Nghiên cứu khí động, trao đổi nhiệt và vòng đời của công nghệ lớp sôi tuần hoàn (Luận án tiến sĩ)

Nghiên cứu khí động, trao đổi nhiệt và vòng đời của công nghệ lớp sôi tuần hoàn (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu khí động, trao đổi nhiệt và vòng đời của công nghệ lớp sôi tuần hoàn (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu khí động, trao đổi nhiệt và vòng đời của công nghệ lớp sôi tuần hoàn (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu khí động, trao đổi nhiệt và vòng đời của công nghệ lớp sôi tuần hoàn (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu khí động, trao đổi nhiệt và vòng đời của công nghệ lớp sôi tuần hoàn (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu khí động, trao đổi nhiệt và vòng đời của công nghệ lớp sôi tuần hoàn (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu khí động, trao đổi nhiệt và vòng đời của công nghệ lớp sôi tuần hoàn (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu khí động, trao đổi nhiệt và vòng đời của công nghệ lớp sôi tuần hoàn (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu khí động, trao đổi nhiệt và vòng đời của công nghệ lớp sôi tuần hoàn (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu khí động, trao đổi nhiệt và vòng đời của công nghệ lớp sôi tuần hoàn (Luận án tiến sĩ)

Trang 1

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu được trích dẫn có nguồn gốc Các kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được tác giả nào công bố trong bất kỳ công trình nào

NGUYỄN MINH TIẾN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGHIÊN CỨU KHI ĐỘNG, TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ VÒNG ĐỜI CỦA

CÔNG NGHỆ LỚP SÔI TUẦN HOÀN

Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt

Mã số: 62520115

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS PHẠM HOÀNG LƯƠNG

HÀ NỘI-2018

Hà Nội-2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGHIÊN CỨU KHI ĐỘNG, TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ VÒNG ĐỜI CỦA

CÔNG NGHỆ LỚP SÔI TUẦN HOÀN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT

HÀ NỘI-2018

Trang 2

ii

LỜI CẢM ƠN

Với tất cả sự kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất, tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Phạm Hoàng Lương đã tận tình chỉ bảo và động viên trong suốt quá trình nghiên cứu và viết luận án để tác giả có thể hoàn thành bản luận án này

Tác giả xin trân trọng cảm ơn cảm ơn tập thể các Thầy cô giáo Phòng nghiên cứu năng lượng bền vững, Viện Tiên tiến khoa học và công nghệ, Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt-Lạnh, Viện Đào tạo sau đại học của Trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình góp ý và giúp đỡ tác giả trong quá trình thực hiện luận án

Tác giả xin trân trọng cảm ơn Viện Tiên tiến khoa học và công nghệ, Chương trình giáo sư UNESCO (Đại học Bách khoa Hà Nội) đã hỗ trợ tài chính trong việc cải tạo mô hình buồng đốt lớp sôi tuần hoàn hiện có tại Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt-Lạnh, các cán bộ kỹ thuật tại các Công ty nhiệt điện Na Dương, Cao Ngạn, Uông Bí đã cung cấp số liệu thông tin về hiện trạng khai thác vận hành lò lớp sôi tuần hoàn (CFB), lò than phun (PF) tại các công ty này

Cuối cùng Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình và các bạn bè đã động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian nghiên cứu, thực hiện luận án

Trang 3

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU xi

DANH MỤC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ xiii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2

3 Phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

6 Điểm mới của luận án 4

7 Bố cục của luận án 4

CHƯƠNG 1-TỔNG QUAN VỀ KHÍ ĐỘNG HỌC, TRAO ĐỔI NHIỆT TRONG LỚP SÔI TUẦN HOÀN VÀ ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH VÒNG ĐỜI ĐỂ SO SÁNH CÔNG NGHỆ 5

