéo dài, kết hợp với cỡ hạt nhỏ và độ rối dòng cao, giúp tăng tốc độ khử lưu huỳnh và giảm lượng đá vôi cần thiết so với lò đốt lớp sôi kiểu sôi bọt Ngoài ra, tốc độ khói cao cải thiện hiệu quả truyền nhiệt trong lò lớp sôi tuần hoàn Không có độ cao cố định cho lớp đệm trong lò lớp sôi tuần hoàn; mật độ hạt lớp đệm thay đổi theo trọng lượng và chiều cao buồng lửa Các hạt nặng thường ở lại vùng thấp hơn của buồng đốt, và khi buồng đốt cao, mật độ hạt trong đường tuần hoàn giảm Khi các hạt phân tán đủ lớn, chúng sẽ bị cuốn ra ngoài vòng tuần hoàn bởi khói thải, tạo ra tro bay.
Ưu – nhợc điểm của công nghệ đốt lớp sôi tuần hoàn
* Ưu điểm của công nghệ lớp sôi tuần hoàn a, Sự linh động về nhiên liệu:
Các buồng đốt CFB có khả năng đốt cháy hiệu quả và sạch sẽ nhiều loại nhiên liệu khác nhau như than, than bùn, phế phẩm gỗ, và phụ phẩm nông nghiệp nhờ vào hai đặc điểm chính: nhiệt độ cháy thấp và khả năng giữ nhiệt lâu trong lớp vật liệu sôi Công nghệ CFBC cho phép đốt nhiều loại nhiên liệu trong cùng một buồng mà không cần sửa chữa, mang lại tiện lợi kỹ thuật và lợi thế thương mại Việc sử dụng nhiên liệu chất lượng thấp hơn và giá rẻ có thể giảm đáng kể chi phí phát điện, trong khi chi phí nhiên liệu thường chiếm từ 40-50% tổng chi phí vận hành nhà máy.
Các lò CFBC có khả năng đốt nhiều loại nhiên liệu khác nhau, từ than antraxit cứng đến than bitum có độ tro cao và cả than thải với độ tro lên tới 70% Chúng cũng có thể xử lý hiệu quả các chất thải than từ quá trình rửa than Một điểm mạnh của công nghệ này là khả năng khử lưu huỳnh trong nhiên liệu với hàm lượng từ 0,5 – 0,7% Ngoài ra, các nhiên liệu ít hoặc không có tro như cốc dầu mỏ cũng có thể được đốt một cách dễ dàng Các loại nhiên liệu có chất bốc cao như than bùn ẩm và phụ phẩm gỗ cũng đã được sử dụng thành công Công nghệ cháy lớp sôi CFBC hoạt động ở nhiệt độ thấp, giúp tránh tạo xỉ trong buồng lửa và giảm phát thải SO2.
Công nghệ cháy CFBC không yêu cầu thiết bị đắt tiền để khử lưu huỳnh, giúp giảm thiểu chi phí đầu tư cho các nhà máy Nhiều nhà máy trên thế giới đã đạt mức khử SO2 trên 90%, với một số nhà máy thậm chí đạt trên 95% Quá trình khử SO2 diễn ra khi đá vôi được đưa vào lò, phản ứng với SO2 và các hợp chất lưu huỳnh trong khói thải, tạo ra CaSO4 rắn, hay còn gọi là thạch cao Chất thải rắn này có thể được tái sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp như phụ gia cho xi măng, cải tạo đất chua, trung hòa bùn nước, và làm chất ổn định Bên cạnh đó, công nghệ này cũng giúp giảm phát thải NOx một cách hiệu quả.
Công nghệ cháy CFBC (Cháy tầng sôi tuần hoàn) giúp giảm thiểu đáng kể phát thải oxit nitơ (NOx), với mức phát thải chỉ khoảng 1/3 so với công nghệ đốt than bột tương đương Nguyên nhân chính là do quá trình cháy diễn ra ở nhiệt độ thấp và theo giai đoạn, với nhiệt độ buồng đốt CFBC chỉ khoảng 850°C, thấp hơn nhiều so với công nghệ đốt than bột.
Sự tuần hoàn liên tục của các chất rắn trong hệ thống buồng đốt CFBC tạo ra môi trường cháy lý tưởng, giúp nhiên liệu được duy trì trong thời gian dài Thời gian lưu lại này không chỉ nâng cao hiệu quả cháy mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực từ sự biến đổi đột ngột của chất lượng nhiên liệu trong hỗn hợp Kết quả là, hiệu suất cháy tối ưu được đạt được với khả năng xử lý một loạt nhiên liệu đa dạng, bao gồm cả các loại nhiên liệu chất lượng thấp, đồng thời loại trừ vấn đề đóng xỉ.
Công nghệ CFBC với nhiệt độ cháy thấp giúp loại bỏ việc tạo xỉ trong buồng đốt và giảm sự bốc hơi của các muối, từ đó giảm chi phí đầu tư và bảo trì cho thiết bị thổi bụi Việc vận hành ở nhiệt độ thấp cũng làm giảm thiểu ăn mòn buồng đốt và bám bụi trên bề mặt trao đổi nhiệt, đồng thời mang lại sự dễ dàng trong vận hành và bảo dưỡng.
Các buồng đốt CFBC được thiết kế với các phần tử đáng tin cậy, giúp cho việc vận hành và bảo trì trở nên dễ dàng hơn Chi phí bảo trì cho buồng đốt CFBC thấp hơn so với buồng đốt than bột cùng kích cỡ, theo kinh nghiệm từ nhà thiết kế Foster Wheeler Thời gian ngừng hoạt động để bảo trì cho các buồng đốt CFBC thường chỉ khoảng 2 tuần mỗi năm hoặc ít hơn Ngoài ra, yêu cầu về nhân lực vận hành cho buồng đốt CFBC cũng thấp hơn so với buồng đốt than bột truyền thống.
* Nhợc điểm của công nghệ lớp cháysôi tuần hoàn
Do kích thước hạt nhiên liệu lớn, quá trình chuyển động của chúng trong quá trình cháy diễn ra mạnh mẽ, dẫn đến nguy cơ mài mòn cao cho các bề mặt trao đổi nhiệt của lò.
Phát thải trong công nghệ đốt than lớp sôi
Phát thải SOx
2.4.1.1Cơ chế hình thành SOx
SO2 Các phản ứng tạo thành SO2 trong quá trình cháy nh sau
Oxy hoá lu huỳnh trong FeS 2
Oxy hoá lu huỳnh hữu cơ
Trong môi trờng oxy hoá toàn bộ lu huỳnh hữu cơ sẽ chuyển thành
SO2 theo phản ứng sau:
Trong môi trờng hoàn nguyên, SO sinh ra sẽ oxy hoá tạo thành SO2 nh sau:
Trong môi trờng hoàn nguyên lu huỳnh có thể cháy đợc trong than và tạo thành H2S Khi gặp oxi sẽ cháy, tạo ra SO2 và H2O
Here is the rewritten paragraph:Phát thải lưu huỳnh dioxit thường được tính theo một phần triệu (ppm) trong khói Khi nhiệt trị của than thay đổi, lượng lưu huỳnh phát ra từ một nhà máy cũng thay đổi theo, tùy thuộc vào lượng nhiệt đầu vào cho trước Do đó, lượng phát thải đôi khi được diễn tả bằng lượng chất khí gây ô nhiễm thải ra trên một đơn vị nhiệt lượng phát ra, được thể hiện bằng đơn vị g/MJ hay lb/triệu BTU.
