mô phỏng quá trình cháy và sự hình thành NOx cho than nội địa và than trộn

Cụ thể như sau: - Ảnh hưởng của các chế độ vận hành của hệ thống nghiền than trộn tỷ lệ phối trộn, nhiệt độ khí nóng để tải bột than, thời gian nghiền than, v.v đến chất lượng than nghiề

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn thầy cô trong Viện KH&CN Nhiệt Lạnh, đặc biệt là thầy giáo hướng dẫn TS Lê Đức Dũng đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức, giúp đỡ em trong suốt thời gian hoàn thành đề tài này

Em cũng chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Nguyễn Việt Hùng đã luôn tạo điều kiện cho em được sử dụng phần mềm bản quyền ANSYS WORKBENCH trong suốt quá trình em làm đồ án và anh Trần Minh Ngọc và anh Vương Văn Hải đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo về phần mềm ANSYS FLUENT

Qua đây, em cũng gửi lời cảm ơn đến Nhà máy nhiệt điện Ninh Bình và Viện Năng lượng đã cung cấp số liệu để em có thể thực hiện được đồ án này Trong quá trình làm đồ án, kiến thức và kinh nghiệm còn thiếu, nên bản

đồ án này không tránh khỏi những sai sót Em rất mong được sự chỉ bảo của các thầy cô để em hoàn thiện hơn kiến thức chuyên ngành cũng như bổ sung

để bản đồ án này được hoàn chỉnh hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản đồ án này do tôi tự tính toán, thiết kế và nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Lê Đức Dũng

Để hoàn thành đồ án này, tôi chỉ sử dụng tài liệu đã ghi trong mục tài liệu tham khảo, ngoài ra không sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác mà không được ghi

Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU 1

1.1 Tổng quan về nhu cầu than cho nhà máy điện đốt than ở Việt Nam 1

1.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu trộn than ngoài nước và trong nước 2 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 2

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 4

1.3 Tổng quan về đề tài 6

1.3.1 Mục đích nghiên cứu 7

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu 8

1.3.3 Nội dung đồ án 8

CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NGUYÊN LÝ HÌNH THÀNH VÀ KỸ THUẬT XỬ LÝ NOx TRONG QUÁ TRÌNH CHÁY THAN TRONG LÒ HƠI 9

2.1 Cơ chế hình thành NOx 9

2.1.1 Cơ chế hình thành NOx theo nguyên lý phân hủy nhiệt 10

2.1.2 Cơ chế hình thành NOx nhiên liệu 11

2.1.3 Cơ chế hình thành NOx theo nguyên lý phản ứng tức thời 15

2.1.4 Khống chế sự hình thành NOx khi đốt than 16

2.2 Ảnh hưởng của phương pháp đốt đối với sự phát thải NOx 17

2.3 Công nghệ xử lý NOx trong quá trình cháy 18

2.3.1 Đốt hệ số không khí thừa thấp 19

2.3.2 Đốt phân cấp không khí 20

2.3.3 Đốt phân cấp nhiên liệu 21

2.3.4 Tái tuần hoàn khói 22

CHƯƠNG III PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ANSYS FLUENT 25

3.1 Một số vấn đề về phương pháp CFD 25

3.1.1 Tổng quan về CFD 25

3.1.2 Mô phỏng CFD 25

3.1.3 Vai trò và ứng dụng của CFD 28

3.2 Phần mềm ANSYS FLUENT 29

3.2.1 Giới thiệu về phần mềm ANSYS FLUENT – phần mềm mô hình hóa dòng chảy 29

3.2.2 Mô hình dòng phản ứng và mô hình cháy có trong ANSYS FLUENT được sử dụng trong quá trình mô phỏng cháy than và hình thành NOx 30

CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY THAN VÀ SỰ HÌNH THÀNH NOx TRONG LÒ HƠI BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ANSYS FLUENT 43

4.1 Giới thiệu mô hình lò hơi dùng trong quá trình mô phỏng 43

4.2 Thiết lập và giải mô hình cháy than và mô hình NOX 48

4.2.1 Tổng quan về mô hình cháy than 48

4.2.2 Thiết lập và giải mô hình 49

4.2.3 Xử lý và đánh giá kết quả 61

4.2.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ trộn than đến sự hình thành NOx 66

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN 75

5.1 Tóm tắt nội dung 75

5.2 Kết luận 75

5.3 Đề xuất 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU 1.1 Tổng quan về nhu cầu than cho nhà máy điện đốt than ở Việt Nam

Theo Quy hoạch phát triển ngành than và ngành điện (Quy hoạch điện VII) cho giai đoạn 2011 – 2020, có xét đến triển vọng đến 2030 thì nhu cầu than để sản xuất điện như sau:

Bảng 1.1 Sản lượng điện và sản lượng than cấp cho nhà máy điện

- Sản lượng khai thác than 65 triệu tấn 75 triệu tấn

- Khả năng cấp than cho điện 30 triệu tấn 35 triệu tấn

- Sản lượng điện (kịch bản cơ sở): 330 tỷ kWh/năm 695 tỷ kWh/năm

trong đó: do nhà máy nhiệt điện đốt than 156 tỷ kWh./năm 392 tỷ kWh/năm

- Lượng than yêu cầu 78 triệu tấn/năm 170 triệu tấn/năm

Lượng than thiếu hụt được bù đắp bằng than nhập khẩu Than nội địa cấp cho NMNĐ là than antraxit cám xấu (than tốt nhất cấp cho sản xuất điện là cám

5, còn lại là cám 6 có độ tro từ 30 – 40%), chất bốc thấp (< 6%), nên rất khó đốt cháy Đối với các lò hơi đốt than bột (chiến tỷ trọng chủ yếu trong sản xuất điện) phụ tải nhở hơn 70% định mức đã phải đốt kèm dầu, phụ tải nhỏ hơn hoặc bằng 50% định mức đã phải đốt toàn dầu, lượng cacbon chưa cháy còn lại trong tro rất cao, từ 15 – 20%, làm giảm hiệu suất năng lượng của nhà máy điện tới 3 – 4% Dự báo chất lượng than nội địa cấp cho nhà máy điện trong tương lai cũng không được cải thiện hơn

Tình hình này đòi hỏi phải có những nghiên cứu khẩn trương, cấp bách để

có những khuyến nghị kịp thời cho việc khẳng định chủng loại và chất lượng than cấp ổn định cho nỗi NMNĐ, bảo đảm để các NMNĐ làm việc ổn định, tin cậy, đạt hiệu suất cao khi sử dụng loại than được cấp

Quyết định số 5964/QĐ-BCT ngày 9/12/2012 của Bộ Công Thương “Xác định nhu cầu và các nguồn than cho sản xuất điện tới năm 2030, tối ưu phương pháp cung cấp than cho các NMNĐ than đã được duyệt trong Quy hoạch Điện

VII”, cùng với phụ lục đính kèm của Quyết định này đã thể hiện ý tưởng và mong muốn cấp một chủng loại than ổn định trong suốt đời của mỗi NMNĐ Tuy nhiên để thực hiện ý tưởng này rất cần phải có những nghiên cứu toàn diện

về việc tổ chức đốt cháy than, đặc biệt là việc phối trộn các loại than để khẳng định loại than cấp cho NMNĐ là tối ưu ứng với mỗi cấu tạo lò hơi của NMNĐ

1.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu trộn than ngoài nước và trong nước 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Trong những năm gần đây, chất lượng than cấp cho sản xuất điện có xu hướng ngày càng giảm, nên công nghệ đốt than chất lượng thấp đã được nhiều hãng chế tạo lò hơi nghiên cứu và thực hiện có hiệu quả

