Nghiên cứu và mô phỏng quá trình cháy trong buồng đốt

Nghiên cứu và mô phỏng quá trình cháy trong buồng đốt

VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

──────── * ───────

ĐỒ ÁN MÔN HỌC NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG

Giáo viên hướng dẫn : TS NGUYỄN PHÚ KHÁNH

TS HOÀNG THỊ KIM DUNG

HÀ NỘI 01-2015

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC

1 Thông tin về sinh viên

Họ và tên sinh viên: Hoàng Tiến Đạt

Điện thoại liên lạc: 090 212 2130 Email: tiendat92.hoang@gmail.com

Họ và tên sinh viên: Trần Viết Vũ

Điện thoại liên lạc: 01234 767 444 Email: vietvu.pfiev@gmail.com

Lớp: KSCLC - Cơ khí Hàng không K55 Hệ đào tạo: Chính quy

Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại: Bộ môn Hàng không và Vũ trụ, Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Thời gian làm ĐAMH:

Ngày giao nhiệm vụ: 19 / 08 / 2014

Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 10 / 01 / 2015

2 Mục đích nội dung của ĐAMH

- Mô phỏng quá trình cháy của than trong lò hơi nhà máy nhiệt điện

- Mô phỏng sự hình thành các khí thải trong quá trình cháy

3 Các nhiệm vụ cụ thể của ĐAMH

- Tìm hiểu tổng quan về lò hơi nhà máy nhiệt điện

- Tìm hiểu lý thuyết về than, quá trình cháy của than và sự hình thành các khí thải

- Mô phỏng cháy than trong lò hơi, đưa ra các kết quả về phân bố nhiệt độ cháy, vận tốc dòng hỗn hợp, nồng độ các khí thải

- So sánh các kết quả thu được khi thay đổi điều kiện than đầu vào

4 Lời cam đoan của sinh viên:

Chúng tôi – Hoàng Tiến Đạt và Trần Viết Vũ - cam kết ĐAMH là công trình

nghiên cứu của bản thân chúng tôi dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Phú Khánh và

TS Hoàng Thị Kim Dung Các kết quả nêu trong ĐAMH là trung thực, không phải là sao chép toàn văn của bất kỳ công trình nào khác Hà Nội, ngày 10 tháng 01 năm 2015 Tác giả ĐAMH Hoàng Tiến Đạt, Trần Viết Vũ 5 Xác nhận của giáo viên hướng dẫn về mức độ hoàn thành của ĐAMH và cho phép bảo vệ: ………

………

………

………

………

………

………

………

………

Hà Nội, ngày….tháng….năm 2015

Giáo viên hướng dẫn

Lò hơi đốt than nhà máy nhiệt điện là một bộ phận quan trọng trong nhà máy nhiệt điện với chức năng chính là chuyển hóa nhiệt năng từ quá trình đốt cháy than thành dạng nhiệt năng và động năng của hơi nước để làm quay máy phát điện Quá trình cháy của hạt than bên trong lò hơi là quá trình cháy không đồng thể, phức tạp gồm 3 giai đoạn chính: Bốc hơi, cháy chất bốc, và cháy hạt cốc Tốc độ của các phản ứng cháy bị chi phối bởi tốc độ khuếch tán oxi tới bề mặt hạt và tốc độ cháy bề mặt hạt Nghiên cứu này sử dụng phần mềm ANSYS CFX 14.5 là công cụ mô phỏng quá trình cháy của than trong lò hơi, từ đó phân tích các kết quả về phân bố nhiệt độ, vận tốc, khí thải thu được để làm rõ những đặc điểm của quá trình cháy Tiếp đến là xem xét những thay đổi trong quá trình cháy khi thay đổi thông số than đầu vào

ABSTRACT OF THESIS

A pulverized coal-fired power plant boiler is an industrial boiler that generates thermal energy by burning pulverized coal that is blown into the firebox The combustion of coal particles is a heterogeneous combustion process, including 3 stages: Devolatilization, combustion of volatiles, char combustion Rate of reactions is controlled by the diffusion rate of oxygen to particle surface and the surface reaction rate ANSYS CFX 14.5 is a powerful simulation tool that is used in this study The results received from CFX including temperature, velocity and NOx distributions, would be analyzed in order to carry out characteristics of the coal combustion process Three cases of study with three different coal analysis data would be considered to evaluate changes in the distributions

Lời mở đầu: Trang

CHƯƠNG 1 : ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.1.1 Vấn đề của ngành nhiệt điện than ở nước ta hiện nay 1

1.1.2 Sơ lược về lò hơi nhà máy nhiện điện 1

1.2 NGHIÊN CỨU CHÁY THAN TRONG LÒ HƠI 2

1.2.1 Các nghiên cứu trước đây và nhu cầu nghiên cứu hiện nay 2

1.2.2 Nghiên cứu cháy than trong lò hơi ứng dụng mô phỏng số 3

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 THAN VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA THAN 4

2.1.1 Than là gì? 4

2.1.2 Các tính chất của than 4

2.2 SỰ CHÁY CỦA THAN 7

2.2.1 Giai đoạn I: Bốc hơi chất bốc 7

2.2.2 Giai đoạn II: Cháy chất bốc 9

2.2.3 Giai đoạn III: Cháy hạt cốc 10

2.3 SỰ HÌNH THÀNH KHÍ THẢI 13

2.3.1 Ảnh hưởng môi trường của các khí thải 13

2.3.2 Sự hình thành và suy giảm NOx 15

CHƯƠNG 3 : MÔ HÌNH HÓA BÀI TOÁN 20

3.1 QUY TRÌNH MÔ PHỎNG SỐ BÀI TOÁN CHÁY THAN 20

3.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH BÀI TOÁN 21

3.2.1 Xây dựng mô hình hình học 21

3.2.2 Chia lưới mô hình 22

3.2.3 Thiết lập điều kiện bài toán trong ANSYS CFX 22

3.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 26

3.3.1 Phân bố nhiệt độ với trường hợp than Hòn Gai 28

3.3.2 Phân bố vận tốc 31

3.3.3 Phân bố các sản phẩm cháy (khí thải) 33

3.3.4 So sánh kết quả với hai trường hợp than nhập khẩu và than trộn 36

CHƯƠNG 4 : KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG 39

4.1 KẾT LUẬN 39

4.2 ĐỊNH HƯỚNG 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

DANH M ỤC HÌNH, BẢNG, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Sơ đồ một lò hơi nhà máy nhiệt điện điển hình 1

Hình 2.1: Mô hình Kobayashi 8

Hình 2.2: Cơ chế của mô hình lớp biên ổn định, trong đó oxi và cacbon monoxit khuếch tán tới hạt mà không có phản ứng hóa học 10