Thành phần khoáng chất trong than có thể chứa một lợng nhỏ CaO Nó có thể hấp thụ một phần SO2 tạo thành canxi sunfat
CaO + 1/2O2 + SO2 = CaSO4 + 486 kJ/g.mol (2.7) Phần SO2 còn lại thoát ra ngoài khí quyển
Khi các thành phần xúc tác như V, Si, và Fe có mặt ở nhiệt độ thấp, SO2 có thể chuyển hóa thành SO3, nhưng mức độ tạo thành SO3 rất thấp Hơn nữa, một phần SO3 không bền ở nhiệt độ ngọn lửa sẽ quay trở lại thành SO2, dẫn đến hàm lượng SO3 trong khói rất nhỏ.
Sự hình thành SO3 phụ thuộc vào thời gian lưu lại của khói, nhiệt độ, lượng không khí thừa và sự hiện diện của bề mặt xúc tác trong buồng lửa Phản ứng tạo SO3 càng được thúc đẩy ở áp suất và nhiệt độ cao Khi lưu huỳnh triôxit (SO3) tiếp xúc với độ ẩm trong khói, nó dễ dàng tạo thành axit sunfuric và ngưng tụ trên các bề mặt lạnh.
2.4.1.2 Cơ chế khử SOx Đá vôi (CaCO3) và đôlômit (CaCO3.MgCO3) là hai chất hấp thụ chủ yếu đợc sử dụng để hấp thụ SO2 trong thiết bị đốt lớp sôi Ngoài ra, một số các chất hấp thụ nhân tạo cũng đã đợc sử dụng nhng vẫn còn hạn chế
Phản ứng hoá họccủa SO2 với đá vôi có dạng sau đây :
CaCO3 + SO2 + 1/2 O2 = CaSO4 + CO2 (2.10) CaCO3 + SO2 + 1/2 H2O = CaSO3.0,5H2O + CO2 (2.11) CaCO3 + SO2 + 1/2O2 + 2 H2O = CaSO4.2H2O + CO2 (2.12)
Phương trình (3.10) cho thấy quá trình hấp thụ SO2 không diễn ra ngay lập tức Bước đầu tiên là nung nóng, khi đó đá vôi sẽ bị phân huỷ thành CaO và CO2 thông qua phản ứng thu nhiệt.
Phản ứng của canxi cacbonat (CaCO3) với lưu huỳnh điôxít (SO2) diễn ra ở nhiệt độ lớp sôi từ 800 đến 900 độ C, nhưng quá trình này xảy ra rất chậm Do đó, lượng lưu huỳnh được khử thông qua phản ứng này là không đáng kể.
Phản ứng nung nóng đá vôi diễn ra nhanh chóng, nhưng chỉ xảy ra khi áp suất riêng phần của CO2 nhỏ hơn áp suất cân bằng của CO2 (Pe) tại nhiệt độ trước đó.
Trong đó, E là năng lợng hoạt hoá (159000 kJ/kmol) và R là hằng số khÝ (8,314 kJ/kmol 0 K)
Phân áp suất của CO2 trong khói chịu ảnh hưởng bởi lượng không khí thừa và áp suất toàn phần Khi lượng không khí thừa bằng 0, CO2 có hàm lượng thể tích 18,5% sẽ có áp suất riêng phần tương ứng là 0,18 bar ở áp suất buồng đốt 1 bar và 1,8 bar ở áp suất 10 bar Theo phương trình (2.14), phân áp suất của CO2 ở 0,18 và 1,8 bar tương ứng với nhiệt độ cân bằng là 789 và 944 độ C.
Dolomit, một dạng chất hấp thụ khác, được sử dụng trong lớp sôi, là tổ hợp của CaCO3 và MgCO3 Khi được gia nhiệt đến khoảng 620°C, dolomit tách thành hỗn hợp hai dạng cacbonat qua phản ứng thu nhiệt.
CaCO3.MgCO3 = CaCO3 + MgCO3 – 32kJ/g mol (2.15)
MgCO3 bị nung nóng dới áp suất và nhiệt độ cháy:
CaCO3 + MgCO3 = CaCO3 + MgO + CO2 – 100kJ/g mol (2.16) MgO phản ứng rất chậm với SO2 ở nhiệt độ trong khoảng 540-
Khi nhiệt độ đạt 980°C, CO2 được giải phóng từ chất hấp thụ theo phương trình (2.16), tạo ra các lỗ trong hạt chất hấp thụ Sự hình thành các lỗ này cho phép SO2 xâm nhập vào bên trong chất hấp thụ trong suốt quá trình sunfat hóa được mô tả dưới đây.
Phản ứng sunfat hoá là bước thứ hai trong quá trình khử lưu huỳnh khi cháy lớp sôi, trong đó ôxit canxi hấp thụ ôxit lưu huỳnh (SO2) để tạo ra thạch cao (CaSO4).
Các phản ứng sunfat hoá làm gia tăng thể tích của pha rắn
Phản ứng sunfat hoá nghịch :
Dới một điều kiện nào đó, canxi sunfat có thể bị biến đổi trở lại thành CaO và phóng thích SO2:
CaSO4 + CO = CaO + SO2 + CO2 (2.19)
Phần dưới của buồng đốt CFBC hoạt động trong điều kiện thiếu ôxi, với không khí cháy được kiểm soát và nồng độ CO cao Phản ứng (2.19) có thể xảy ra ở nhiệt độ cao, nhưng cũng có khả năng diễn ra ở nhiệt độ tương đối thấp của CFBC nếu có đủ lượng CO.
2.4.1.3 Các yếu tố ảnh hởng tới khử lu huỳnh ảnh hởng của các thông số vật lý
Phát thải NOx
2.4.2.1 Các nguồn tạo phát thải NO x
Ký hiệu NOx đại diện cho nitơ ôxit (NO) và nitơ điôxit (NO2), hai loại khí chủ yếu phát sinh từ quá trình cháy than Các ôxit nitơ này đóng vai trò quan trọng trong ô nhiễm không khí và ảnh hưởng đến sức khỏe con người.
N2O không gây ảnh hưởng trực tiếp tiêu cực đến môi trường, nhưng lại tác động đến lớp ozôn trong khí quyển Ôxit nitơ được hình thành thông qua các phản ứng ôxi hóa.
Nitơ trong không khí được oxy hóa thành NOx ở nhiệt độ trên 1540°C, nhưng trong công nghệ CFBC, nhiệt độ cháy chỉ khoảng 900°C Do đó, lượng NOx hình thành từ nitơ trong quá trình này rất nhỏ, chiếm dưới 10% tổng lượng NOx sinh ra.