Một trong những giải pháp đốt hiệu quả than chất lượng thấp, hàm lượng tro cao là áp dụng công nghệ lò hơi lớp sôi tuần hoàn Tuy vậy, lò hơi than phun vẫn là công nghệ đốt chủ đạo vì nó có nhiều ưu điểm như công suất lớn, hiệu suất cao phù hợp với các loại than ít lưu huỳnh Trong khi đó lò hơi CFB vẫn còn hạn chế về mặt công suất

Tại Việt Nam, do hàm lượng chất bốc trong than antraxit thấp, khó đốt cháy, cho nên tỷ lệ các bon chưa cháy hết trong tro bay tại các lò hơi đốt theo công nghệ than phun vẫn ở mức cao, đôi khi hàm lượng lên đến 18%, gây lãng phí lớn nguồn tài nguyên than

Để đốt hiệu quả than antraxit có chất bốc thấp, độ tro cao, một trong những phương án mà các nhà chế tạo lò hơi lớn trên thế giới (như ở Nhật có Mitsubishi, IHI, Idemitsu, Marubeni; ở Mỹ có Foster Wheeler; ở Trung Quốc,

…) lựa chọn là trộn than antraxit với than bitum hoặc á bitum có chất bốc cao hơn, độ tro thấp hơn, để đốt trong các lò hơi của NMNĐ Điển hình là nhà máy điện Hanfeng của Trung Quốc, vận hành từ năm 2000, có 2 tổ máy, công suất

660 MW, đốt than antraxit mỏ Wannian trộn với than bitum có chất bốc cao của tỉnh Shanxi

Tây Ban Nha là nước có nhiều than antraxit, với các đặc tính than (nhất là

đốt than của các nhà máy điện Tây Ban Nha là rất đáng chú ý Một trong các kinh nghiệm đó là trộn than antraxit với than bitum.Ví dụ: nhà máy điện Compostilla trước năm 1992 chỉ đốt than antraxit, nhưng do chất lượng nhiên liệu suy giảm và các khó khăn trong tối ưu quá trình cháy nên nhà máy đã nhập khẩu than bitum của Nam Phi về trộn với than antraxit trong nước để đốt Cũng tại Tây Ban Nha một điều đáng chú ý là lò hơi của nhà máy điện Puente Nuevo

sử dụng hai loại vòi đốt riêng biệt Các vòi đốt bố trí tại vai lò, phun than xuống dưới chỉ dùng để đốt than antraxit Các vòi đốt than bitum là các vòi đốt nằm ngang, được bố trí ở các tường trước và sau Trong vận hành cả hai loại vòi cùng đồng thời được sử dụng

Gần đây hãng IHI (Nhật Bản) theo chương trình đốt than trộn được Bộ METI (Nhật Bản) tài trợ thông qua tổ chức NEDO và JCOAL đã và đang nghiên cứu, thí nghiệm đốt than trộn antraxit của Việt Nam và than nhập khẩu nhắm tới đối tượng phục vụ là các nhà máy điện đốt than cỡ lớn tại Việt Nam trong tương lai sử dụng công nghệ siêu tới hạn/trên siêu tới hạn của Nhật Bản Đã tiến hành nghiên cứu phân tích than trộn giữa than antraxit Việt Nam (cám 5A Hòn Gai)

và than nhập khẩu (á bitum Indonexia) và đốt thử nghiệm hai giai đoạn: Giai đoạn 1 ở quy mô nhỏ trong lò làm mát bằng nước hình trụ kiểu đứng, công suất 1,2MW với 1 vòi đốt 150 kg/h (than bitum); Giai đoạn 2 đã đốt thử nghiệm trong lò làm mát bằng nước kiểu đứng, công suất 12MWth, dùng 2 loại vòi đốt, gồm vòi đốt cho than chất bốc thấp và vòi đốt IHI-DF, công suất 1600 kg/h cho than bitum Theo chương trình của JCOAL, tháng 12 năm 2012, Phòng Nghiên cứu, thí nghiệm than và môi trường của Công ty Idemitsu (Nhật Bản) đã có báo cáo kết quả mô phỏng trên máy tính quá trình cháy than trộn antraxit của Việt Nam và than á bitum của Indonexia cho lò hơi hiện có của Phả Lại 2 và lò đang lắp đặt tại Vũng Áng 1 Theo đó, việc trộn than chất bốc cao á bitum của Indonexia với than antraxit Việt Nam sẽ cải thiện độ ổn định cháy của than và làm tăng hiệu suất của lò hơi Tuy nhiên, tỷ lệ trộn theo khuyến cáo cần lựa chọn trên cơ sở tính toán đảm bảo các yếu tố: độ ổn định ngọn lửa, khả năng đóng xỉ,

nguy cơ nổ hỗn hợp than trong máy nghiền, nguy cơ làm hỏng các vòi phun than,

Tuy nhiên việc nghiên cứu đốt than trộn giữa than antraxit Việt Nam với than bitum Úc, á bitum Indonexia của Nhật vẫn chỉ là nghiên cứu trên mô hình vật lý, ngoài ra việc nghiên cứu này cò hạn chế đối với các loại than nhiều chất bốc Một số ứng dụng hạn chế ở việc dùng chủ yếu than nhiều chất bốc và chỉ tỷ

lệ nhỏ (xấp xỉ 15%) than antraxits Chưa có nghiên cứu trộn than cám 6a, 6b hay cám 7a của Việt Nam với các loại than có hàm lượng chất bốc thấp (Anthracite nhập khẩu) Nghiên cứu sử dụng công nghệ lò hơi hiện có với các loại than anthraxcite nhập có tính tương thích khá cao, ngoài ra loại than nhập này thông thường có nhiệt trị cao hơn nhiều so với các loại than bitum

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Các nghiên cứu về cháy than trong nước hiện nay còn khá hạn chế, chủ yếu

là hiệu chỉnh các lò hơi đã xây dựng theo kinh nghiệm Về cơ bản chưa có đơn

vị nào nghiên cứu một cách bài bản từ khâu nghiên cứu trong phòng thí nghiệm,

mô hình tương tự thu nhỏ, rồi đưa ra áp dụng vào các nhà máy nhiệt điện thực

tế Toàn bộ các công nghệ lò hơi được áp dụng ở Viện Nam là do các hãng chế tạo nước ngoài nghiên cứu và xây dựng, nên rất hạn chế việc thay đổi nhiên liệu hay hiệu chỉnh hàng năm sau khi sửa chữa bảo dưỡng Chỉ có ít hợp tác nghiên cứu cải tiến, năm 2007-2008, Viện Năng lượng Bộ Công Thương đã chủ trì thực hiện đề tài “Nghiên cứu sử dụng than cám chất lượng thấp trộn với than nhập khẩu của các nước trong khu vực cho các lò hơi nhà máy nhiệt điện Việt Nam"

có hợp tác với hãng MHI Nhật Bản Đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ cấp

Bộ do KS Nguyễn Tuấn Nghiêm làm chủ nhiệm Đã nghiên cứu một số nội dung cơ bản sau đây:

- Các xu hướng bám bẩn, đọng tro bay trên bề mặt dàn ống trao đổi nhiệt

- Xu hướng đóng xỉ buồng đốt

- Ảnh hưởng cỡ hạt và nồng độ ôxy tới chế độ cháy

- Tính toán kỹ thuật - kinh tế - môi trường sơ bộ

Nghiên cứu trên vẫn là vấn đề cải tạo lại vòi phun, trộn than nhiều chất bốc Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu mới dừng lại trong điều kiện của phòng thí nghiệm và còn sơ bộ, ở dạng suy luận vì không đủ các số liệu đo đạc, phân tích và minh chứng nên chưa đủ cơ sở lý luận cũng như thực tiễn để đưa vào áp dụng trong sản xuất Mặt khác kích thước mô hình quá bé, than đem đốt thí nghiệm trong mô hình có khối lượng quá ít (ít hơn nhiều so với lượng than đốt trong các mô hình thí nghiệm của IHI và của Idemitsu của Nhật), không xét gì đến ảnh hưởng của cỡ hạt than Ngoài ra còn rất nhiều ảnh hưởng khác đến chế