1.1 Khí động học lớp sôi tuần hoàn 5

1.1.1 Các trạng thái tương tác khí-hạt 5

1.1.2 Cơ chế của lớp sôi 7

1.1.2.1 Lớp chặt 7

1.1.2.2 Lớp sôi nhanh 8

1.1.2.3 Phân bố giáng áp và độ rỗng trong buồng đốt lớp sôi nhanh 9

1.1.2.4.Vận tốc sôi tối thiểu 10

1.1.2.5.Vận tốc tới hạn 12

1.2 Nghiên cứu thực nghiệm về tốc độ tuần hoàn hạt trong buồng đốt 14

1.2.1 Nghiên cứu thực nghiệm của Phạm Hoàng Lương và cộng sự 14

1.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm của Sung Won Kim và cộng sự 14

1.2.3 Nghiên cứu thực nghiệm của Myung Won Seo và các cộng sự 15

1.2.4 Nghiên cứu thực nghiệm của Tzeng Lim và các cộng sự 16

1.2.5 Nghiên cứu thực nghiệm của Kalita và các cộng sự 17

1.2.6 Nghiên cứu thực nghiệm của Jong Hun Lim và các cộng sự 18

1.2.7 Nghiên cứu thực nghiệm của N Chovichien và các cộng sự 19

1.2.8 Nghiên cứu thực nghiệm của Tatjana và các cộng sự 20

1.2.9 Đánh giá các nghiên cứu mô hình lý thuyết và mô hình thực nghiệm xác định tốc độ tuần hoàn hạt trong lớp sôi tuần hoàn 23

1.3 Truyền nhiệt trong lớp sôi tuần hoàn 24

1.3.1 Nguyên lý truyền nhiệt trong lớp sôi tuần hoàn 24

1.3.2 Cơ chế truyền nhiệt trong lớp sôi tuần hoàn 25

1.3.2.1 Truyền nhiệt từ khí tới hạt 25

1.3.2.2 Truyền nhiệt từ lớp sôi tới vách 27

1.4 Mô hình lý thuyết truyền nhiệt từ lớp tới vách 33

1.4.1 Thành phần đối lưu hạt (Kcp) 34

1.4.2 Thành phần đối lưu pha phân tán (Kcd) 38

1.4.3 Thành phần bức xạ (Kr) 39

1.5 Các nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách trong lớp sôi tuần hoàn 41

Trang 4

iv

1.5.1 Nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách của Gupta và Nag 41

1.5.2 Nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách của Kalita và cộng sự 42

1.5.3 Nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách của Pagliuso và cộng sự 43

1.5.4 Nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách của Afsin Gungor và cộng sự 44

1.5.5 Nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách của Koksal và cộng sự 45

1.5.6 Nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách của Nirmal và cộng sự 46

1.5.7 Đánh giá các nghiên cứu mô hình lý thuyết và mô hình thực nghiệm về trao đổi nhiệt trong buồng đốt lớp sôi tuần hoàn 52

1.6 Vòng đời và ứng dụng phân tích vòng đời để so sánh công nghệ năng lượng 53

1.6.1 Các khái niệm về Vòng đời 53

1.6.2 Ứng dụng phân tích Vòng đời để so sánh công nghệ năng lượng 53

CHƯƠNG 2-NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHÍ ĐỘNG HỌC VÀ TRAO ĐỔI NHIỆT TRONG LỚP SÔI TUẦN HOÀN 56

2.1 Hệ thống thí nghiệm 56

2.2 Nghiên cứu thực nghiệm về khí động học lớp sôi tuần hoàn 64

2.2.1 Mô hình xác định tốc độ tuần hoàn hạt trong buồng đốt lớp sôi tuần hoàn 64

2.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm xác định tốc độ tuần hoàn hạt trong buồng đốt lớp sôi tuần hoàn 65