Thành phần nitơ trong nhiên liệu chiếm khoảng 1 2% trong mẫu khô - không tro
2.4.2.2 Cơ chế tạo phát thải NOx
NOx là thuật ngữ chỉ hỗn hợp khí nitrogen oxides, bao gồm NO và NO2 Trong hỗn hợp này, NO thường chiếm hơn 90%, trong khi NO2 chỉ chiếm dưới 10% NO2 chỉ được hình thành từ NO khi nhiệt độ vượt quá 600 độ C.
Lượng NOx sinh ra từ quá trình cháy trong buồng đốt phụ thuộc vào hàm lượng Nitơ trong nhiên liệu, nồng độ ôxy trong khói và nhiệt độ cháy Trong các buồng đốt truyền thống, nhiệt độ cháy khoảng 1500-1600°C tạo ra hàm lượng NOx khoảng 300-800 ppm Ngược lại, ở các lò FBC với nhiệt độ cháy khoảng 850°C, hàm lượng NOx chỉ từ 20-200 ppm, thấp hơn nhiều so với các lò truyền thống Điều này cho thấy quá trình tạo NOx trong cháy có sự khác biệt rõ rệt giữa các công nghệ đốt khác nhau.
Phụ thuộc vào điều kiện phản ứng và nguồn gốc nitơ sinh ra từ quá trình cháy đợc phân thành:
+ NOx nhiên liệu: Là NOx mà sinh ra từ hàm lợng nitơ trong nhiên liệu
+ NOx nhiệt: Là NOx sinh ra từ phản ứng ôxi hoá nitơ trong khói ở nhiệt độ cao
+ NOx tức thời: Là NOx sinh ra khi cháy hyđrocacbon trong không khí với thời gian rất ngắn ( prompt NO)
Trong quá trình đốt nhiên liệu trong lò FBC, NOx thường chiếm hơn 90% tổng lượng NOx phát thải, cao hơn so với lượng NOx nhiệt phát ra do nhiệt độ cháy thấp của FBC Ngược lại, trong lò hơi truyền thống, NOx nhiệt có thể cao hơn do nhiệt độ cháy cao hơn Tuy nhiên, lượng NOx nhiệt sinh ra từ quá trình cháy than thường không vượt quá 25%.
NO nhiệt đợc phân thành NO zeldovich khi thừa ôxi và NO Fnimore trong vùng giầu nhiên liệu Đặc điểm của NO nhiệt
+ Phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ, nhiệt độ càng cao lợng NO càng lớn
+ Phụ thuộc vào nồng độ ôxi trong khói, nồng độ càng cao lợng NO càng lín
+ Tốc độ tạo thành NO chậm hơn so với tốc độ cháy Đặc điểm NO prompt
+ Chỉ tạo thành với quá trình cháy hyđrocacbon ( các quá trình cháy khác: H2, CO không tạo thành NO promt)
Cơ chế hình thành NO prompt tương tự như NO nhiên liệu, phụ thuộc vào tỷ lệ hỗn hợp trước và điều kiện nhiệt độ trong phản ứng của các gốc mới hình thành Đặc điểm nổi bật của NO nhiên liệu cũng được xem xét trong quá trình này.
+ Phụ thuộc vào lợng không khí thừa, hàm lợng nitơ trong nhiên liệu, cấu trúc nitơ trong nhiên liệu
+ Nhiệt độ ảnh hởng không nhiều đến quá trình hình thành NO nhiên liệu
+ Tốc độ tạo thành NO nhiên liệu rất nhanh, gần nh đồng thời với phản ứng cháy
Phương pháp hòa trộn nhiên liệu và không khí có ảnh hưởng lớn đến quá trình hình thành NO từ nhiên liệu Đặc biệt, ngọn lửa khuyếch tán tạo ra lượng NO thấp hơn so với ngọn lửa hòa trộn trước đó.
2.4.2.3Các phơng pháp nhằm suy giảm phát thải NOx
Có hai phơng pháp cơ bản để giảm thiểu NOx phát thải
- Sử dụng công nghệ cháy phát thải NO x thấp
Công nghệ khử NOx trên đường khói sử dụng các biện pháp giảm thiểu sự hình thành NOx trong quá trình cháy bằng cách điều chỉnh nhiệt độ ngọn lửa, nồng độ oxy và thời gian phản ứng trong vùng cháy Tuy nhiên, cần chú ý đến hiệu suất cháy để tránh tổn thất do cháy không hoàn toàn Trong bối cảnh này, công nghệ FBC (Fluidized Bed Combustion) được xem là một giải pháp hiệu quả.
Cấp nhiên liệu nhiều cấp là phương pháp hiệu quả trong việc giảm phát thải NOx Nhiên liệu được chia thành hai lần cấp, với khoảng 70-80% nhiên liệu được đốt cháy bình thường ở phía dưới buồng đốt, trong khi 20-30% còn lại được đốt ở phía trên để tạo vùng cháy hồi hoàn, giúp phân hủy NOx thành N2 Sau đó, không khí được cấp thêm vào phía trên miệng cấp nhiên liệu thứ hai để đảm bảo quá trình cháy diễn ra hoàn toàn Phương pháp này cho phép tăng chiều cao buồng đốt và giảm nhiệt độ khói trong buồng, thường giảm được 40-65% lượng NOx phát thải.
Hai công nghệ khử NOx phổ biến hiện nay là hệ thống khử sử dụng chất xúc tác (SCR) và hệ thống không sử dụng chất xúc tác (SNCR).
Công nghệ khử NOx sử dụng chất xúc tác, trong đó dung dịch NH3 được phun vào dòng khói chứa NOx Khi đi qua lớp xúc tác, NOx sẽ được phân huỷ thành N2 ở nhiệt độ từ 300 đến 400 độ C.
Phơng trình phản ứng khử NO x :
Phương pháp khử NOx này rất hiệu quả và đơn giản, với khoảng 80% NOx được khử khi tỉ lệ mol NH3/NOx = 1, phần NH3 không phản ứng hết rất nhỏ Lớp tiếp xúc tái sử dụng chủ yếu là ôxit titan có cấu trúc rỗng với một số lỗ thiếc Hình dạng của lớp xúc tác rất đa dạng, thường là lưới và đĩa phân phối, nhằm tránh tình trạng bám bẩn làm tắc lỗ do bôi.
Vị trí lớp xúc tác chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ của dòng khói, với ba vị trí lắp đặt chính Đầu tiên, lớp xúc tác được đặt sau bộ hâm nước và trước bộ sấy không khí, nơi có nồng độ tro bụi cao.
+ Sau bộ sấy không khí trớc bộ khử bụi, nồng độ tro bụi thấp
Trước ống khói, vị trí này mang lại tuổi thọ lớp xúc tác tối ưu và chi phí sử dụng chất xúc tác thấp nhất Tuy nhiên, nhược điểm là cần gia nhiệt dòng khói đến nhiệt độ yêu cầu, điều này làm tăng các chi phí khác.
Các quá trình truyền nhiệt trong lò hơi lớp sôi
Trong lò hơi lớp sôi có lớp sôi ổn định, điều kiện truyền nhiệt đặc thù sẽ được thiết lập So với lò hơi thông thường, lò hơi lớp sôi có hai điểm khác biệt chính: nhiệt độ cháy trong lò hơi lớp sôi thấp hơn, dao động từ 800 độ C.