độ đốt cháy dòng than chưa được kể đến

Cụ thể như sau:

- Ảnh hưởng của các chế độ vận hành của hệ thống nghiền than trộn (tỷ lệ phối trộn, nhiệt độ khí nóng để tải bột than, thời gian nghiền than, v.v) đến chất lượng than nghiền tại đầu ra thùng nghiền (trong trường hợp sử dụng thùng nghiền chung) và khả năng chống cháy nổ trong hệ thống nghiền than;

- Ảnh hưởng của các thông số vận hành của buồng đốt lò hơi khi đốt than trộn (tỷ lệ phối trộn, hệ số không khí thừa, nhiệt độ cháy, cấu trúc buồng đốt, kiểu bố trí vòi phun, kích thước hạt than đốt, v.v) đến đặc tính vận hành của lò hơi (phân bố tốc độ hạt và nhiệt độ dọc theo chiều cao buồng đốt, thành phần phát thải CO, CO2, NOx, SOx, v.v);

- Ảnh hưởng của các thông số vận hành của quá trình cháy than trộn (tỷ lệ phối trộn, thời gian cháy của than bột) đến đặc tính thải xỉ của buồng đốt lò hơi (nhiệt độ T1, T2, T3 của xỉ; thành phần xỉ, thành phần chuyển pha xỉ, độ nhớt của xỉ, …);

Việc trộn các loại than có chất lượng tốt với than xấu hơn của cùng một mỏ than hay của các mỏ khác nhau cũng đã từng được thực hiện ở nhiều NMNĐ ở Việt Nam Như NMNĐ Phả Lại II đã trộn than của 4 mỏ khác nhau (Vàng Danh, Hòn Gai, Cẩm Phả, Mạo Khê) để có mẫu than dùng cho nhà máy, NMNĐ

Quảng Ninh đã phối trộn than cám 5 + 6B để có than cám 6A dùng cho nhà máy

Tuy nhiên, việc phối trộn này vẫn chỉ là sự phối trộn của cùng một chủng loại than (antraxit), nghĩa là về chất bốc gần như không thay đổi bao nhiêu nên rất ít ảnh hưởng đến việc tổ chức quá trình cháy, chủ yếu là để bảo đảm nhiệt trị của than sử dụng, theo hương than sử dụng không quá xấu về nhiệt trị, không quá nhiều tro

Trong thời gian gần đây (năm 2012), một số NMNĐ dùng lò hơi lớp sôi (CFB) đã đốt than Na Dương (chất bốc cao) trước khi đốt than antraxit (chất lượng xấu và rất xấu) trong quá trình khởi động lò hơi nhằm giảm thiểu nguy cơ đóng xỉ lò hơi, giảm thời gian khởi động lò hơi từ trạng thái lạnh Do dùng than

Na Dương để hỗ trợ khởi động lò nên đã tiết kiệm được hàng chục tấn dầu FO cho mỗi lần khởi động Hàng năm tiết kiệm được hàng tỷ đồng so với khởi động thông thường.Tổng Công ty Điện lực Vinacomin đã và đang khuyến khích các nhà máy điện trực thuộc áp dụng phương pháp khởi động phối hợp này

Tuy nhiên, giải pháp này mới chỉ dừng lại ở việc sử dụng than dễ cháy phối hợp với dầu FO để giảm lượng dầu tiêu thụ trong quá trình khởi động lò hơi, chưa nghiên cứu vấn đề đốt hỗn hợp than khó cháy với than dễ cháy nhằm nâng cao hiệu quả vận hành lò hơi CFB, đặc biệt là khi đốt than rất xấu ở phụ tải thấp, mặt khác cũng chưa có các nghiên cứu và thí nghiệm, đo đạc, phân tích để

có những đánh giá đầy đủ về khoa học, về kinh tế, nhằm tiến tới việc xác định tỷ

lệ các loại than phối trộn tối ưu, việc xây dựng quy trình trộn và đốt than trộn, phương pháp thí nghiệm và tính kết quả thí nghiệm đốt than trộn Trên cơ sở đó xây dựng phương pháp chỉ dẫn kỹ thuật để áp dụng chung cho các lò CFB

1.3 Tổng quan về đề tài

Để đáp ứng nhu cầu than ngày một gia tăng cho sản xuất điện, trong khi nguồn than sản xuất trong nước không đủ và chất lượng than cấp cho điện có chiều hướng ngày càng giảm, để đảm bảo cao nhất an ninh năng lượng quốc gia

và hiệu quả sử dụng than, vấn đề cấp thiết đặt ra là sử dụng hợp lý nguồn than

nội địa và than nhập khẩu (trộn than với tỷ lệ hợp lý) để tạo ra nguồn than cung cấp ổn định lâu dài với các giải pháp phân phối, vận chuyển hợp lý, đảm bảo chất lượng và chi phí cung cấp than thấp nhất, đồng thời nâng cao hiệu suất năng lượng cho các NMNĐ Cũng như để đảm bảo sự làm việc ổn định, tin cậy lâu dài, giảm tối đa chi phí đầu tư cải tạo thiết bị công nghệ đốt, nâng cao hiệu quả

sử dụng nhiên liệu Và một vấn đề nữa là giảm thiểu ô nhiễm môi trường đặc biệt là giảm phát thải các chất gây ô nhiễm môi trường trong quá trình đốt than như NOx, SOx…thì vấn đề nghiên cứu công nghệ đốt than trộn cũng như việc nghiên cứu sự hình thành chất gây ô nhiễm NOx… cho các nhà máy nhiệt điện đốt than đang vận hành và sẽ đưa vào vận hành trong giai đoạn đến năm 2018 –

2020 là hết sức cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Vì vậy, em đã lựa chọn đề tài nghiên cứu: Nghiên cứu sự hình thành NO x

trong trong buồng đốt lò hơi kiểu tiếp tuyến bằng phần mềm mô phỏng ANSYS

Đề tài đã nghiên cứu đốt than trên mô hình mô phỏng ANSYS FLUENT cho đối tượng Nhà máy nhiệt điện Ninh Bình đã xây dựng từ lâu và tháng 11/2014, nhà máy đã tiến hành đốt thử than trộn Ban đầu nhà máy đã tiến hành đốt thử nghiệm tỷ lệ trộn 95% – 5% tương ứng là than nội địa và than nhập khẩu Sắp tới nhà máy sẽ tiến hành đốt các mẫu có tỷ lệ trộn 90% - 10%, 80% - 20% Đối với nhà máy, để tìm ra các điều kiện đốt và tỷ lệ trộn hợp lý phù hợp cho điều kiện hoạt động của nhà máy thì việc cải tạo vòi đốt, cũng như việc thí nghiệm trên mô hình thực tế là rất tốn kém về tiền bạc, sức lực và thời gian Việc xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm ANSYS sẽ góp phần giảm được thời gian nghiên cứu và tránh được những rủi ro khi nghiên cứu tại nhà máy Và từ các kết quả nghiên cứu được, sẽ góp phần vào việc xây dựng chế độ đốt tốt nhất cho lò hơi NMNĐ

1.3.1 Mục đích nghiên cứu

Từ những phân tích trên, đề tài có những mục đích sau:

- Nghiên cứu lý thuyết về sự hình thành cũng như các biện pháp giảm phát thải NOx