Hình 2.3: Cơ chế mô hình màng kép của quá trình cháy hạt cacbon 11

Hình 2.4: Các chế độ cháy ứng với nhiệt độ và kích thước hạt than khác nhau 12

Hình 2.5: Cấu trúc các oxit nitơ 14

Hình 2.6: Cấu trúc các oxit lưu huỳnh 14

Hình 2.7: Sự hình thành và cấu trúc muội than 15

Hình 3.1: Quy trình mô phỏng một bài toán CFD 20

Hình 3.2: Phạm vi của lò hơi cần mô hình hóa 21

Hình 3.3: Kích thước mô hình lò hơi theo tỉ lệ 1:1 21

Hình 3.4: Chia lưới Hex Dominant và các chỉ số chất lượng lưới 22

Hình 3.5: Thiết lập các thông số cho phản ứng bốc hơi chất bốc 24

Hình 3.6: Thiết lập các thông số cho phản ứng cháy chất bốc 24

Hình 3.7: Các giá trị thiết lập cho tốc độ cháy bề mặt và tốc độ khuếch tán khí oxi 25

Hình 3.8: Hướng phun khí và than tại các miệng vòi phun 25

Hình 3.9: Vị trí ra của dòng hỗn hợp sau cháy 26

Hình 3.10: Đồ thị hội tụ lời giải các phương trình của bài toán 27

Hình 3.11: Hệ tọa độ sử dụng trong phân tích kết quả 27

Hình 3.12: Vùng buồng đốt giới hạn bởi hai mặt cắt Z = 3 m và Z = 15 m la khu vực cần quan tâm nhất 28

Hình 3.13: Phân bố nhiệt độ tại mặt cắt giữa lò (Y=3.95 m) 28

Hình 3.14: Phân bố nhiệt độ tại các mặt cắt trong vùng buồng đốt 29

Hình 3.15: Quỹ đạo chuyển động của các hạt than bên trong lò 30

Hình 3.16: Đường dòng vận tốc của dòng khí trong lò và tại mặt cắt Z = 8 m 31

Hình 3.17: Phân bố vận tốc góc của dòng khí tại 3 mặt cắt qua vị trí các vòi phun 31

Hình 3.18: Phân bố vận tốc theo phương Z tại 4 mặt cắt 31

Hình 3.19: Phân bố nồng độ khí CO2 tại mặt cắt giữa lò 33

Hình 3.20: Phân bố nồng độ mol khí CO2 tại các mặt cắt 33

Hình 3.21: Nồng độ mol NO tại mặt cắt giữa lò (hình a) và mặt cắt đầu ra (hình b) 34

Hình 3.22: Phân bố nhiệt độ và nồng độ NO 34

Hình 3.23: Phân bố Nồng độ mol NO tại các mặt cắt trong vùng buồng đốt 35

Hình 3.24: Phân bố nhiệt độ tại mặt cắt giữa lò của 3 trường hợp than 37

Hình 3.25: Phân bố nhiệt độ tại mặt cắt Z = 8 m của 3 trường hợp than 37

Bảng 2.1: Hàm lượng các thành phần trong than Hòn Gai 5

Bảng 2.2: Nhiệt lượng cháy của một số hiđrocacbon, xem Eugene S Domanski [2] 9

Bảng 3.1: Thành phần cấu tạo của ba loại than: than Hòn Gai, than nhập khẩu và than trộn 23

Bảng 3.2: Nhiệt độ trung bình tại các mặt cắt ngang của ba trường hợp than 38

Đồ thị 3.1: Nhiệt độ trung bình tại các mặt cắt ngang 30

Đồ thị 3.2: Phân bố vận tốc góc tại các mặt cắt 32

Đồ thị 3.3: Nồng độ NO trung bình tại các mặt cắt ngang 36

Đồ thị 3.4: Nhiệt độ trung bình trong vùng buồng đốt của ba trường hợp than 38

đoạn công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước hiện nay, ngành năng lượng ngày càng chiếm một vai trò quan trọng Các nhà máy sản xuất điện đang được xây dựng khắp nơi trên mọi miền của Tổ quốc để đáp ứng cho nhu cầu phát triển hiện nay và trong vài năm tới Chúng ta hiện đang có các nhà máy thủy điện, nhiệt điện than và nhiệt điện khí, với tổng sản lượng điện hằng năm đạt hàng trăm tỉ kilôoat-giờ (kWh) điện nhưng vẫn chưa đủ cung cấp cho nhu cầu trong nước, đặc biệt là những tháng cao điểm mùa hè Nhà nước đã đầu tư xây dựng hai nhà máy điện nguyên tử đầu tiên tại Ninh Thuận nhưng các dự án này còn phải chờ tới năm

2020 mới có thể hoàn thành và đi vào sản xuất Do vậy, trong vài năm tới, để đủ điện sử dụng, nước ta sẽ phải xây thêm nhiều nhà máy điện mới, mà trong số đó, các nhà máy nhiệt điện than sẽ chiếm đa số

Nước ta có nguồn tài nguyên than ở mức độ trung bình và lượng khai thác được hàng năm đáp ứng đủ cho nhu cầu trong nước Tuy nhiên hiện nay ta đang phải nhập khẩu than do chất lượng nguồn than nội bị giảm sút Điều này gây ra sự lãng phí lớn cho đất nước khi không thể sử dụng hiệu quả được nguồn tài nguyên sẵn có Nhận thấy sự lãng phí này có thể được hạn chế, những trí thức trong nước đang ngày đêm nghiên cứu tìm ra giải pháp cho bài toán than nội địa Chúng tôi, Hoàng Tiến Đạt và Trần Viết Vũ, thấy rằng bản thân mình cũng có thể tham gia đóng góp vào công việc cần thiết này Do vậy chúng tôi lựa chọn đề tài nghiên cứu về cháy than, với mong muốn những kết quả thu được sẽ có những giá trị nhất định cho công cuộc nghiên cứu

Trong thời gian thực hiện đề tài, chúng tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của TS Nguyễn Phú Khánh và TS Hoàng Thị Kim Dung cùng những nhân viên thuộc Viện Nghiên cứu Quốc tế về Khoa học và Kĩ thuật Tính toán, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ chúng tôi hoàn thành đề tài này

Hà Nội, 01/2015 Hoàng Tiến Đạt và Trần Viết Vũ

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 GI ỚI THIỆU CHUNG VỀ NHIỆT ĐIỆN THAN