Trong lò hơi lớp sôi, nhiệt độ có thể đạt tới 900 °C và mật độ các hạt rắn trong lớp sôi cao hơn so với lò hơi thông thường Điều này dẫn đến việc truyền nhiệt bằng bức xạ trong lò hơi lớp sôi đóng vai trò ít quan trọng hơn Trong khi lò hơi bình thường chỉ có hai cơ chế truyền nhiệt là trao đổi nhiệt đối lưu và bức xạ, lò hơi lớp sôi lại có ba cơ chế trao đổi nhiệt hiệu quả: bức xạ, đối lưu và truyền nhiệt do các hạt rắn.
Trong lò hơi lớp sôi, nhiệt độ duy trì ổn định từ 800 - 900 o C, phụ thuộc vào nhiệt độ nóng chảy của tro xỉ và điều kiện tối ưu cho phản ứng SO2 với CaO Nhiệt độ này được giữ đều trong toàn bộ dung tích lớp sôi, nhờ vào quá trình truyền nhiệt mạnh mẽ từ các hạt trơ nóng đến không khí lạnh cấp vào lò qua bép phân phối gió Kết quả là nhiệt độ xung quanh các bép phân phối gió và nhiệt độ khói đạt mức tương đương với nhiệt độ trung bình của lớp sôi.
Nhiệt độ tại các vùng xung quanh buồng đốt được giới hạn trong khoảng hẹp, và khi đốt cháy nhiên liệu có hàm lượng chất bốc cao như than non hay sinh khối, nhiệt độ tại các vùng tự do có thể cao hơn lớp sôi từ 100 – 200 oC Đối với lò hơi có dàn ống cách nhiệt bằng gạch chịu lửa, sự chênh lệch này rõ rệt hơn Trong khi đó, lò hơi tầng sôi với dàn ống nước không có sự chênh lệch lớn giữa nhiệt độ tức thời và nhiệt độ lớp sôi Ngoài ra, tại các phần xa bề mặt ghi của lò hơi ghi tĩnh, sự chênh lệch nhiệt độ dọc theo chiều cao lớn hơn so với lò hơi tầng sôi, cho thấy điều kiện truyền nhiệt của lò hơi lớp sôi tương tự như lò hơi dùng trao đổi nhiệt đối lưu.
Trong lò hơi lớp sôi, sự khác biệt lớn nhất về truyền nhiệt là chênh lệch mật độ hạt rắn giữa các vị trí Mật độ hạt rắn tại vùng lớp sôi khoảng 10^3 kg/m^3, trong khi tại vị trí ra khỏi lò hơi chỉ khoảng 0,1 kg/m^3 Sự thay đổi mật độ này diễn ra theo hàm mũ, đặc biệt là tại vùng bắn toé gần bề mặt sôi tự do, nơi có sự biến đổi mật độ lớn nhất Sự thay đổi mật độ hạt rắn ảnh hưởng đến vai trò của các cơ chế truyền nhiệt trong lò hơi tầng sôi, dẫn đến sự thay đổi đột ngột dọc theo chiều cao buồng đốt.
Tại vùng lớp sôi, truyền nhiệt chủ yếu diễn ra qua các hạt rắn, trong khi ở vùng tự do, xa bề mặt lớp sôi, cơ chế truyền nhiệt chủ yếu là bức xạ.
Bề mặt lớp sôi không chỉ phát ra bức xạ tới các diện tích xung quanh mà còn tới các diện tích trao đổi nhiệt khác mà không cần có ánh sáng chiếu trực tiếp Cường độ quá trình trao đổi nhiệt thay đổi theo chiều cao của buồng đốt Đối với lò hơi lớp sôi, cường độ dòng nhiệt tới các bề mặt chìm trong lớp sôi dao động từ 250 đến 700 W/m²K, trong khi cường độ dòng nhiệt tại vùng tự do chỉ nhỏ hơn 100 W/m²K.
Trong lò hơi lớp sôi, nhiệt được truyền tới các ống chìm trong lớp sôi và các tường ống của buồng đốt Mặc dù cơ chế truyền nhiệt trong hai trường hợp này tương tự nhau, nhưng sự chênh lệch về độ cao, tính chất của dòng hạt rắn tiếp xúc với bề mặt, kích thước cụm hạt và chuyển động của hạt có thể dẫn đến sự khác biệt trong cường độ trao đổi nhiệt.
Sự truyền nhiệt giữa khí và hạt là yếu tố quan trọng trong quá trình xảy ra ở lớp sôi Trong trường hợp cháy lớp sôi, quá trình này giúp gia nhiệt cho không khí lạnh được cấp vào lò thông qua việc tiếp xúc với hạt trơ Sự truyền nhiệt diễn ra mạnh mẽ, làm cho không khí được gia nhiệt nhanh chóng, với diện tích tiếp xúc có thể đạt mức cao.
Trong lớp sôi, độ chênh lệch nhiệt độ giữa các hạt và không khí thường rất nhỏ, với giá trị khoảng 45000 m²/m³ Tuy nhiên, gần vị trí bép phân phối gió (khoảng 5-10 cm), độ chênh nhiệt độ tăng lên, và nhiệt độ không khí tại đây thấp hơn nhiệt độ trung bình của lớp sôi.
Do sự truyền nhiệt mạnh mẽ giữa các thành phần của lớp sôi, nhiệt độ trong lớp này thường gần như đồng đều Tuy nhiên, khi có nguồn nhiệt mạnh tại vị trí cục bộ, như khi đốt nhiên liệu hoặc than có hàm lượng chất bốc cao, quá trình trao đổi nhiệt có thể không đủ để duy trì nhiệt độ đồng đều trong toàn bộ thể tích lớp sôi Vì vậy, việc nghiên cứu truyền nhiệt giữa các thành phần khác nhau của lớp sôi là cần thiết để đánh giá nguy cơ quá nhiệt cục bộ.
Trong lò hơi lớp sôi, nhiên liệu có độ tro và độ ẩm cao có thể được sử dụng để đốt, nhờ vào khả năng gia nhiệt nhanh chóng của các hạt nhiên liệu lạnh bởi các hạt trơ trong lớp sôi Việc phân tích và nghiên cứu truyền nhiệt từ các phần tử của lớp sôi đến các phần tử nhiên liệu là cần thiết để xây dựng các mô hình chính xác về quá trình cháy Quá trình này đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong hoạt động của lò hơi lớp sôi.
Trong lò hơi lớp sôi, các quá trình truyền nhiệt đặc biệt diễn ra, bao gồm truyền nhiệt giữa khí và hạt, giữa thể nhũ tương và pha bọt, cũng như giữa các phần khác nhau của lớp sôi Ngoài ra, còn có sự truyền nhiệt giữa lớp sôi và hạt nhiên liệu, cùng với các chùm ống chìm trong lớp sôi và tường ống nước Đặc điểm nổi bật của những quá trình này là sự hiện diện của các hạt rắn, với nhiệt được truyền qua tiếp xúc và hòa trộn giữa các hạt.
Trong những năm gần đây, nghiên cứu về quá trình truyền nhiệt trong các bọt lớp sôi đã thu hút sự chú ý đáng kể Tuy nhiên, vẫn thiếu hụt dữ liệu liên quan đến lớp sôi với kích thước hạt lớn hơn, điều này rất quan trọng đối với hiệu suất của lò hơi lớp sôi.