- Xây dựng được mô hình buồng đốt theo mô hình lò hơi SG 130-40-450 đang vận hành tại NMNĐ Ninh Bình để nghiên cứu đánh giá các chế độ cháy bằng phần mềm ANSYS FLUENT để tìm được chế độ cháy hợp lý đối với các loại than, tỷ lệ trộn khác nhau

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu

Trong vấn đề nghiên cứu bài toán cháy than và than trộn, việc sử dụng phương pháp CFD là một yêu cầu bức thiết Với sự phát triển mạnh mẽ của CFD trong những năm trở lại đây, công cụ mô phỏng CFD - phần mềm ANSYS FLUENT cho phép thay đổi các chế độ một cách linh hoạt, hạn chế được số lần thực nghiệm, đồng nghĩa với việc tiết kiệm được chi phí

Trong đồ án này, một số vấn đề cơ bản về CFD như một số khái niệm, quy trình mô phỏng cũng như vai trò và ứng dụng của CFD sẽ được trình bày trong phần sau của đồ án

- Chương V: Xác định sự thay đổi NOx khi thay đổi chế độ đốt Để từ đó tìm ra chế độ đốt hợp lý cho lò hơi

CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NGUYÊN LÝ HÌNH THÀNH VÀ

KỸ THUẬT XỬ LÝ NOx TRONG QUÁ TRÌNH CHÁY THAN TRONG

LÒ HƠI

2.1 Cơ chế hình thành NOx

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

NOx hình 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 NOx thải ra trong lò hơi thỉa xỉ lỏng cao hơn nhiều so với 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 NOx thải ra cũng khác nhau như hình 2.1 biểu thị

Hình 2.1 Quan hệ giữa lượng NOx thải ra với phương thức đốt và sản

lượng lò

Trong quá trình cháy than ở nhiêt độ trên 1000 oC NOx sinh ra, trong đó

NO chiếm 90%, NO2 chiếm 5 – 10 %

NOx hình thành trong quá trình cháy than theo 3 cơ chế: Phân hủy nhiệt,

Nhiên liệu, 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

Hình 2.2 Tương quan lượng NOx sinh ra từ 3 cơ chế theo nhiệt độ

Từ hình 2.2 ta thấy, NOx nhiên 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 NOx tức 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:

O2 + M ⇌ 2O + M (2.1)

O + N2 ⇌ NO + N (2.2)

N + O 2 ⇌ NO + O (2.3)

Do đó dưới nhiệt độ cao, phương trình tổng phản ứng tạo thành NO và NO2

có dạng

N2 + O2 ⇌ 2NO (2-4)

NO + 1/2O2 ⇌ NO2 (2-5)

2.1.2 Cơ chế hình thành NOx nhiên liệu

Cơ chế hình thành NOx nhiên 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 NOx

nhiên liệu có những quy luật sau:

1 Trong điều kiện đốt cháy bình thường, các hợp chất hữu cơ của Nitơ bị nhiệt phân trước tiên thành HCN, NH3 và 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

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 nhiệt phân và tốc độ gia nhiệt tăng lên thì N chất bốc tăng lên còn N cốc sẽ giảm theo hình 1.4

Hình 2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tỷ lệ chuyển hóa Nitơ

2 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 NH3 tương 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 NH3 đạt đến bão hòa

- Khi nhiệt độ tăng lên, N nhiên liệu chuyển hóa thành HCN với tỷ lệ lớn hơn chuyển thành NH3

3 Lộ trình phản ứng chủ yếu của HCN trong N chất bốc bị oxy hóa được biểu thị như sau:

Hình 2.5 Lộ trình chủ yếu phản ứng oxy hóa HCN

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 õi 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 Lộ trình chủ yếu của NH3 trong N chất bốc bị oxy hóa như hình 1.6

Hình 2.6 Lộ trình chủ yếu phản ứng oxy hóa NH3

Từ lộ trình trên, NH3 có thể là nguồn hình thành NO, cũng có thể trở thành chất hoàn nguyen NO

5 Dưới nhiệt độ cháy thông thường, NOx nhiên liệu chủ yếu là từ N chất bốc

Khi đốt bột than NOx do chất bốc sinh ra chiếm 60 – 80% tổng NOx 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

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 NO x

Như 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

NOx nhiệt và NOx nhiên liệu, đó là do CHi 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

NOx tức 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 NOx tức 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 1500 oC, thì NOx nhiệt là tác dụng chủ yếu

2.1.4 Khống chế sự hình thành NOx khi 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 bac ơ chế hình thành NOx đó Cho nên hình 2.8 là bảng tóm tắt về cơ chế hình thành

NOx

Hình 2.8 Biểu đồ cơ chế hình thành NOx

NOx tức thời chiếm tỷ lệ 5%, ở nhiệt độ thấp hơn 1350 oC, hầu như không

có NOx nhiệt, chỉ khi nhiệt độ vượt quá 1600oC như trong buồng lửa thải xỷ lỏng, NOx nhiệt mới chiếm 25 – 30% Còn trong thiết bị đốt than thông thường,

NOx chủ yếu là theo lộ trình hình thành NOx nhiên liệu Cho nên việc khống chế

và làm giảm NOx hình thành trong khi đốt than, chủ yếu là khống chế NOx nhiên liệu

2.2 Ảnh hưởng của phương pháp đốt đối với sự phát thải NOx

Từ các quy luật hình thành NOx, các nhân tố chủ yếu ảnh hưởng đến sự hình thành và phân hủy NOx trong quá trình đốt cháy than là:

- Đặc tính của nhiên liệu, như hàm lượng Nitơ, hàm lượng chất bốc, tỷ số nhiên liệu FC/V…

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

Từ hình vẽ ta thấy, vì nhiệt độ cháy của buồng lửa đốt bột than thải xỉ lỏng

là cao nhất, nên ngoài NOx nhiên liệu ra, còn sinh thêm NOx nhiệt làm cho lượng NOx phát thải ban đầu trong lò đốt bột than thải xỉ lỏng là cao nhất Với lò đốt bột than thải xỉ khô do nhiệt độ đốt cháy tương đối thấp, trong quá trình đốt

cháy chủ yếu hình thành là NOx nhiên liệu, nên có giá trị phát thải ban đầu thấp hơn nhiều sơ với lò hơi thải xỉ lỏng Tuy lò đốt bột than thải xỉ khô như nhau, khi thiết bị đốt bố trí trên buồng lửa khác nhau, hình thành phương thức đốt khác nhau Trên hình 2.1 có thể thấy, với phương thức đốt tiếp tuyến của vòi phun bố trí bốn góc, do ngọn lửa tiếp tuyến với vòng tròn giả định trong buồng lửa làm cho ngọn lửa bột than chuyển động sát với dàn ống bốn phía buồng lửa, nên điều kiện làm lạnh khói tốt hơn các phương thức khác Đồng thời cách đốt tiếp tuyến này dùng vòi phun thổi thẳng, điều kiện hỗn hợp gió cấp một và cấp hai kém hơn sơ với vòi phun xoaysm làm cho bột than và không khí hỗn hợp tương đối chậm, nên so với cách đốt thông thường khác, thì lượng NOx phát thải ban đầu tương đối thấp Hơn nữa, lượng phát thải NOx sinh ra không tăng theo năng suất

lò

Đối với cách đốt bột than mà vì phun đặt cả ở tường trước hoặc cả tường trước và tường sau, do ngọn lửa tương đối tập trung ở trung tâm buồng lửa, không những lượng NOx phát thải ban đầu cao hơn cách đốt tiếp tuyến mà lượng phát thải tăng khi năng suất lò tăng Lượng NOx của lò tầng sôi tuần hoàn là thấp nhất, đó không chỉ do nhiệt độ cháy của nó thấp nhất, mà còn do tác dụng phân hủy NOx của các hạt chất rắn chứa đầy trong buồng lửa làm cho NOx phát thải thấp hơn so với lò tầng sôi thông thường cung đốt ở nhiệt độ 850oC