1.1.1 V ấn đề của ngành nhiệt điện than ở nước ta hiện nay

Ngành năng lượng ở nước ta đang phát triển mạnh mẽ do nhu cầu năng lượng

của đất nước trong giai đoạn công nghiệp hóa – hiện đại hóa đang tăng mạnh Trong

cơ cấu các nguồn cung năng lượng thì nhiệt điện được định hướng sẽ là nguồn cung

chủ yếu cho toàn bộ đất nước, trong đó nhiệt điện than chiếm đa số Hiện nay nhiệt điện than đang chiếm khoảng 17% tổng công suất cung cấp điện của cả nước (số

liệu năm 2012) Dự kiến tới năm 2020, con số này sẽ tăng lên 48% và 51.6% vào năm 2030 Với nhu cầu rất lớn điện năng cần thiết cho giai đoạn sắp tới, lượng than

dự kiến cần thiết cho nhiệt điện cũng rất lớn Tuy nhiên lượng than khai thác được

hiện nay chưa đáp ứng đủ nhu cầu tiêu thụ và nước ta đang phải nhập khẩu than từ nước ngoài Các bể than lớn như bể than Quảng Ninh đã khai thác từ lâu và mức khai thác hiện đã đạt tới hạn cho phép Chất lượng than cũng không còn tốt như trước, hàm lượng than kém chất lượng tăng lên, không đáp ứng được tiêu chuẩn sử

dụng Vấn đề đặt ra hiện nay là cần tận dụng được nguồn than kém chất lượng trong nước, hạn chế nhập khẩu than nước ngoài có giá thành cao Đây là một công việc quan trọng đang được tập trung nghiên cứu vì nếu thực hiện thành công sẽ giúp tiết

kiệm lớn cho đất nước

1.1.2 Sơ lược về lò hơi nhà máy nhiện điện

Hình 1.1: Sơ đồ một lò hơi nhà máy nhiệt điện điển hình

1

Lò hơi (boiler) nhà máy nhiệt điện là một bộ phận quan trọng của nhà máy nhiệt điện, có chức năng chính là chuyển hóa năng lượng cháy của nhiên liệu thành nhiệt năng và động năng của hơi nước (steam) để làm quay tuabin phát điện Lò hơi thường có dạng hình học giống chữ Π, với chiều cao lớn, mỗi nhánh có dạng trụ vuông Hình 1.1 mô tả một sơ đồ lò hơi điển hình

Về cấu tạo, bên trong lò hơi là hệ thống các dàn ống trao đổi nhiệt nằm trên đỉnh

lò, nhánh bên phải lò và dọc trên thành nhánh, có tác dụng lấy nhiệt từ hỗn hợp cháy làm bốc hơi nước (đun sôi) và chuyển hóa thành nhiệt năng của hơi nước Hơi nước sau khi đã tích đủ lượng nhiệt cần thiết (hơi nước nhiệt độ cao) sẽ được đưa

tới tuabin phát điện Sau khi đã trao đổi năng lượng với tuabin, lượng hơi nước còn

lại (hơi nước nhiệt độ thấp) sẽ được đưa trở lại buồng đốt để tiếp tục lấy nhiệt, tạo thành một chu trình khép kín Nhánh bên trái là khu vực buồng đốt Trên thành

buồng đốt có các cụm vòi phun để đưa nhiên liệu và không khí vào lò, ở đây ta quan tâm tới nhiên liệu là than Tùy theo cách bố trí mà các cụm vòi phun có thể nằm tại

4 góc hoặc nằm trên các thành Trên mỗi cụm vòi phun gồm nhiều miệng phun, để phun hỗn hợp than – khí và đưa không khí vào lò để đảm bảo điều kiện cháy

Về nhiên liệu than, đây là loại nhiên liệu được dùng chủ yếu trong nhiệt điện Để tăng hiệu quả cháy, than được nghiền nhỏ thành dạng bột trước khi đưa vào lò, kích thước hạt than sau nghiền cỡ 10-4 – 10-5 m Người ta đưa than vào lò bằng cách phun khí có trộn lẫn bột than ở vận tốc cỡ 10 – 20 m/s Hỗn hợp than và khí được làm nóng tới nhiệt độ 200– 300oC trước khi phun, giúp than bắt cháy nhanh và tốt hơn

1.2 NGHIÊN C ỨU CHÁY THAN TRONG LÒ HƠI

1.2.1 Các nghiên c ứu trước đây và nhu cầu nghiên cứu hiện nay

Nhu cầu cải tiến lò hơi nhằm nâng cao hiệu suất lò đặt ra vào năm 1991 đối với Nhà máy Nhiệt điện Ninh Bình do hiệu suất các lò hơi của nhà máy thấp vì chất lượng than không tốt Đề tài cải tiến được đưa ra, có sự tham gia nghiên cứu của Khoa Nhiệt – Lạnh, nay là Viện Công nghệ Nhiệt – Lạnh, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và Bộ Năng lượng trước đây, nay là Bộ Công Thương Nghiên cứu được thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm đã tìm ra rằng than dùng trong lò hơi có hàm lượng chất bốc thấp làm giảm hiệu suất cháy của than, và thay đổi chế

độ phun có thể giúp cải thiện điều này Căn cứ vào các kết quả thu được, Nhà máy Nhiệt điện Ninh Bình đã hợp tác với tập đoàn Mitsubishi Nhật Bản thay thế các

cụm vòi phun cũ bằng cụm vòi mới đã được cải tiến, nhờ đó đã nâng cao hiệu suất đốt của lò lên hơn 5%

Hiện nay chất lượng nguồn than tiếp tục giảm do các mỏ than đã khai thác từ lâu, nước ta đang phải nhập khẩu than từ nước ngoài để đáp ứng nhu cầu trong nước Do

đó nghiên cứu tận dụng tối đa nguồn than trong nước để hạn chế phải nhập than nước ngoài là việc làm cần thiết nhằm tiết kiệm cho đất nước Một giải pháp được