Truyền nhiệt giữa khí và hạt trong bọt lớp sôi
Trong lớp sôi, nhiệt độ gần như đồng đều nhờ sự hòa trộn mạnh mẽ của các hạt theo cả phương ngang và phương dọc Ở nhiệt độ từ vài trăm đến vài nghìn độ C, độ chênh lệch nhiệt độ không vượt quá 2 – 5 độ C Nhiệt độ khí tại điểm ra khỏi lớp sôi gần bằng với nhiệt độ của lớp sôi, cho thấy các hạt rắn trong lớp sôi có khả năng truyền nhiệt cao sang khí Khả năng này được nâng cao nhờ diện tích truyền nhiệt lớn, lên tới 3000.
Mặc dù cường độ truyền nhiệt hiệu quả trung bình giữa khí và hạt rất nhỏ, chỉ từ 6 đến 25 W/m²K, nhưng dung lượng nhiệt lớn của các hạt rắn giúp giảm độ chênh lệch nhiệt độ giữa chúng và khí Điều này cho thấy sự quan trọng của hạt trong việc cải thiện hiệu suất truyền nhiệt trong các hệ thống.
Các số liệu thực nghiệm và kết quả tính toán về nhiệt truyền trong lớp sôi của các hạt rắn cho thấy sự khác biệt đáng kể giữa các tác giả Đặc biệt, trong trường hợp Reynolds nhỏ, hệ số truyền nhiệt đối với các hạt đơn lại thấp hơn, điều này gây khó khăn trong việc giải thích về mặt vật lý.
Nguyên nhân chính của sự chênh lệch lớn giữa hệ số truyền nhiệt của các hạt đơn và cụm hạt trong lớp sôi chủ yếu xuất phát từ việc đo nhiệt độ khí trong lớp sôi, cũng như quá trình xử lý và giải thích số liệu Các khó khăn liên quan đến việc đo nhiệt độ và phân tích số liệu đã được nghiên cứu kỹ lưỡng trong tài liệu trước đó Đặc biệt, trong quá trình xử lý dữ liệu, việc sử dụng các phương trình cân bằng năng lượng mà không tính đến quá trình truyền nhiệt theo trục của phân tử có thể dẫn đến những sai lệch đáng kể.
Hình 3.1 trình bày kết quả của nhiều tác giả tại các khoảng hệ số
Hình 3.1 Chênh lệch về hệ số truyền nhiệt giữa khí và hạt ở các chế độ dòng khác nhau theo hệ số Re [6]
Nếu hệ số Reynolds: 10 -1 < Re < 10 2 thì ta có công thức sau [6]:
Công thức trên đúng với các khí có Pr ≈ 0.7
1 – số liệu trong lớp sôi bọt
2 số liệu ghi cố định -
3 – số liệu lớp chặt có chuyển động của khí
A A: truyền nhiệt của các hạt đơn -B-B- B: truyền nhiệt trong lớp sôi
Hai công thức sau dựa trên kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả, bao gồm cả một số nhà nghiên cứu tại U.S.S.R, Gel’perin and Einstein ] [6
Víi Rep / ε < 200 th× Nup= 1.6 10 -3 (Rep )/ ε 1.3 Pr 0.33 (3.3) Víi Rep / ε > 200 th× Nup= 0.4 (Rep )/ ε 2/3 Pr 0.33 (3.4)
Các kết quả từ các phương trình của các tác giả khác nhau có độ sai lệch khoảng ± 100 ~ 200% Những phương trình này mô tả quá trình truyền nhiệt cho cả kiểu ghi cố định và lớp sôi, đồng thời cũng áp dụng cho dòng hai pha khí – hạt.
Nếu tính cả nhiệt truyền theo trục phân tử chất khí vào tổng lợng nhiệt thì ta có công thức sau [6]:
Nup=(7 10ε- +5ε 2 )(1+ 0.7Rep 0.2 Pr 0.33 )+(1.33 - 2.4ε +1.2ε 2 )Rep 0.7Pr 0.33 (3.5) Công thức trên đúng trong khoảng ε = 0.35 ~ 1 Đối với lớp chặt có Rep nhỏ thì có thể dùng công thức sau [6]:
Các nghiên cứu cho thấy khi tính toán lượng nhiệt theo trục phân tử, hệ số truyền nhiệt trong lớp sôi không còn sự chênh lệch đáng kể giữa hạt đơn và cụm hạt.
Một phân tích đơn giản cho thấy, mặc dù hệ số truyền nhiệt thấp tại vị trí gần bép phân phối không khí lạnh vào lò, nhưng nhiệt độ khí và hạt gần như đồng đều Sự chênh lệch nhiệt độ giữa khí và hạt tăng lên hàng trăm lần tại vị trí cách đó vài chục mm, tương đương với khoảng cách 5 - 10 lần đường kính hạt.
Khi kích thước hạt lớn hơn, khoảng cách nơi nhiệt độ khí và hạt bằng nhau cũng tăng lên do tổng diện tích bề mặt của các hạt nhỏ giảm Trong các lò công nghiệp, chiều cao lớp sôi thường dao động từ 0,5 đến 1 m, cho thấy nhiệt độ có thể được coi là đồng đều dọc theo chiều cao của lớp ghi.
Trong quá trình sôi bọt, cần nghiên cứu riêng biệt sự cân bằng nhiệt độ giữa bọt và hạt, giữa khí và hạt dạng thể nhũ tơng
Sự chuyển dịch quay vòng mạnh mẽ giữa bọt và thể nhũ tương dẫn đến việc nhiệt độ khí tại hai pha này nhanh chóng đạt sự cân bằng Trong lớp sôi, các bọt có kích thước lớn bị rửa sạch chậm hơn bởi khí từ pha nhũ tương, do đó nhiệt độ cân bằng đạt được nhanh hơn với các bọt nhỏ, nơi khí chỉ tiếp xúc với bề mặt pha nhũ tương hoặc với đám bọt Hơn nữa, các hạt còn di chuyển lên phía trên, mặc dù mật độ thể tích của chúng chỉ chiếm một phần nhỏ.
1%) cũng làm tăng lợng nhiệt trao đổi nên làm nhiệt độ cân bằng nhanh hơn
Tại khoảng cách gấp hai lần đường kính bọt, sự chênh lệch nhiệt độ giữa khí trong bọt và hạt trong pha nhũ tương giảm Điều này xảy ra do các bọt gần bép phân phối gió có đường kính nhỏ (~ 1cm), dẫn đến nhiệt độ khí tương đương với nhiệt độ hạt rắn trong pha nhũ tương ở những khoảng cách nhỏ.
Khoảng cách tới bép phân phối gió là yếu tố quan trọng, nơi chênh lệch nhiệt độ giữa hạt và khí nhỏ hơn 100 lần Nghiên cứu này tính toán với bột thủy tinh và không khí, phân chia thành hai lớp: lớp sôi đồng nhất và lớp sôi tạo bọt.