Hình 2.1 và 2.9 nói lên rằng, phương thức đốt, cũng tức là điều kiện đốt có ảnh hưởng rất lớn đến lượng NOx hình thành và phát thải, cho nên thay đổi điều kiện đốt, điều kiện vận hành thiết bị đốt than một cách thỏa đáng thì có thể giảm được lượng NOx phát thải

2.3 Công nghệ xử lý NOx trong quá trình cháy

Dung phương pháp thay đổi điều kiện đốt để giảm lượng NOx phát thải gọi

là kỹ thuật đốt NOx thấp Trong các phương pháp làm giảm NOx phát thải thì kỹ thuật đốt NOx thấp là phương pháp được dùng rộng rãi, đơn giản, kinh tế mà hiệu quả

2.3.1 Đốt hệ số không khí thừa thấp

Cho quá trình tiến hành trong điều kiện gần hết mức với lượng không khí

lý thuyết, khi lượng oxy thừa trong khói giảm xuống, có thể kiềm chế lượng

NOx hình thành, đó là phương pháp đơn giản nhất giảm NOx phát thải Nói chung dùng phương pháp đốt với hệ số không khí thừa thấp có thể giảm 10 – 15% lượng NOx phát thải, nhưng dù phương pháp đó cũng có điều kiện giới hạn nhất định, như khi nồng độ oxy thừa trong khói quá thấp, đến dưới 3% thì sẽ tạo thành nồng độ CO tăng vọt, do đó tăng nhanh tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt hóa học đồng thời sẽ làm tăng lượng than trong tro bay tăng lên, làm cho tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học tăng lên, hiệu suất nhiệt gảm xuống Ngoài ra nòng độ oxy thấp có thể làm cho một số vùng trong buồng lửa trở thành môi trường hoàn nguyên, từ đó làm cho nhiệt độ nóng chảy của tro giảm xuống gây hiện tượng bám xỉ và ăn mòn tường lò

Hình 2.10 Quan hệ giữa tỷ lệ hệ số không khí thừa với hàm lượng than

trong tro bay và NOx trong khói

Cho nên khi thiết kế và vận hành lò hơi, cần phải cân nhắc toàn diện về lựa chọn hệ số không khí thừa hợp lý nhất, tránh không để xuất hiện giảm NOx phát thải mà sinh ra nhiều vấn đề khác

2.3.2 Đốt phân cấp không khí

Phương pháp đốt phân cấp không khí phát triển đầu tiên ở Mỹ vào những năm 50, trước mắt đó là một trong những kỹ thuật đốt NOx thấp được dùng phổ biến nhất Nguyên ký cơ bản của đốt phân cấp không khí là đem quá trình đốt nhiên liệu được tiến hành theo giai đoạn Ở giai đoạn thứ nhất, qua vòi phun chính giảm lượng không khí cấp vào buông lửa đến 70 -75% tổng không khí của quá trình cháy, tương đương khoảng 80% lượng không khí lý thuyết, làm cho nhiên liệu được cháy trong điều kiện giàu nhiên liệu, nghèo oxy Lúc đó trong vùng đốt cấp một hệ số không khí thừa α <1, do đó giảm được tốc độ đốt cháy

và nhiệt độ trong vùng cháy Cho nên không những kéo dài quá trình đốt cháy

mà còn giảm được cường độ phản ứng hình thành NOx trong môi trường hoàn nguyên, kiềm chế NOx hình thành trong vùng đó Để hoàn thành toàn bộ quá trình cháy, lượng không khí cần để cháy hoàn toàn được cấp vào buồng lửa theo miệng vòi phun chuyên dùng OFA (over fire air – gió xiết) đặt ở phía trên vòi phun chính, hỗn hợp với khói sinh ra trong điều kiện đốt “nghèo oxy” ở vùng đốt cấp 1, hoàn thành toàn bộ quá trình cháy trong điều kiện α > 1 Vì toàn bộ lượng không khí cần cho quá trình cháy được chia thành hai cấp tiến hành, nên gọi đây là phương pháp đốt không khí Phương pháp này khắc phục được những khuyết điểm của phương pháp đốt hệ số không khí thừa thấp Nhưng nếu tỷ lệ phân phối không khí giữa cấp một và cấp thứ hai không thỏa đáng, hoặc điều kiện hỗn hợp không tốt thì tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn tăng

Khi dùng phương pháp đốt phân cấp không khí, do trong vùng đốt phân cấp một α <1, quá trình cháy tiến hành trong điều kiện lượng không khí ít hơn lượng không khí lý thuyết, tất nhiên sẽ sinh ra những sản phẩm cháy không hoàn toàn càng nhiều, cùng với rất nhiều nhiên liệu chưa cháy hết, hết sức có lợi cho việc hạn chế NOx hình thành Hơn thế nữa, trong vùng cấp một hệ số không khí thừa thấp thì hiệu quả khống chế NOx hình thành càng tốt, nhưng sản phẩm cháy không hoàn toàn lại càng nhiều, dẫn đến hiệu suất thấp, khả năng đóng xỉ ăn mòn càng cao Cho nên vừa đảm bảo vừa giảm NOx, vừa đảm bảo kinh tế và ổn

định quá trình cháy, cần phải tootr chức quá trình đốt cháy phân cấp một cách chính xác

2.3.3 Đốt phân cấp nhiên liệu

Từ cơ chế phân hủy NOx đã nói ở trên, NOx đã hình thành khi gặp gốc CHi

và sản phẩm chưa cháy hết CO, C và CmHn sẽ xảy ra phản ứng hoàn nguyên Phản ứng tổng của những phản ứng trên là:

4NO + CH4 → 2N2 + CO2 +H2O (1.6) 2NO + 2 CnHm + ( 2n+m/2-1) O2 → N2 + 2n CO2 + mH2O (1.7) 2NO + 2CO → N2 + 2CO2 (1.8) 2NO + 2C → N2 + 2CO (1.9) 2NO + 2H2 → N2 + 2H2O (1.10) Lợi dụng nguyên lý đó, đem 80 – 85% nhiên liệu đưa vào vùng cháy cấp một, cháy dưới điều kiện α > 1 và hình thành NOx Nhiên liệu đưa vào cháy cấp

một gọi là nhiên liệu cấp một 15 – 20% nhiên liệu còn lại được đưa vào vùng cháy cấp hai ở phía trên vòi phun chính, dưới điều kiện α < 1 hình thành môi trường hoàn nguyên rất mạnh, làm cho NOx hình thành trong vùng cháy cấp một

bị hoàn nguyên thành N2 Vùng cháy cấp hai gọi là vùng tái cháy Trong vùng tái cháy, không chỉ làm cho NOx đã hình thành hoàn nguyên mà còn kiềm chế sự hình thành NOx mới, có thể làm nồng độ NOx giảm xuống them nữa Trong trường hợp thông thường có thể giảm phát thải NOx xuống trên 50% Ở phía trên vùng cháy cần bố trí miệng gió xiết để tạo thành vùng cháy cấp ba để đảm bảo cháy kiệt sản phẩm chưa cháy hoàn toàn trong vùng tái cháy

Để phân cấp nhiên liệu cần có gió cấp ba, nên thời gian lưu lại của nhiên liệu và khói trong vùng tái cháy tương đối ngắn, cho nên nhiên liệu cấp hai nên chọn là khí hoặc lỏng dễ bắt lửa, dễ cháy, như khí thiên nhiên Nếu chọn bột than làm nhiên liệu thì phải chọn nhiên liệu có chất bốc cao, hạt phải nghiền mịn Vì thế đối với than antraxit Việt Nam không phù hợp cho việc làm nhiên liệu cấp hai

Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý đốt phân cấp nhiên liệu

2.3.4 Tái tuần hoàn khói

Ngoài phương pháp đốt phân cấp không khí và nhiên liệu để giảm lượng

NOx, người ta còn dùng tương đối nhiều phương pháp tái tuần hoàn khói Đó là, hút một phần khói có nhiệt độ thấp trước bộ sấy không khí của lò đưa vào lò,

hoặc hỗn hợp với gió cấp một, hoặc gió cấp hai rồi đưa vào buồng lửa, như vậy không những giảm nhiệt độ đốt cháy mà còn giảm được nồng độ đốt cháy, giảm được nồng độ oxy, từ đó có thể giảm nồng độ NOx

Hình 2.13 Sơ đồ hệ thống tái tuần hoàn khói

Từ hình vẽ cho thấy, khói có nhiệt độ thấp hút tự phía trước bộ sấy không khí, nhờ quạt tái tuần hoàn đem khói hút ra để đưa vào bộ phận hỗn hợp không khí và khói, sau đó đưa hỗn hợp vào buồng lửa

Phương pháp này có thể dùng riêng lẻ cho một lò hơi, cũng có thể dùng phối hợp các kỹ thuật khác

2.3.5 Vòi phun bột than có nồng độ NOx thấp

Đối với Việt Nam chủ yếu là than antraxit, có hàm lượng chất bốc thấp, nhiều tro, cho nên rất khó cháy Do đó cần phải có những nghiên cứu thiết kế vòi phun riêng để đảm bảo cho quá trình bắt lửa sớm, cháy kiệt và giảm nồng độ

NOx trong quá trình cháy

Vòi phun phân cấp gió NOx thấp là một loại công nghệ đốt NOx thấp được dùng vô cùng rộng rãi Nguyên tắc thiết kế loại vòi phun này tương tự như cách đốt phân cấp gió, tức là vùng bắt lửa gần miệng vòi phun hình thành vùng đốt nhiên liệu giàu với α <1, muốn vậy cần phải xem xét đặc biệt vị trí hỗn hợp gió cấp hai với gió cấp một quá sớm mà ảnh hưởng đến việc kiềm chế NOx hình thành, vừa phải cho gió cấp hai có thể kịp thời hỗn hợp với dòng khí có bột than

đã bắt lửa để tránh sự gia tăng sản phẩm cháy không hoàn toàn Muốn vậy, ngoài việc làm cho hệ số không khí thừa trong hỗn hợp gió cấp một và bột than

nhỏ hơn một tất nhiều, làm cho vùng bắt lửa sớm nhất, còn phải tạo vùng xung quanh vòi phun trở thành vùng hoàn nguyên mạnh, do đó mà hạn chế một cách hiệu quả sự hình thành NOx Đồng thời gió cấp hai phải chia thành hai luồng, thậm chí ba luồng, phân cấp đưa vào vùng khói có bột than đã bắt lửa Khi bột than ở giai đoạn bắt đầu cháy, chỉ thêm vào một phần gió cấp hai, tiếp tục duy trì một đoạn cháy nhiên liệu giàu hình thành vùng cháy cấp một Sau đó, luồng gió cấp cần đưa vào sau vùng đốt cấp một, hình thành vùng cấp hai (vùng cháy kiệt) có α >1, ở đây nhiên liệu cháy hoàn toàn Để đảm bảo cháy kiệt, gió cấp ba

“gió xiết” cần được hòa trộn vào vùng cháy

Nguyên lý vòi đốt phân cấp gió được minh họa trong hình 2.14

Hình 2.14 Nguyên lý vòi phun phân cấp gió

CHƯƠNG III PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ANSYS FLUENT

3.1 Một số vấn đề về phương pháp CFD

3.1.1 Tổng quan về CFD

Tính toán động lực học chất lỏng (Computational Fluid Dynamics (CFD))

là khoa học tính toán dòng chất lưu, truyền nhiệt và truyền khối, phản ứng hóa học và các hiện tượng liên quan bằng việc giải hệ các phương trình toán học chủ đạo như:

- Bảo toàn khối lượng

- Bảo toàn động lượng

- Bảo toàn năng lượng

- Bảo toàn chất

- Các tác động của lực lên vật thể

Chúng là một hệ các phương trình vi phân riêng, không thể giải được bằng cách phân tích ngoại trừ một số trường hợp riêng Tuy nhiên, một lời giải gần đúng có thể thu được bằng cách sử dụng phương pháp rời rạc hóa, biến đổi các phương trình vi phân riêng về các phương trình đại số

CFD được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp và các kết quả phân tích của CFD thích hợp cho:

- Nghiên cứu lý thuyết của các thiết kế mới

- Chi tiết hóa phát triển sản phẩm

a CFD làm việc như thế nào?

Như đã nói ở trên, lời giải của CFD dựa trên phương pháp rời rạc hóa Có nhiều phương pháp được áp dụng, mà điển hình nhất là phương pháp thể tích

hữu hạn, phần tử hữu hạn và sai phân hữu hạn Ở đây, các bộ giải ANSYS CFD dựa trên phương pháp thể tích hữu hạn (phụ lục 2)

b Trình tự giải quyết bài toán CFD

Bất kỳ trong mọi lĩnh vực nào, giải một bài toán CFD gồm các bước sau:

- Đặt vấn đề

- Đánh giá kết quả

Đặt vấn đề

Từ nhu cầu thực tế cần giải quyết các vấn đề mà chúng ta đặt ra cho bài toán của mình, từ đó tìm lời giải cho chúng Ví dụ, đối với một bài toán mô phỏng quá trình cháy than trong lò hơi, chúng ta cần xem xét các vấn đề như kích thước của lò cũng như các vòi phun, hệ số truyền nhiệt của tường lò…Và

từ đó, chúng ta xem xét các thông số đầu vào, đầu ra nào cho mô hình CFD của mình

Giải quyết vấn đề

Đây chính là phần quan trọng nhất, nhiệm vụ trung tâm của bài toán CFD

Nó gồm ba giai đoạn là: Pre-processing, processing, và Post-processing

Pre-processing là giai đoạn chuẩn bị để giải quyết bài toán CFD, đó là xây dựng mô hình hình học của vật thể, rời rạc hóa bằng cách chia lưới Phương pháp rời rạc hóa đảm bảo các yêu cầu về khả năng làm việc của máy tính, đảm bảo độ chính xác và hội tụ của phương pháp tính Sau khi đã xây dựng được lưới tính toán, chúng ta tiến hành lựa chọn các phương pháp tính Ở mỗi linh vực cụ thể, CFD đều có các bộ phương trình để giải bài toán thuộc phạm vi đó Tuy nhiên, các phương trình đều ở dạng vi phân, tích phân hoặc vi phân không tuyến tính rất phức tạp Và mỗi loại phương trình cần những thông số tối thiểu, đủ để

có thể giải và cho lời giải, đó là các điều kiện biên

Processing là giai đoạn tính toán được thực hiện Ở giai đoạn này, chúng ta quyết định sử dụng các phương pháp giải để đảm bảo tối ưu cho các yêu cầu về thời gian tính toán, khả năng tính toán và độ chính xác của lời giải

Post-processing là giai đoạn trực quan, xử lý kết quả Sau khi giai đoạn Processing kết thúc, toàn bộ dữ liệu của bài toán được ghi thành dữ liệu số, nhị phân, mã hóa… trên ổ cứng máy tính Chúng ta hoàn toàn có thể xử lý chúng để thu được kết quả, lời giải cho bài toán