đặt ra là trộn lẫn than chất lượng thấp trong nước với loại than nhập khẩu phù hợp,

với một tỉ lệ thích hợp để sử dụng cho lò hơi Vấn đề là chọn loại than nước ngoài nào và trộn với tỉ lệ bao nhiêu thì sẽ cho hiệu quả tốt nhất? Đây chính là hướng chính cần nghiên cứu Nhưng hiện nay khó áp dụng phương pháp nghiên cứu bằng

thực nghiệm như trước đây do chi phí thực hiện tốn kém Trước đây để phục vụ

việc nghiên cứu Nhà máy Nhiệt điện Ninh Bình phải dừng sản xuất điện cả một lò hơi Ở Việt Nam hiện cũng chưa có mô hình lò hơi thu nhỏ dùng để nghiên cứu, chưa kể tới các thiết bị đi kèm cũng như lượng than cần sử dụng cho thử nghiệm cũng rất tốn kém Tuy nhiên có một hướng đi mới cho nghiên cứu cháy than đó chính là sử dụng công cụ mô phỏng số Hướng nghiên cứu này trên thế giới đã khá

phổ biến tuy nhiên ở Việt Nam đây là một điều hoàn toàn mới

1.2.2 Nghiên c ứu cháy than trong lò hơi ứng dụng mô phỏng số

Mô phỏng số là một công cụ đang được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều ngành khoa học hiện nay do các ưu điểm mạnh mẽ của nó so với phương pháp nghiên cứu

thực nghiệm truyền thống Trên thế giới, ứng dụng mô phỏng số trong nghiên cứu cháy than đã có từ lâu, với các công cụ phổ biến như MATLAB, ANSYS FLUENT, ANSYS CFX Tuy nhiên ở Việt Nam, mô phỏng số nói chung còn chưa phổ biến, đặc biệt ứng dụng mô phỏng số trong nghiên cứu cháy than thì chưa từng được thực

hiện trước đây Do vậy đề tài: “ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG SỐ NGHIÊN CỨU QUÁ

TRÌNH CHÁY THAN TRONG LÒ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN” hy vọng sẽ là

nghiên cứu tiên phong mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu cháy than ở nước ta Trong nghiên cứu này sử dụng phần mềm ANSYS CFX 14.5, là một công cụ mô

phỏng số rất mạnh hiện nay Quy trình mô phỏng một bài toán gồm các bước sau:

- Xây dựng mô hình hình học của bài toán

- Chia lưới mô hình

- Thiết lập các điều kiện của bài toán và chạy giải

- Xử lý và phân tích kết quả mô phỏng

3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 THAN VÀ CÁC TÍNH CH ẤT CỦA THAN

2.1.1 Than là gì?

Than đá, hay than (để phân biệt với than củi) là một loại nhiên liệu hóa thạch được hình thành ở các hệ sinh thái đầm lầy nơi xác thực vật được nước và bùn lưu

giữ không bị ôxi hóa và phân hủy bởi sinh vật (biodegradation) Thành phần chính

của than đá là cacbon, ngoài ra còn có các nguyên tố khác như hiđro, lưu huỳnh, nitơ Than, là sản phẩm của quá trình biến chất, là các lớp đá có màu đen hoặc đen nâu có thể đốt cháy được Than là nguồn nhiên liệu sản xuất điện năng lớn nhất thế

giới, cũng như là nguồn thải khí carbon dioxide lớn nhất, được xem là nguyên nhân hàng đầu gây nên hiện tượng nóng lên toàn cầu Than được khai thác từ các mỏ than

lộ thiên hoặc dưới lòng đất (hầm lò)

Than sử dụng nhiều trong sản xuất và đời sống Trước đây, than dùng làm nhiên

liệu cho máy hơi nước, đầu máy xe lửa Sau đó, than làm nhiên liệu cho nhà máy nhiệt điện, ngành luyện kim Gần đây than còn dùng cho ngành hóa học tạo ra các

sản phẩm như dược phẩm, chất dẻo, sợi nhân tạo Than chì dùng làm điện cực Ngoài ra than còn được dùng nhiều trong việc sưởi ấm từ xa xưa nhưng khi cháy chúng tỏa ra rất nhiều khí CO có thể gây ngộ độc nên cần sử dụng trong các lò sưởi chuyên dụng có ống khói dẫn ra ngoài cũng như có các biện pháp an toàn khi sử

dụng chúng

Than có tính chất hấp thụ các chất độc vì thế người ta gọi là than hấp thụ hoặc là than hoạt tính có khả năng giữ trên bề mặt các chất khí, chất hơi, chất tan trong dung dịch Dùng nhiều trong việc máy lọc nước, làm trắng đường, mặt nạ phòng độc

Trữ lượng than của cả thế giới vẫn còn cao so với các nguyên liệu năng lượng khác (dầu mỏ, khí đốt ) và được khai thác nhiều nhất ở Bắc bán cầu, trong đó 4/5 thuộc các nước sau: Hoa Kì, Nga, Trung Quốc, Ấn Độ, Úc, Đức, Ba Lan, Canada

Tổng sản lượng than khai thác là 5 tỉ tấn/năm

Tại Việt Nam, có rất nhiều mỏ than tập trung nhiều nhất ở các tỉnh phía Bắc nhất

là tỉnh Quảng Ninh, mỗi năm khai thác khoảng 15 đến 20 triệu tấn Than được khai thác lộ thiên là chính còn lại là khai thác hầm lò

2.1.2 Các tính ch ất của than

2.1.2.1 Thành ph ần cấu tạo và phân tích than

Than được cấu tạo từ bốn thành phần sau: cacbon cố định, chất bốc, độ ẩm và xỉ

- Cacbon cố định (fixed carbon): Là thành phần chiếm chủ yếu trong than, cấu

tạo từ nguyên tố cacbon Cốc là thành phần tạo ra nhiệt lượng chính trong quá trình cháy của hạt than

- Chất bốc (volatiles): Còn được gọi là khí than, là các chất khí nằm trong hạt than với thành phần chủ yếu là khí hiđrocacbon CxHy Chất bốc thoát ra khỏi than

và bốc cháy trong giai đoạn đầu của quá trình cháy khi hạt than bị nung nóng Chính sự cháy của chất bốc tạo ra nhiệt độ cao để khởi động quá trình cháy của cốc,

là hạt còn lại sau quá trình bốc hơi chất bốc, thành phần gồm cacbon cố dịnh và xỉ Hàm lượng chất bốc trong than có một vai trò quan trọng, tác động trực tiếp tới sự hình thành và sự ổn định của ngọn lửa cháy

- Độ ẩm (moisture): Là hàm lượng nước có trong than Theo kinh nghiệm thực tế thì than có một chút ẩm sẽ cháy tốt hơn

- Xỉ (ash): Là thành phần không có khả năng cháy, cấu tạo chủ yếu từ các oxit kim loại như Al2O3, Fe2O3, MgO, SiO2,… Hàm lượng xỉ là một chỉ số để đánh giá

chất lượng than Than có hàm lượng xỉ càng cao thì càng kém chất lượng

Trừ thành phần xỉ thì các nguyên tố có trong than là: C, H, O, N, S

Người ta phân tích than theo hai cách là phân tích theo tỉ lệ khối lượng (%) của các thành phần cấu tạo (phân tích xấp xỉ): cốc, chất bốc, độ ẩm, xỉ và phân tích theo hàm lượng (%) các nguyên tố (phân tích chính xác): C, H, O, N, S Mỗi cách phân tích lại phân ra thành phân tích AR (as received) và phân tích DAF (dry ash free):