Trong lò hơi công nghiệp các bép phân phối gió có đờng kính lớn, cân bằng nhiệt độ xảy ra rất nhanh
Truyền nhiệt giữa dòng khí ra khỏi bép phân phối gió và hạt rắn trong lớp sôi diễn ra rất mạnh và kết thúc tại khoảng cách sau [6]:
Lt max = νR rR Tb / 0.168 ut Ga – 0.1 TR (3.7)
Dựa trên số liệu thực tế, quá trình cháy của nhiên liệu rắn kiểu lớp sôi diễn ra ở hai pha khác nhau: cháy cốc xảy ra trong pha nhũ tương, trong khi cháy chất bốc diễn ra trong bọt.
Nhiệt độ không khí trong quá trình cháy thấp hơn nhiệt độ lớp sôi, dẫn đến một phần không khí vào lớp sôi dưới dạng bọt Do đó, cần tính toán lượng truyền nhiệt và truyền chất giữa bọt và pha nhũ tương trong quá trình cháy Quá trình truyền nhiệt giữa bọt và pha nhũ tương, cũng như giữa khí và hạt trong pha nhũ tương, diễn ra rất mãnh liệt, đặc biệt là ở khoảng cách gần bép phân phối gió, nơi nhiệt độ của khí và các bọt gần bằng nhau Mặc dù truyền nhiệt giữa nhũ tương và bọt không quyết định quá trình cháy lớp sôi, nhưng truyền chất giữa bọt và nhũ tương lại rất quan trọng Trong pha nhũ tương, sự cháy oxy xảy ra mạnh hơn so với các pha khác, vì vậy hiệu quả cháy và lượng không khí thừa phụ thuộc lớn vào quá trình trao đổi oxy giữa bọt và nhũ tương.
Truyền nhiệt giữa pha nhũ tương và bọt có thể được xem như một mô hình lớp sôi hai pha, trong đó khí được trao đổi giữa hai pha này.
Truyền nhiệt giữa hạt và bọt trong lớp sôi
Để hiểu và mô hình hóa quá trình cháy lớp sôi của nhiên liệu rắn, cần nắm rõ quá trình truyền nhiệt giữa hạt nhiên liệu và pha nhũ tương gồm các hạt trơ nóng Khi các hạt nhiên liệu lạnh chuyển vào lớp sôi nóng, chúng trải qua quá trình gia nhiệt, sấy khô và cháy chất bốc Các quá trình này phụ thuộc vào cường độ truyền nhiệt từ lớp sôi đến hạt nhiên liệu Sau đó, hạt sẽ bốc cháy với nhiệt độ cao hơn Ngoài ra, quá trình khuếch tán oxy tới hạt nhiên liệu trong suốt quá trình cháy và khuếch tán sản phẩm cháy từ hạt đến toàn bộ thể tích lớp sôi cũng rất quan trọng.
Chúng ta sẽ tiến hành nghiên cứu sâu hơn về quá trình truyền nhiệt giữa các hạt nhiên liệu và lớp sôi Trước đây, có rất ít nghiên cứu liên quan đến quá trình này, đặc biệt là các kiểu hạt nhiên liệu khác nhau trong lớp sôi, bao gồm cả hạt chuyển động và không chuyển động, cũng như kích thước lớn hơn hoặc nhỏ hơn so với các hạt trong lớp sôi Do đó, dữ liệu thí nghiệm về các quá trình này rất khan hiếm Theo tài liệu trước đây, những vấn đề này thường không được đề cập hoặc chỉ ra rằng nên áp dụng các công thức cho bề mặt chìm trong lớp sôi đối với các hạt lớn hơn nhiều so với hạt trong lớp sôi Việc sử dụng công thức truyền nhiệt giữa khí và hạt cho những hạt có kích thước tương đương với các hạt trong lớp sôi là cần thiết.
Trong những năm gần đây, ngày càng có nhiều nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện về các quá trình này Các báo cáo giá trị trong lĩnh vực này đã được công bố, góp phần làm sáng tỏ những vấn đề quan trọng.
Nghiên cứu thực nghiệm đã được tiến hành với các hạt chuyển động và hạt cố định, sử dụng bộ gia nhiệt hình cầu và hình trụ để phân tích quá trình truyền
Trong quá trình cháy lớp sôi, nhiệt truyền theo hai hướng: đầu tiên, trong quá trình gia nhiệt nhiên liệu, sấy khô và thoát chất bốc, nhiệt được truyền từ lớp sôi tới các hạt nhiên liệu Sau khi chất bốc cháy, đặc biệt trong quá trình cháy cốc, nhiệt độ của hạt nhiên liệu cao hơn nhiệt độ lớp sôi, dẫn đến việc nhiệt được truyền từ hạt nhiên liệu sang lớp sôi.
Nhiệt độ được truyền giữa hạt nhiên liệu và lớp sôi thông qua ba cơ chế chính: đối lưu chất khí, tiếp xúc hạt và bức xạ Trong đó, truyền nhiệt bức xạ trong lớp sôi vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ và hoàn thiện Các cơ chế truyền nhiệt này có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình truyền nhiệt, tùy thuộc vào kích cỡ hạt nhiên liệu Đối với hạt nhiên liệu có kích cỡ nhỏ hơn hoặc bằng kích cỡ hạt trơ, ảnh hưởng của truyền nhiệt đối lưu là quan trọng nhất Ngược lại, đối với hạt nhiên liệu có kích thước lớn hơn, truyền nhiệt qua tiếp xúc hạt lại trở nên mạnh mẽ hơn.
< 0.8 m/s Lợng nhiệt truyền đợc đo với hạt bột bạc ( d = 4 – 8 mm) và bột than chì (d = 4 20 mm) bằng cặp nhiệt.-
Hệ số truyền nhiệt của hạt nhiên liệu đạt cực đại tại tốc độ lớp sôi tối ưu, tương tự như quá trình truyền nhiệt trên các bề mặt chìm trong lớp sôi Kích thước buồng đốt nhỏ hơn sẽ dẫn đến hệ số truyền nhiệt cực đại lớn hơn Hình 3 minh họa sự phụ thuộc của hệ số truyền nhiệt của hạt than vào tốc độ lớp sôi và ảnh hưởng của kích thước hạt trơ trong lớp sôi.
Hình 3 minh họa ảnh hưởng của đường kính hạt bột bạc (không chuyển động) và than (chuyển động) đến hệ số truyền nhiệt cực đại của lớp sôi với hạt trơ là bột thủy tinh có kích cỡ khác nhau.