Đánh giá kết quả

Phần này chúng ta so sánh kết quả vừa tìm được với các kết quả thực nghiệm và lời giải số học và để làm tiêu chuẩn điều chỉnh cho phương pháp giải của mình Đối với các bài toán đơn giản mà thực nghiệm có thể đưa ra kết quả chính xác, các lời giải toán học cũng có kết quả chính xác thì kết quả của chúng

ta cũng phải trùng khớp hoặc trong phạm vi sai số chấp nhận được, nếu sai số vượt quá giới hạn cho phép thì lúc này thì chúng ta phải điều chỉnh thế nào để có kết quả chính xác nhất Đối với bài toán phức tạp thì thực nghiệm và lời giải số rất khó khăn để đưa ra được kết quả chính xác, CFD có ưu thế hơn ở trường hợp này

3.1.3 Vai trò và ứng dụng của CFD

a Vai trò của CFD

Vai trò của CFD trong dự báo kĩ thuật công nghiệp đã trở nên mạnh đến mức ngày nay nó có thể được nhìn nhận như “hướng thứ ba” trong động lực học lưu chất, hai hướng khác là những trường hợp cổ điển của thực nghiệm thuần túy và lý thuyết thuần túy Từ năm 1687, với sự công bố Principia của Isaac Newton cho tới giữa những năm 1960, những tiến bộ về cơ lưu chất được thực hiện bằng cách kết hợp với các thực nghiệm tiên phong và phân tích lý thuyết cơ bản- những phân tích mà hầu như luôn yêu cầu sử dụng những mô hình dòng đơn giản đề nhận được lời giải dạng khép kín của các phương trình chủ đạo Những lời giải dạng khép kín có lợi thế nổi bật là đồng nhất ngay lập tức một vài tham số cơ bản của bài toán đã cho, và thể hiện rõ câu trả lời cho những bài toán bị ảnh hưởng bởi sự biến đổi các tham số như thế nào Tuy nhiên chúng có bất lợi là không đưa ra được mọi quá trình vật lý cần thiết của dòng Với khả năng kiểm soát các phương trình chủ đạo ở dạng chính xác cùng với việc xem xét các hiện tượng vật lý chi tiết như phản ứng hóa học ở mức độ hạn chế, CFD nhanh chóng trở thành một công cụ phổ biến trong phân tích kỹ nghệ Ngày nay, CFD hỗ trợ và bổ sung cả thực nghiệm thuần túy lần lý thuyết thuần túy, và quan điểm của các nhà nghiên cứu, CFD sẽ vẫn được coi là hướng thứ ba trong động lực lưu chất, có dáng vóc và tầm quan trọng như nhau đối với thực nghiệm

và lý thuyết Nó có một vị trí cố định trong tất cả các khía cạnh của động lực học lưu chất, từ nghiên cứu cơ bản đến thiết kế kỹ nghệ

b Ứng dụng của CFD

CFD được phát triển, ứng dụng và mang lại hiệu quả cao trong các lĩnh vực

cơ học môi trường chất lưu (khí, lỏng, plasma, ) và môi trường biến dạng, đàn hồi Trên thực tế, CFD được ứng dụng rộng rãi vào các nghành khoa học tiên tiến và công nghệ cao cũng như các nghành khoa học phục vụ dân sinh Chẳng hạn, CFD được ứng dụng mô phỏng về chuyển động của tàu vũ trụ với vận tốc

thể bay nói chung CFD được úng dụng vào nghành đại dương học để mô phỏng tìm các quy luật của dòng biển nóng , lạnh và tác động của chúng lên khí hậu toàn cầu, CFD được ứng dụng trong y tế để mô phỏng quá trình hoàn lưu máu

ở hai vòng tuần hoàn, ảnh hưởng của các yếu tố bên trong, bên ngoài lên nhịp đập cũng như sức khỏe của nội tạng nói riêng, toàn bộ cơ thể nói chung

Thật khó có thể kể hết phạm vi ứng dụng của CFD, dưới đây ta có thể liệt

kê những lĩnh vực mà CFD đóng vai trò như một công cụ hữu hiệu không thể thiếu để nghiên cứu, ứng dụng, cũng như phát triển chung lên cấp độ công nghiệp, mang lại nhiều thành tựu rực rỡ nhất Đó là:

- Cơ học chất lưu và thủy khí động lực học

- Vật liệu học và sức bền vật liệu

- Công nghiệp chế tạo máy, đóng tàu

- Năng lượng nguyên tử

- Công nghiệp ô tô, máy bay

thải Phần mềm có khả năng mô hình hóa động cơ xy lanh, đường đạn, máy và thiết bị tua bin và hệ thống đa pha

Ngày nay, hàng ngàn công ty trên toàn thế giới được lợi từ việc sử dụng những công cụ thiết kế và phân tích quan trọng này Được mở rộng bởi khả năng tương tác đa môi trường khiến phần mềm trở thành công cụ phổ thông trong trong cộng đồng CFD Với sự nổi tiếng về sự thân thiện và mạnh mẽ, FLUENT rất dễ sử dụng đối với người mới bắt đầu để nâng cao năng suất và hiệu quả trong công việc

Sự sát nhập của ANSYS FLUENT vào ANSYS Workbench sẽ cung cấp cho người sử dụng với 2 hướng kết nối tới toàn bộ hệ thống CAD, xây dựng và thay đổi về hình học một cách hữu hiệu với ANSYS DesignModeler , và những công nghệ chia lưới tiên tiến trong ANSYS Meshing Những chức năng cơ bản này cũng cho phép dữ liệu và kết quả được chia sẻ giữa các ứng dụng bằng cách kéo và thả dễ dàng, cho tới việc sử dụng một phép giải dòng chảy lưu chất với các điều kiện biên của mô phỏng về kết cấu cơ khí

Sự kết hợp của những lợi ích này với hàng loạt các khả năng mô hình hóa

mô hình vật lý và những kết quả CFD nhanh chóng, chính xác, phần mềm ANSYS FLUENT cung cấp các kết quả dưới dạng một trong những gói phần mềm toàn diện nhất cho quá trình mô hình hóa CFD trên thế giới hiện nay

3.2.2 Mô hình dòng phản ứng và mô hình cháy có trong ANSYS FLUENT được sử dụng trong quá trình mô phỏng cháy than và hình thành NOx

a Tổng quan về mô hình dòng phản ứng và mô hình cháy

Bằng việc xác định động học và phản ứng hóa học, Fluent có thể tính các phản ứng hóa học bên trong miền dòng chảy, chúng ta có thể thấy cách bộ giải tính nồng độ và nhiệt độ các chất Cái này sau đó được kết hợp với lý thuyết phản ứng để hình thành chất mới trong mô hình, với sự chuyển năng lượng tương ứng Với mô hình dòng phản ứng có thể được áp dụng cho cả các phản ứng dòng đơn pha cũng như hạt như cháy giọt chất lỏng, cháy hạt như than và sinh khối

FLUENT chứa các mô hình có khả năng ứng dụng với các dòng phản ứng đồng nhất và không đồng nhất Và nó được ứng dụng trong:

- Buồng đốt

Hình 3.2 Mô hình hóa phản ứng trong FLUENT

Bài toán mô phỏng cháy than được ứng dụng trực tiếp trong mô hình phản ứng nhanh (Fast chemistry) Bao gồm các mô hình liên quan sau:

- Mô hình chuyển động rối

- Mô hình Eddy Dissipation (Species transport)