- Phân tích xấp xỉ (proximate analysis):

Phân tích x ấp xỉ (%) Phân tích chính xác (%) Cacbon

c ố định Ch b ốc ất X ỉ ẩm Độ C H O N S

B ảng 2.1: Hàm lượng các thành phần trong than Hòn Gai

2.1.2.2 Các tính ch ất của than liên quan tới quá trình cháy

- Nhiệt trị của than: Nhiệt trị, hay năng suất tỏa nhiệt, là nhiệt lượng sinh ra khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối lượng nhiên liệu, thường lấy bằng 1 kg Có hai

loại nhiệt trị là nhiệt trị cao (Higher Heating Value – HHV) và nhiệt trị thấp hay nhiệt trị thực (Lower Heating Value – LHV/Net Calorific Value – NCV)

• Nhiệt trị cao (HHV): Được hiểu là tổng nhiệt lượng sinh ra khi đốt cháy hoàntoàn một đơn vị khối lượng nhiên liệu, có tính tới nhiệt lượng đã làm nóng và hóa

hơi các chất lỏng có trong quá trình cháy, thường là thành phần nước có trong nhiên liệu

• Nhiệt trị thấp/thực (LHV/NCV): Là nhiệt lượng sinh ra khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối lượng nhiên liệu mà không tính tới nhiệt lượng đã làm nóng

và hóa hơi các chất lỏng có trong quá trình cháy

Đối với cháy than người ta sử dụng giá trị nhiệt trị thực do đây mới là giá trị nhiệt lượng có ích; nhiệt lượng để làm nóng và hóa hơi thành phần nước nước có trong than là nhiệt lượng lãng phí

- Phân bố kích thước hạt than: Than được nghiền thành dạng bột trước khi đưa vào lò đốt nhằm tăng hiệu quả cháy Kích thước hạt than sau nghiền càng nhỏ thì

tốc độ cháy càng nhanh và than càng nhanh cháy hết Do các hạt than sau nghiền có kích thước không đồng đều mà nằm trong một khoảng giữa giá trị lớn nhất và nhỏ

nhất nên người ta đưa ra một hàm phân bố kích thước hoặc một dãy các giá trị kích thước có tổng xác suất phân bố xấp xỉ 1 Hàm phân bố Rosin-Rammler là một hàm phân bố được sử dụng rỗng rãi:

63.2

( ) 1

D D

2.2 S Ự CHÁY CỦA THAN

Cháy than là sự cháy không đồng thể, với than ở dạng hạt rắn và chất oxi hóa là khí oxi có trong không khí Quá trình cháy của than phức tạp gồm nhiều giai đoạn

và có nhiều phản ứng xảy ra Có thể phân quá trình này thành 3 giai đoạn chính theo

thứ tự xảy ra như sau:

- Giai đoạn I: Các hạt than được nung nóng, chất bốc và hơi nước thoát ra khỏi than

- Giai đoạn II: Chất bốc bốc cháy tạo nhiệt độ cao để khởi động sự cháy của thành phần cốc

- Giai đoạn III: Thành phần cốc cháy

2.2.1 Giai đoạn I: Bốc hơi chất bốc

Trong giai đoạn này, đầu tiên than nóng lên và thành phần nước trong than bốc hơi trước Sự bốc hơi nước diễn ra nhanh do nước có hàm lượng nhỏ và nhiệt độ sôi

thấp (100oC) so với nhiệt độ trong lò Tiếp đó là quá trình bốc hơi của chất bốc, đây

là quá trình chi phối trong giai đoạn I Phương trình phản ứng của quá trình này có

thể được viết như sau:

Than → Cốc + Chất bốc t o (2.2) Quá trình bốc hơi chất bốc là quá trình thoát ra của thành phần chất bốc khi than

bị đốt nóng Đây là một đặc điểm quan trọng của quá trình cháy của than Chất bốc

ở dạng khí cháy nhanh hơn nhiều so với hạt cốc còn lại và do đó nó có vai trò quan

trọng tạo ra sự khởi đầu và ổn định ngọn lửa, và quan trọng trong hình thành các oxit của nitơ (NOx), là các khí thải gây ô nhiễm Hơn nữa, quá trình bốc hơi này sẽ xác định lượng cốc còn lại bị đốt cháy cũng như các đặc tính vật lý của cốc sinh ra,

với những tác động đến sau lên tính chất cháy của cốc Các loại than khác nhau có hàm lượng chất bốc khác nhau, tối đa có thể chiếm tới 50% khối lượng của than

Bản chất của quá trình bốc hơi chất bốc là sự phá vỡ các liên kết yếu trong cấu trúc phân tử của than Số lượng chất bốc thoát ra và cấu trúc hóa học của nó phụ thuộc vào nhiệt độ và tốc độ nóng lên của hạt than; kích thước hạt và cấu trúc hóa

học của than, trong đó tốc độ làm nóng hạt có ảnh hưởng mạnh nhất

Với tầm quan trọng của quá trình bốc hơi tới sự cháy của hạt rắn và tính phức tạp

của các quá trình vật lý và hóa học khi bốc hơi, nhiều mô hình đã được phát triển để

mô tả tốc độ bốc hơi của chất bốc từ than Các mô hình đơn giản nhất dùng tốc độ Arrhenius đơn hoặc đa Mô hình tốc độ Arrhenius đơn (single Arrhenius rate model) giả thiết rằng tốc độ bốc hơi phụ thuộc bậc nhất vào hàm lượng chất bốc còn

lại trong hạt than:

Đồng nhất phương trình (2.3) với dữ liệu thực nghiệm tìm ra được năng lượng hoạt hóa hiệu dụng khoảng 230 kJ/mol, phù hợp với năng lượng hoạt hóa để phá vỡ các liên kết yếu trong phân tử than

Cách tiếp cận tốc độ đơn định nghĩa theo (2.3) phù hợp với tốc độ bốc hơi ở vùng nhiệt độ cao, nhưng không xét tới được sự thay đổi lượng chất bốc thoát ra theo hàm của nhiệt độ Để làm được điều này, Kobayashi và các cộng sự đã đề xuất mô hình hai phản ứng đồng thời, với năng lượng hoạt hóa và lượng chất bốc tạo ra của

mỗi phản ứng khác nhau Mô hình này được gọi là mô hình Kobayashi Cơ chế của

nó được mô tả như hình 2.1:

Hình 2.1: Mô hình Kobayashi

k =B e− k =B e− , và V1, V2là lượng chất bốc tạo ra ở mỗi phản ứng

Với mô hình này, tốc độ bay hơi tức thời bằng tổng hai tốc độ k1 và k2:

Với c là khối lượng hạt than còn lại trong quá trình bốc hơi

Một cách tiếp cận khác được biết đến là mô hình năng lượng hoạt hóa được phân

bố (Distributed Activation Energy Model – DAEM) Mô hình này công nhận rằng

sự bốc hơi xảy ra thông qua nhiều phản ứng đồng thời Để biểu diễn quá trình này theo dạng toán học, tất cả các phản ứng được coi là bậc nhất và có thể được miêu tả

bởi một phân bố liên tục của các tốc độ động học với một hệ số chung và một hàm phân bố đã xác định của năng lượng hoạt hóa

exp ( ) / 2( )

2.2.2 Giai đoạn II: Cháy chất bốc

Trong giai đoạn này, chất bốc sinh ra từ giai đoạn I sẽ bốc cháy khi nhiệt độ đạt trên 500oC Vì thành phần chính của chất bốc là các khí hiđrocacbon CxHy nên phương trình cháy của chất bốc có thể được viết như sau:

o t

Nhiệt lượng sinh ra của quá trình phụ thuộc vào thành phần hóa học của chất bốc

Bảng 2.2 trình bày một số khí hiđrocacbon và nhiệt lượng sinh ra khi cháy của chúng

Công th ức hóa học Tên gọi Nhiệt lượng cháy (kJ/mol)

B ảng 2.2: Nhiệt lượng cháy của một số hiđrocacbon, xem Eugene S Domanski [2]

Tốc độ của phản ứng (2.7) là nhanh hơn nhiều so với tốc độ khuếch tán của khí

O2, do vậy tốc độ của quá trình cháy phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán khí O2 tới vùng khí hiđrocacbon Từ giả thiết này, ta có thể sử dụng mô hình xoáy – phân tán (Eddy – Dissipation Model) để mô hình hóa quá trình cháy chất bốc Theo mô hình này, tốc độ phản ứng thực của chất I trong phản ứng thứ k, Rk, trong chuỗi phản ứng

là biểu thức có giá trị nhỏ hơn trong hai biểu thức dưới đây:

[ ]min

kI I P

[I] là nồng độ mol của chất phản ứng I

(I) là nồng độ mol của chất sản phẩm I

WI là khối lượng mol của chất I

v'kI là hệ số tỉ lượng của chất phản ứng I trong phản ứng k

v”kI là hệ số tỉ lượng của chất sản phẩm I trong phản ứng k

Từ đó tốc độ xảy ra của toàn bộ quá trình đối với chất I sẽ là:

2.2.3 Giai đoạn III: Cháy hạt cốc

Sau khi trải qua 2 giai đoạn trên, hạt còn lại lúc này là hạt cốc với thành phần

gồm cacbon cố định và xỉ, trong đó thành phần xỉ không tham gia vào quá trình cháy Sự cháy hạt cốc là một quá trình phức tạp, phụ thuộc vào nhiệt đô xung quanh

hạt và kích thước của hạt Nếu nhiệt độ cao và kích thước hạt nhỏ thì quá trình cháy

sẽ sinh ra chủ yếu là khí cacbon monoxit CO Nếu nhiệt độ cao và kích thước hạt

lớn hơn thì sẽ có nhiều khí CO2được sinh ra Phân tích dưới đây coi toàn bộ hạt cốc

là cacbon

Hệ số tỉ lượng thích hợp cho phản ứng oxi hóa cacbon thực sự không rõ ràng, vì

có hai trạng thái oxi hóa khác nhau của cacbon là cacbon monoxit CO và cacbon đioxit CO2đều có thể xuất hiện khi bề mặt hạt cacbon bị oxi hóa

2

2C+O →t o 2CO (ΔH = -110 kJ/mol C) (2.11)

o t

C+O →CO (ΔH = -394 kJ/mol C) (2.12)

Sự khác biệt lớn ở lượng nhiệt năng sinh ra của hai phản ứng này và hai điểm khác

biệt trong tốc độ khí hóa cacbon trên 1 mol oxi phản ứng là vấn đề cần xem xét để

hiểu đúng về phản ứng oxi hóa cacbon Nhiều thí nghiệm đã được tiến hành để cố

gắng làm rõ các phản ứng này Qua các thí nghiệm người ta tìm ra rằng lượng CO2sinh ra từ oxi hóa trực tiếp cacbon chỉ đáng kể khi ở nhiệt độ tương đối thấp so với nhiệt độ cháy, và có thể giả thiết rằng ở nhiệt độ cháy chỉ có CO được sinh ra Trong trường hợp đơn giản nhất, có thể giả thiết thêm rằng CO sinh ra sẽ khuếch tán ra ngoài mà không phản ứng thêm nữa, thường gọi là mô hình lớp biên ổn định như được minh họa trong hình 2.1:

Hình 2.2 : Cơ chế của mô hình lớp biên ổn định, trong đó oxi và cacbon monoxit

khu ếch tán tới hạt mà không có phản ứng hóa học

Thực tế nếu nhiệt độ đủ cao (trên 1000 K) và hạt đủ lớn, khí CO sẽ bị oxi hóa thành

CO2ở vùng lớp biên này:

2CO O+ →t o 2CO (ΔH = -283 kJ/mol C) (2.13) Khi đó, lượng oxi đến bề mặt hạt sẽ bị giảm xuống vì một phần đã bị dùng để oxi hóa CO, và CO2 trở thành chất oxi hóa cacbon theo phản ứng Boudouard:

C+CO → CO (ΔH = +172 kJ/mol C) (2.14) Như vậy khi gặp đủ điều kiện thì hạt cacbon sẽ bị oxi hóa theo một mô hình màng kép (double-film model) với hàm lượng các chất được minh họa theo hình vẽ dưới đây

Hình 2.3: Cơ chế mô hình màng kép của quá trình cháy hạt cacbon

Cacbon đioxit oxi hóa cacbon với tốc độ chậm hơn đáng kể so với oxi tại cùng nhiệt