Hình 3.3 Sự phụ thuộc của hệ số truyền nhiệt của hạt than vào tốc độ lớp sôi và ảnh hởng của kích thớc hạt trơ trong lớp sôi ] [9
Hình 3.4 Hệ số truyền nhiệt cực đại phụ thuộc vào đờng kính hạt ] [9
Từ các kết quả này có thể rút ra các kết luận sau:
- Tốc độ lớp sôi ảnh hởng mạnh tới quá trình truyền nhiệt
- Khi tăng kích thớc hạt trơ quá trình truyền nhiệt lại giảm
- Hệ số truyền nhiệt của các hạt tự do thấp hơn so với các hạt không chuyển động khoảng 10%
W.Prins [9]đa ra các kết quả thực nghiệm ở ghi có nhiệt độ 300 o C thể hiện trong các biểu thức không thứ nguyên nh sau:
(a) Hệ số truyền nhiệt cực đại đối với các hạt hình cầu cố định (xem hình 3.5)
Hình 3.5 Sự phụ thuộc Numax của các hạt cố định hình cầu vào đờng kính hạt trơ trong lớp sôi [9]
(b) Hệ số truyền nhiệt cực đại đối với các hạt hình cầu chuyển động tự do (xem h×nh 3.6)
Hình 3.6 Sự phụ thuộc Numax của các hạt hình cầu chuyển động tự do trong lớp sôi vào đờng kính hạt trơ của lớp sôi [9]
Các kết quả thực nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ lớp sôi 300 °C, 600 °C và 900 °C Để có cùng dạng biểu thức, tiến hành hiệu chỉnh bằng cách chia Nu max Ar -m và Nu max Ar -n ở vế trái của các công thức (3.14) và (3.16) cho hệ số phù hợp.
W Prins đã so sánh kết quả giữa các hạt bạc và than, với độ phát xạ khác nhau, và kết luận rằng trao đổi nhiệt bức xạ không ảnh hưởng đến nhiệt độ lớp sôi khi dưới 900 °C.
Sự phù hợp của các kết quả đạt được, được mô tả bởi tương quan giữa (3.14) và (3.16), có thể được quan sát trong hình 18 3.7, nơi mà các kết quả tính toán được so sánh với kết quả đo lường hệ số truyền nhiệt khi cháy hạt than [6].
Kết quả thực nghiệm của W.Prins tương đồng với công thức tính toán hệ số truyền nhiệt, nhưng các tác giả khác ghi nhận kết quả cao hơn khoảng 30% so với đồ thị từ công thức (3.16) và hệ số (3.18) W.Prins phân tích rằng nguyên nhân chính là do sai lầm trong việc xác định nhiệt tỏa ra từ quá trình cháy Carbon, khi thường giả định rằng quá trình cháy hoàn toàn chỉ tạo ra CO2 Trong các thí nghiệm, W.Prins đã đo nồng độ của cả CO và CO2, và kết quả này phù hợp với các kết quả đạt được từ việc đo hệ số truyền nhiệt.
Hình 3.7 so sánh kết quả thực nghiệm với công thức 3.16 về hệ số truyền nhiệt lớn nhất của các hạt rắn trong lớp sôi Đối với lò hơi cỡ nhỏ và kích thước hạt nhiên liệu tương đồng với hạt trơ, cần sử dụng công thức trong mục 3.2 để tính lượng nhiệt trao đổi giữa khí và hạt trơ Trong các tài liệu cũ, khi kích thước hạt nhiên liệu gần giống với hạt trơ, giá trị Nup được áp dụng để tính lượng nhiệt truyền Đối với lớp sôi có kích thước hạt lớn, cần áp dụng công thức khác để tính toán.
Trong các mô hình toán học về gia nhiệt hạt và thoát chất bốc đối với hạt than có kích thước lớn (> 1mm), khi Re < 100, sử dụng công thức (3.2); còn khi Re > 100, áp dụng công thức của Agarwall [6].
Nu = 20 + 1.8Re 0.5 Pr 0.33 (3.20) Đối với việc mô hình hóa quá trình thoát chất bốc ở những hạt than lớn
Biểu hiện bề ngoài của dẫn nhiệt trong bọt của lớp sôi
Lớp sôi nổi bật với nhiệt độ đồng đều trong toàn bộ thể tích, điều này mang lại nhiều ưu điểm cho việc đốt cháy nhiên liệu rắn Tuy nhiên, nhiệt độ trong lớp sôi không hoàn toàn đồng nhất, với sự chênh lệch đáng kể ở phương bên Sự đồng đều nhiệt độ này phụ thuộc vào quá trình truyền nhiệt giữa các vùng khác nhau trong lớp sôi, trong đó hiệu ứng dẫn nhiệt mạnh mẽ hơn cả khí và hạt rắn Cơ chế dẫn nhiệt chủ yếu không phải là dẫn nhiệt phân tử, mà là do các hạt rắn trao đổi nhiệt với các thành phần tiếp xúc Hơn nữa, quá trình hòa trộn các hạt rắn theo phương trục diễn ra mạnh mẽ hơn so với phương hướng kính, với hiệu ứng dẫn nhiệt theo phương trục có cường độ cao hơn nhiều.
5000 W/mK) [6] đều có thể giải thích
Quá trình truyền nhiệt trong lớp sôi và phân bố nhiệt độ không đồng đều là vấn đề quan trọng trong các lò luyện kim và thiết bị cung cấp nhiệt cho kim loại, cũng như trong các dây chuyền hóa chất và thiết bị sấy sử dụng kiểu đốt lớp sôi Trong các thiết bị này, lớp sôi được gia nhiệt hoặc làm lạnh thông qua các bề mặt trao đổi nhiệt chìm hoặc bộ gia nhiệt điện Việc đưa vào lớp sôi một lượng lớn vật liệu nguội hơn, ấm hơn hoặc lạnh hơn liên tục đã dẫn đến sự chênh lệch nhiệt độ đáng kể Đôi khi, yêu cầu công nghệ cần tạo ra chênh lệch nhiệt độ giữa vật liệu vào và vật liệu ra, do đó, thảo luận về quá trình truyền nhiệt này thường được thực hiện trên lý thuyết.
Trong lò hơi tầng sôi, việc duy trì nhiệt độ ổn định giữa phương trục và phương hướng kính là rất quan trọng trong điều kiện vận hành bình thường Tất cả các bề mặt trao đổi nhiệt trong lò hơi lớp sôi được phân bố đồng đều, giúp các tường ống của lò hơi hấp thụ nhiệt một cách đồng nhất từ mọi hướng.
Lớp sôi cháy thường gặp tình trạng nhiệt độ không đồng đều do số lượng điểm cấp liệu không đủ Khi nhiên liệu tập trung quá nhiều vào một khu vực hẹp, hiện tượng quá nhiệt cục bộ xảy ra, dẫn đến nguy cơ thiêu kết xỉ và vật liệu trơ, đặc biệt là với nhiên liệu có hàm lượng chất bốc cao.
Nếu giả định rằng sự truyền nhiệt trong lớp sôi là do hòa trộn các hạt rắn, thì lượng nhiệt truyền xảy ra nhờ vào việc vận chuyển các hạt gia nhiệt Do
Ip = ipρp(1- ) ε víi ip = cpt (3.25)
(1 ) s p p ef dt dt q D c dx dx ρ ε λ
Trong đó: λef - D= s ρp cp - ) (1 ε (3.27) là hệ số dẫn nhiệt của lớp sôi
Từ công thức trên có thể thấy hệ số khuếch tán nhiệt của lớp sôi bằng với hệ số khuếch tán hạt:
= − (3.28) Điều đó tạo ra dự đoán rằng sự khuếch tán nhiệt dựa trên quá trình hòa trộn các hạt rắn
Các tài liệu hiện tại thiếu số liệu đo lường về hệ số dẫn nhiệt, và việc đo lường chỉ được thực hiện trên các thiết bị cỡ nhỏ Điều này gây khó khăn trong việc áp dụng kết quả vào các thiết bị lớn trong công nghiệp Mặc dù nhiều thực nghiệm đã xác định hệ số dẫn nhiệt cực đại tại các tốc độ sôi khác nhau, nhưng vẫn chưa đạt được sự đồng nhất cao trong các kết quả này.