- Mô hình pha rời rạc

- Mô hình bức xạ

- Mô hình chất gây ô nhiễm (NOx)

b Mô hình chảy rối

Từ những năm 1960, khi mà khă năng tính toán của máy tính được tăng lên rất nhiều, các mô hình chảy rối dựa trên phương trình năng lượng cho động năng chảy rối đã trở thành nền tảng cho việc nghiên cứu mô hình chảy rối hiện đại Ở đây chúng ta xét đến hai loại mô hình năng lượng chảy rối: mô hình một phương trình và mô hình hai phương trình Điển hình cho mô hình một phương trình là

mô hình Spalart-Allmaras – mô hình được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng hàng không vũ trụ liên quan đến các dòng chảy bị giới hạn bởi tường và nó cũng phổ biến cho các ứng dụng liên quan đến máy tuabin (turbomachinery)

Mô hình chảy rối hai phương trình là một trong những mô hình phổ biến nhất của mô hình chảy rối Mô hình k-epsilon và mô hình k-omega đã trở thành

mô hình tiêu chuẩn công nghiệp và được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các linh vực kỹ thuật

Theo định nghĩa, mô hình chảy rối hai phương trình gồm hai phương trình vận chuyển để mô tả cho quá trình chảy rối của dòng chảy Hai mô hình phổ biến và được sử dụng trong mô hình hai phương trình là:

- Mô hình k-epsilon

- Mô hình k-omega

Ở đây, em chọn mô hình k-epsilon cho mô hình tính toán vì do điều kiện tính toán cũng như khả năng giải của máy tính Mô hình k-epsilon bao gồm: Standard k-epsilon model, RNG k-epsilon model, Realizable k-epsilon model

Standard k-epsilon model

Standard k-epsilon model (SKE) được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp Đây là mô hình mặc định Tuy nhiên, mô hình SKE có một số hạn

chế như hiệu quả kém khi áp dụng với các dòng chảy xoáy lớn, chia tách mạnh

và dự đoán không chính xác sự mở rộng tốc độ của luồng phun tròn

Động năng chảy rối, k, và tốc độ tiêu tán, ε, thu được từ hai phương trình vận chuyển tổng quát sau đây :

RNG k-epsilon model là mô hình biến thể của mô hình SKE Mô hình này

sử dụng kỹ thuật thống kê được gọi là thuyết nhóm tái chuẩn hóa (renormalization group) Các hệ số trong trong phương trình k- ε nhận được từ phép phân tích dùng thuyết RNG Mô hình này thực hiện tốt hơn SKE cho dòng chảy phức tạp hơn có tốc độ biến dạng cao, xoáy và chia tách Mô hình này được áp dụng để dự đoàn dòng chảy xoáy và dòng có số Reynolds thấp

Realizable k-epsilon model

Đây cũng là một biến thể của mô hình SKE, cải thiện được những hạn chế của hai mô hình ở trên Mô hình này có các cải thiện sau:

- Dự đoán chính xác tốc độ lan rộng của dòng phun thẳng và quay tròn,

- Có khả năng cung cấp hiệu suất cao cho các dòng có sự quay, các lớp biên dưới gradient áp suất bất lợi mạnh mẽ, chia tách và tuần hoàn

Từ những điểm trên, đối với mô hình cháy than thì mô hình Realizable epsilon được lựa chọn sử dụng để có thể dự đoán và cho ra kết quả chính xác hơn

k-c Mô hình tiêu tán xoáy (Eddy dissipation (Species transport))

ANSYS FLUENT có thể mô hình hòa trộn và vận chuyển các chất hóa học bằng cách giải các phương trình bảo toàn mô tả sự đối lưu, khuếch tán và các nguồn phản ứng cho mỗi chất thành phần

Nhiều phản ứng hóa học đồng thời có thể được mô hình, với các phản ứng xảy ra trong pha khối (các phản ứng thể tích) hoặc trên tường hoặc bề mặt hạt và trong vùng xốp Trong phần này, chúng ta sẽ mo tả các khả năng mô hình vận chuyển các chất đi kèm các phản ứng và không đi kèm các phản ứng

Hầu hết nhiên liệu là cháy nhanh, và tỷ lệ lệ tổng thể của phản ứng được điều khiển bằng hỗn hợp rối Trong các ngọn lửa không hòa trộn, hỗn hợp nhiên liệu và chất oxy hóa chảy rối chậm vào vùng phản ứng nơi chúng cháy nhanh Trong ngọn lửa hỗn hợp đã hòa trộn, hỗn hợp chất phản ứng lạnh chảy rối chậm

và các sản phẩm nóng vào trong vùng phản ứng, nơi phản ứng xảy ra đột ngột ANSYS FLUENT cung cấp một mô hình tương tác chảy rối-hóa học, dựa trên nguyên lý của Magnussen và Hjertager, được gọi là mô hình sự tiêu tán xoáy (Eddy dissipation) Tỷ lệ sản phẩm thực của chất i do phản ứng r, Ri,r được cho bởi hai phương trình nhỏ dưới đây:

Trong đó, YP là tỷ lệ khối lượng của sản phẩm bất kỳ, P

YR là tỷ lệ khối lượng của một chất phản ứng thực tế, R

A, B là các hằng số

Trong phương trình 3.4 và 3.5, tỷ lệ phản ứng hóa học được điều khiển bởi

hệ số thời gian hỗn hợp xoáy rộng, k/ε Các diễn biến cháy bất kỳ khi nào chảy rối hiện diện (k/ε>0), và một nguồn đánh lửa là không cần thiết để bắt đầu cháy Điều này luôn có thể chập nhận được cho ngọn lửa không hòa trộn trước, nhưng ngọn lửa hòa trộn, các chất phản ứng sẽ cháy ngay sau khi chúng đưa vào miền tính toán

d Mô hình pha phân tán ( Discrete phase model)

Nhiều dòng chảy kỹ thuật liên quan sự tương tác giữa một pha khí và các hạt/giọt rất mịn, như:

Mô hình NOx ANSYS FLUENT cung cấp khả năng mô hình sự hình thành

NOx nhiệt, NOx nhiên liệu và NOx tức thời, cũng như sự tiêu thụ NOx do cháy lại trong hệ thống cháy Để dự đoán các phát thải NOx, ANSYS FLUENT giải một phương trình vận chuyển cho sự hình thành NO Khi nguồn NOx nhiên liệu

có mặt, ANSYS FLUENT giải các phương trình vận chuyển them vào đối với chất trung gian (HCN/NH3) Khi mô hình trung gian N2O được kích hoạt, một phương trình truyền chất thêm vào cho N2O sẽ được giải Các phương trình vận chuyển NOx được giải dựa trên một trường dòng đã cho và giải pháp cháy Nói cách khác, NOx được xử lý sau một mô phỏng cháy Vì vậy, rõ ràng rằng một lời giải cháy chính xác trở thành một điều kiện tiên quyết cho sự dợ đoán NOx Ví

dụ, sản phẩm NOx nhiệt gấp đôi đối với mỗi sự tăng nhiệt độ lên 90K khi nhiệt

độ ngọn lửa là 2200K Sự quan tâm đặc biệt phải được thực hiện để cung cấp số liệu nhiệt vật lý chính xác và điều kiện biên cho mô hình cháy

Chúng ta chỉ có thể trông đợi các kết quả chính xác chính xác bằng số liệu đầu vào và mô hình vật lý được chọn Trong hầu hết các trường hợp, các khuynh hướng thay đổi NOx có thẻ được dự đoán chính xác, nhưng lượng NOx chính nó không thể được xác định chính xác Sự dự đoán chính xác về các khuynh hướng thông số NOx có thể cắt giảm bớt về số các bài test trong phòng thí nghiệm, cho phép nhiều sự thay đổi thiết kế hơn để nghiên cứu, rút ngắn chu trình thiết kế và giảm chi phí phát sinh

ANSYS FLUENT giải phương trình vận chuyển chất đối với NO, liên quan

sự đối lưu, khuếch tán, hình thành và phân hủy NO và chất liên quan Cách tiếp