độ cháy Kết quả là sự chuyển tiếp từ cháy kiểu màng đơn sang kiểu màng kép tạo

ra sự giảm tốc độ oxi hóa cacbon

Trong phản ứng oxi hóa hạt cacbon dạng rắn tạo ra khí CO (bởi O2 hoặc CO2), hai mol khí CO được tạo ra từ một mol khí chất phản ứng, lượng khí sinh ra nhiều hơn lượng khí phản ứng nên hình thành một dòng chất khí chảy ra xa bề mặt của

hạt Dòng chảy này có tên là dòng Stefan, nó làm giảm tốc độ truyền nhiệt và khối lượng từ lớp biên tới bề mặt hạt Như vậy để mô hình hóa chính xác quá trình oxi hóa cacbon cần tính tới ảnh hưởng của dòng Stefan làm giảm tốc độ khuếch tán oxi

tới bề mặt hạt

Sự xuất hiện của các lỗ tổ ong trong hạt cốc cho phép các chất oxi hóa đi sâu vào bên trong hạt và do đó làm tăng diện tích tiếp xúc cho các phản ứng lên đáng kể Các hạt cốc thường có tỉ lệ xốp lớn hơn 0.3, phụ thuộc vào lượng chất bốc có trong

hạt than ban đầu và sự nở ra hay co lại của hạt trong quá trình bốc hơi Diện tích bề

mặt bên trong của hạt cốc thường trên 100 m2/g Với khối lượng riêng của cốc

11

thường là 0.8 g/cm , ta có thể chỉ ra rằng diện tích mặt trong lớn hơn diện tích mặt ngoài của một hạt khoảng 10 lần trên 10 μm (đường kính) hạt, 1000 lần trên 100 μm

hạt và 10000 lần trên 1 mm hạt

Tốc độ của phản ứng cháy hạt cốc cũng phụ thuộc vào nhiệt độ và kích thước của

hạt Hình 2.3 mô tả ba chế độ cháy khác nhau:

Hình 2.4: Các ch ế độ cháy ứng với nhiệt độ và kích thước hạt than khác nhau.

- Zone I – Chế độ I: Chế độ cháy này chiếm ưu thế khi nhiệt độ bao quanh hạt

thấp và kích thước hạt nhỏ, khi đó tốc độ cháy sẽ được điều khiển hoàn toàn bởi tốc

độ phản ứng trên bề mặt hạt Khi đó tốc độ khuếch tán của oxi nhanh hơn nhiều so

với tốc độ cháy, nồng độ oxi bao quanh hạt và bên trong lớp biên của hạt bằng nhau

và bằng nồng độ oxi bên ngoài Sự cháy vùng I xảy ra tại một tốc độ tổng thể bằng

với sản phẩm của tốc độ cháy bên trong, được ước lượng tại nồng độ khí oxi bên ngoài, và tổng diện tích mặt trong Đường kính hạt cốc được coi là hằng số và khối lượng riêng của hạt giảm liên tục (cháy đường kính hạt không đổi)

- Zone II – Chế độ II: Trong vùng II tốc độ cháy được quyết định bởi tổ hợp của các hiệu ứng khuếch tán oxi (cả vào bên trong và xung quanh hạt) và tốc độ độ cháy

bề mặt Đây là chế độ thường diễn ra trong các quá trình cháy than Sự cháy ở vùng

II diễn ra với sự xâm nhập một phần của khí oxi, kết quả là sự thay đổi đồng thời

của đường kính và khối lượng riêng của hạt khí các lỗ gần bề mặt hạt và mặt ngoài

hạt bị oxi hóa Tỉ số giữa tốc độ cháy thực tế so với tốc độ cháy tối đa có thể nếu toàn bộ hạt chịu áp suất cục bộ của khí oxi tại bề mặt ngoài của hạt được gọi là hệ

số hiệu suất

- Trong vùng III tốc độ cháy bề mặt nhanh hơn nhiều do oxi không xâm nhập

hiệu quả vào bên trong hạt trước khi phản ứng Đây là sự cháy khuếch tán bị giới

hạn Vùng III cháy ở nhiệt độ cao (tăng tốc độ cháy bề mặt) và kích thước hạt lớn (giảm thông lượng khuếch tán phần tử bề mặt) Tốc độ cháy được xác định bởi thông lượng khuếch tán oxi qua lớp biên hạt Khối lượng riêng của hạt không đổi khi cháy và kích thước hạt giảm liên tục khi khối lượng hạt bị lấy đi duy nhất từ bề

mặt hạt (cháy khối lượng riêng hạt không đổi)

Mô hình cháy ở vùng I và vùng III đơn giản là các giới hạn của các điều kiện ở quá trình cháy vùng II

Than nghiền đạt chuẩn thương mại cần có trên 70% khối lượng các hạt than có

kích thước nhỏ hơn 74μm và dưới 2% có kích thước trên 300 μm Với kích thước

nhỏ cùng nhiệt độ cao trong lò, hạt cốc thường sẽ cháy ở vùng II với sự kết hợp

điều khiển của khuếch tán và tốc độ phản ứng Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng

vào áp suất riêng phần của oxi thường được biểu diễn bởi một luật năng lượng, sinh

ra một biểu thức tốc độ tham chiếu tới biểu thức động học tường minh bậc n của

Arrhenius:

2

/ ,

trong các chất xúc tác dạng xốp lý tưởng hóa được báo cáo lần đầu tiên bởi Thiele

năm 1939, trong sự cháy vùng II năng lượng hoạt hóa E và bậc phản ứng n xuất

hiện trong (2.15) có thể liên hệ tới các tham số động học thực tế và ẩn như

E =E và n = (m+1)/2 với Eint là năng lượng hoạt hóa ẩn và m là bậc phản ứng

ẩn Năng lượng hoạt hóa ẩn của sự oxi hóa cacbon hoặc cốc được xác định xấp xỉ

bằng 180 kJ/mol và bậc phản ứng ẩn được đo (ở các nhiệt độ trung bình) là nằm

trong khoảng 0.6 – 1.0 Smith đã hiệu chỉnh dữ liệu oxi hóa cho các loại cacbon

khác nhau, bao gồm các hạt cốc xốp và cacbon không thấm nước như bồ hóng để

nhận được biểu thức sau cho các động học oxi hóa cốc ẩn với áp suất riêng phần của