Tốc độ sôi, chiều cao lớp sôi và kích thước hạt ảnh hưởng đáng kể đến sự dẫn nhiệt trong lớp sôi của các hạt Corundum, như được chỉ ra trong kết quả đo của Baskakov Khi kích thước hạt tăng từ 60 m đến 320 m, sự dẫn nhiệt giảm mạnh Giá trị cực đại trở nên ít rõ ràng hơn với các hạt lớn và chiều cao lớp sôi thấp Sự tồn tại của giá trị cực đại có thể được giải thích bởi hai quá trình đối lập: (1) quá trình hòa trộn hạt tăng lên khi tốc độ lớp sôi tăng, và (2) mật độ lớp sôi giảm.
Tốc độ sôi ảnh hưởng đến hệ số dẫn nhiệt của bọt trong lớp sôi, như thể hiện trong Hình 3.8 Cụ thể, hình ảnh (a) cho thấy sự khác biệt về kích thước hạt trong lớp sôi, trong khi hình ảnh (b) minh họa sự thay đổi của lớp sôi ở các độ cao khác nhau.
Các nghiên cứu cho thấy rằng sự đồng đều về dẫn nhiệt tăng lên khi tốc độ lớp sôi gia tăng B.A Borodulya đã đưa ra công thức thực nghiệm cho lớp sôi sử dụng hạt trơ là cát silic nhuyễn.
Nhiều tài liệu đã nỗ lực tính toán trường nhiệt độ trong lớp sôi bằng cách áp dụng cân bằng Fourier cho dẫn nhiệt Một số nghiên cứu [6] đã giải quyết cân bằng Fourier cho lớp sôi trong không gian không đẳng hướng, với sự chênh lệch về dẫn nhiệt theo phương trục và phương kính Kunni – Levenspiel [6] đã tính toán hệ số dẫn nhiệt dựa trên mô hình hòa trộn hạt, và kết quả tính toán trường nhiệt độ cho thấy sự tương đồng đáng kể với dữ liệu thực nghiệm.
Truyền nhiệt giữa lớp sôi vào bề mặt trao đổi nhiệt
Các cơ chế truyền nhiệt từ lớp sôi tới bề mặt trao đổi nhiệt
Lớp sôi các hạt rắn có khả năng truyền nhiệt mạnh mẽ đến các bề mặt chìm, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho nhiều quá trình vật lý và hóa học liên quan đến sự cháy Trong những trường hợp thường gặp, nhiệt được thêm vào hoặc lấy đi thông qua các bề mặt trao đổi nhiệt nằm trong lớp sôi, bao gồm các bó ống, bộ trao đổi nhiệt kiểu ống xoắn hoặc tường ống.
Sự trao đổi nhiệt giữa lớp sôi và bề mặt trao đổi nhiệt diễn ra mạnh mẽ do lượng nhiệt lớn và sự chuyển động của các hạt Lượng nhiệt mà các hạt trao đổi với bề mặt lớn gấp hơn 1000 lần so với lượng nhiệt trao đổi do khí.
Các cơ chế truyền nhiệt từ lớp sôi đến các bề mặt chìm trong lớp sôi rất đa dạng và phức tạp Hầu hết các cơ chế này đều có tác dụng rõ ràng và đã được nghiên cứu kỹ lưỡng.
Truyền nhiệt xảy ra qua sự chuyển động và tiếp xúc của các hạt rắn, trong đó nhiệt được chuyển giao từ các hạt trong lớp sôi đến bề mặt trao đổi nhiệt.
Truyền nhiệt do đối lưu khí là quá trình mà nhiệt được chuyển giao từ khí tới bề mặt trao đổi nhiệt Quá trình này có thể được chia thành hai phần chính: truyền nhiệt do khí trong bọt và truyền nhiệt do khí trong pha nhũ tương.
- Truyền nhiệt do bức xạ αrad
Vì vậy hệ số truyền nhiệt tổng có thể đợc tính nh sau: α= αpc + αgc + αrad (3.30)
Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá các đặc điểm của quá trình truyền nhiệt khi bỏ qua ảnh hưởng của bức xạ Tốc độ sôi và kích thước hạt là hai yếu tố chính tác động đến cường độ dòng nhiệt Khi thay đổi tốc độ lớp sôi từ trạng thái chặt đến trạng thái sôi tự do, các đặc điểm thực nghiệm sẽ được xác định rõ ràng.
Tại tốc độ sôi nhỏ nhất, quá trình truyền nhiệt diễn ra mạnh mẽ và có sự thay đổi rõ rệt về cơ chế Trong trạng thái lớp chặt, nhiệt được truyền đến bề mặt thông qua dẫn nhiệt qua vật liệu hạt và tiếp xúc giữa các hạt, cùng với dòng khí đối lưu Ngược lại, trong trường hợp lớp sôi, cơ chế truyền nhiệt chủ yếu dựa vào sự đối lưu của các hạt chuyển động.
Khi tăng tốc độ lớp sôi trong lò hơi, hệ số truyền nhiệt tăng lên nhưng đạt giá trị cực đại tại một số tốc độ sôi tối ưu Nếu tốc độ sôi vượt quá giá trị tối ưu, cường độ trao đổi nhiệt đến bề mặt ngập trong lớp sôi sẽ giảm Trong khoảng tốc độ sôi nhỏ hơn giá trị tối ưu, cơ chế truyền nhiệt chủ yếu là đối lưu hạt, và cường độ truyền nhiệt sẽ tăng khi sự hòa trộn hạt gia tăng Hình 3.9 minh họa sự thay đổi của hệ số truyền nhiệt đến bề mặt trao đổi nhiệt ngập trong lớp sôi cát theo tốc độ sôi, dựa trên các kết quả thực nghiệm của Bondareva với kích thước hạt dao động từ 100 đến 477 µm.
Tốc độ lớp sôi ảnh hưởng đến hệ số truyền nhiệt giữa lớp sôi và bề mặt trao đổi nhiệt, với sự khác biệt rõ rệt ở các kích thước hạt khác nhau.
Các kết quả thực nghiệm đã xác định các đặc điểm chủ yếu của truyền nhiệt tới bề mặt chìm trong lớp sôi, cho thấy hệ số truyền nhiệt thay đổi đáng kể theo kích thước hạt Khi đường kính hạt tăng, tốc độ tối ưu của lớp sôi gia tăng, nhưng hệ số truyền nhiệt cực đại lại giảm đáng kể Các cơ chế truyền nhiệt khác nhau cũng thay đổi theo kích thước hạt Hình 3.10 minh họa kết quả đo lường của Baskakov về sự đóng góp của các cơ chế truyền nhiệt lên tổng lượng nhiệt truyền, cho thấy với lớp sôi có hạt nhỏ (2500 , hạt to và nặng thuộc nhãm C (Geldart)
,max 0.2Re Pr ;Re 0.209 p opt p opt
D T =6.8 và 3.4mm; cát : d p 0 và 126 àm
3.10 2