Vì sự biến thiên trong các bậc phản ứng được suy diễn với các dữ liệu thực nghiệm

khác nhau và loại cacbon, một biểu thức chung cho tốc độ động học bao gồm sự

phụ thuộc của oxi không thể được xác định

Trong thực tế, sự oxi hóa bề mặt hạt diễn ra thông qua sự hút bám oxi, giải phóng

tức thời một phân tử cacbon monoxit hoặc cacbon đioxit hoặc hình thành một sự

phức tạp bề mặt ổn định oxi mà có thể thoát ra muộn hơn như CO hoặc CO2 Nhiều

loại cơ chế phản ứng nhiều bước được đưa ra để mô tả quá trình này, nhưng thông

tin thực nghiệm và lý thuyết sẵn có tới nay không đủ để xác định bất kỳ cơ chế oxi

hóa bề mặt nào với mức độ tin cậy có thể chấp nhận được

2.3 SỰ HÌNH THÀNH KHÍ THẢI

2.3.1 Ảnh hưởng môi trường của các khí thải

Phản ứng cháy than là nguồn lớn sinh khí CO2 Đã có nhiều nghiên cứu liên quan

đến vấn đề ảnh hưởng môi trường của CO2 từ lò cháy than Trong nghiên cứu này

không đề cập đến vấn đề này mà chỉ quan tâm đến các khí thải chính khác, bao gồm

13

các oxit của nitơ NOx, các oxit của lưu huỳnh SOx và các phần tử rắn nhỏ trong khói

của lò (muội than)

2.3.1.1 Các oxit của nitơ NO x

Hình 2.5: C ấu trúc các oxit nitơ

Theo số liệu của cơ quan thông tin năng lượng Mỹ EIA, một lò đốt than nhà máy nhiệt điện trung bình thải ra 10300 tấn oxit của nitơ mỗi năm Các oxit của nitơ khi

thải ra môi trường gây ra vấn đề về ozone mặt đất [1, p410-416], tức ozone không được phát thải trực tiếp mà được tạo ra gián tiếp qua phản ứng của NOx với các hợp

chất hữu cơ bay hơi dưới sự có mặt của ánh mặt trời Ảnh hưởng sức khỏe của các khí này bao gồm: phá hủy mô của phổi, làm tăng khả năng bị bệnh hô hấp như hen suyễn, giảm khả năng nhìn, gây sinh non,…[2] Có thể hạn chế phát thải NOx ở lò cháy than bằng cách sử dụng công nghệ làm giảm không xúc tác có chọn lọc (Selective non-catalytic reduction - SNCR) hoặc công nghệ làm giảm có xúc tác có

chọn lọc (SCR) Một nhà máy sử dụng các công nghệ trên có thể giảm mức phát

thải NOx xuống còn 3300 tấn mỗi năm (theo EIA)

2.3.1.2 Các oxit của lưu huỳnh SO x

Hình 2.6: C ấu trúc các oxit lưu huỳnh

Các nhà máy nhiệt điện sử dụng than là một trong nhữn nguồn SOx chính Trung bìnhmột nhà máy phát thải 14100 tấn SOx (theo EIA) Các oxit của lưu huỳnh gây ra mưa axit gây hại cho mùa màng, phá hủy đất, phá hủy rừng, axit hóa ao hồ sông suối

SOx còn gây ra vấn đề về sức khỏe khi các phần tử axit chúng gây ra thâm nhập vào máu qua phổi [2] Một nhà máy với công nghệ kiểm soát tốt SOx như lọc tách lưu

huỳnh ở ống khói có thể giảm lượng phát thải hàng năm xuống còn 7000 tấn

2.3.1.3 Muội than

Hình 2.7: S ự hình thành và cấu trúc muội than

Muội than là các phần tử rắn có thành phần chủ yếu là hydro cacbon thơm đa vòng

với hàm lượng cacbon cao, kích thước cỡ 5-700 nm và được tạo ra trong ngọn lửa qua nhiều phản ưng phức tạp Các hạt muội than này có thể gây viêm phế quản, hen suyễn, cản trở thị giác và chết non ở trẻ sơ sinh [2] Nhà máy nhiệt điện trung bình phát thải 500 tấn muội than vào không khí (theo EIA), tuy nhiên nếu ống khỏi được

lắp bộ lọc có thể giảm thiểu được 99% phát thải các phần tử rắn này

2.3.2 Sự hình thành và suy giảm NO x

Hầu hết các nghiên cứu thực nghiệm và lí thuyết đều tập trung vào sự hình thành

NO, đây là sản phẩm NOx chính trong quá trình cháy Ngoài ra một số ít nghiên cứu

mới đây quan tâm đến NO2 và N2O, đặc biệt với các phẳn ứng cháy ở điều kiện áp

- Hình thành NOx nhiên liệu: oxi hóa Nitơ trong nhiên liệu ở nhiệt độ cao và điều

kiện nhiều Oxy Xảy ra khi liên kết nitơ trong nhiên liệu kêt hợp với oxi dư trong không khí với trung gian thường là HCN và NH3, sản phẩm là NO trong vùng nghèo nhiên liệu và N2 trong vùng giàu nhiên liệu

- Hình thành NOx tức thời: phản ứng nhanh ở bề mặt ngọn lửa (cho hydrocacbon) Tạo thành bởi phản ứng của nitơ khí quyển và hydrocarbon trong

15

nhiên liệu ở nhiệt độ thấp và điều kiện giàu nhiên liệu Thường được bỏ qua vì chỉ hình thành ở vùng rất giàu nhiên liệu và có giá trị rất nhỏ

- Hình thành NOx trung gian: oxi hóa N2 qua trung gian N2O

Sau khi hình thành trong lò, các oxit của Nitơ có thể lập tức bị mất đi một phần Sự suy giảm này xảy ra theo 2 cơ chế chính là cơ chế cháy lại và SNCR (cơ chế suy

giảm NOx không xúc tác) do tác dụng của NO với Hydrocacbon và ammoniac

→

Tốc độ của 2 phản ứng trên được xác định bởi:

38370 11 1

3162 9 2

1.8 106.4 10

và càng giàu O2, lượng NO hình thành càng tăng vọt

2.3.2.2 Sự hình thành NO x nhiên liệu

NOx nhiên liệu là một bộ phận quan trọng của phát thải NOx khi cháy dầu nặng

và than, với N tồn tại ở dạng dị vòng Sự hình thành NOx từ Nitơ nhiên liệu phụ thuộc vào đặc tính của sự cháy và sự tập trung các hỗn hợp Nitơ Các hỗn hợp có Nitơ được giải phóng ở pha khí khi các phần tử nóng tới nhiệt độ hóa hơi Từ sự phân rã nhiệt của các chất này, các gốc như HCN, NH3, N, CN và NH được tạo thành và chuyển thành NO Các nghiên cứu về biến đổi Nitơ nhiên liệu đưa ra nhiều

cơ chế khác nhau để giải thích sự tạo thành NO; tuy nhiên, có sự đồng thuận cao

rằng Nitơ trong nhiên liệu trải qua quá trình biến đổi trung gian thành hydrox cyanide HCN hoặc amoniac NH3 sau đó bị oxi hóa tạo NO hoặc bị khử tạo N2 Với

mỗi trung gian HCN và NH3, Có 2 kịch bản cho sự chuyển hóa Nitơ nhiên liệu