2.2.2.1 Quá trình thí nghiệm 66

2.2.2.2 Phương pháp thu thập và xử lý số liệu 67

2.2.2.4 Kết luận về nghiên cứu thực nghiệm về khí động học lớp sôi tuần hoàn 85

2.3 Nghiên cứu thực nghiệm truyền nhiệt trong lớp sôi tuần hoàn của tác giả 86

2.3.1 Nghiên cứu thực nghiệm xác định hệ số trao đổi nhiệt dọc theo chiều cao ống lên 86 2.3.1.1 Quá trình thí nghiệm 86

2.3.1.2 Phương pháp thu thập và xử lý số liệu 86

2.3.1.3 Kết quả thí nghiệm và các đánh giá 89

2.3.1.4 Kết luận nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách trong buồng đốt lớp sôi tuần hoàn 109

CHƯƠNG 3-NGHIÊN CỨU VÒNG ĐỜI CỦA CÔNG NGHỆ LỚP SÔI TUẦN HOÀN 111

3.1 Các khái niệm về vòng đời 111

3.1.1 Vòng đời 111

3.1.2 Khái niệm đường biên của một vòng đời 111

3.2 Các bước thực hiện đánh giá vòng đời 112

3.2.1 Kiểm kê nguồn 112

3.2.2 Phân tích tác động môi trường 113

3.2.3 Phân tích và đề xuất các cơ hội cải thiện, tăng hiệu suất sử dụng năng lượng, giảm ô nhiễm môi trường 114

3.3 Các phương pháp so sánh công nghệ năng lượng 114

3.3.1 So sánh dựa trên một bộ các hiển thị/chỉ số 114

3.3.2 So sánh dựa trên cách tiếp cận hệ thống 115

3.3.3 So sánh dựa trên các phương pháp tư vấn 116

3.4 So sánh công nghệ nhiệt điện đốt than theo quan điểm phát thải vòng đời CO2 117

3.4.1 Giới hạn so sánh 117

3.4.2 Tính toán chi phí sản xuất điện 117

3.4.3 Chi phí biên giảm phát thải khí nhà kính 118

3.4.4 Hệ số phát thải CO2 của các khâu trong quá trình sản xuất điện năng 119

3.4.4.1 Tính toán hệ số phát thải vòng đời CO2 119

3.4.4.2 Hệ số phát thải CO2 tại khâu khai thác than 119

Trang 5

v

3.4.4.3 Hệ số phát thải CO2 khâu vận chuyển than 120

3.4.4.4 Hệ số phát thải khí CO2 tại khâu sản xuất điện 120

3.5 So sánh công nghệ đốt than tại nhà máy nhiệt điện Uông Bí và Na Dương 121

3.5.1 Đặc tính công nghệ của hai nhà máy 121

3.5.1.1 Đặc tính công nghệ nhà máy nhiệt điện Uông Bí sử dụng công nghệ đốt than phun (Pulverized Fuel, PF)[1]: 121

3.5.1.2 Đặc tính công nghệ nhà máy nhiệt điện Na Dương sử dụng công nghệ đốt lớp sôi tuần hoàn (Circulation fluidized bed, CFB)[ 3, 5, 15]: 128

3.5.2 Lựa chọn các thông số đầu vào của hai nhà máy 134

3.5.3 Kết quả tính toán của phương án 136

3.5.4 Đánh giá 137

3.5.5 Kết luận 138

CHƯƠNG 4- KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 139

4.1 Kết luận 139

4.1.1 Khí động học trong lớp sôi tuần hoàn 139

4.1.2 Trao đổi nhiệt trong lớp sôi tuần hoàn 140

4.1.3 Sử dụng công nghệ lớp sôi tuần hoàn để sản xuất điện năng 142

4.1.4 Ý nghĩa thực tiễn của luận án 142

4.2 Đề xuất 143

4.2.1 Khí động học trong lớp sôi tuần hoàn 143

4.2.2 Trao đổi nhiệt trong lớp sôi tuần hoàn 143

4.2.3 Sử dụng vòng đời để so sánh công nghệ năng lượng 143

TÀI LIỆU THAM KHẢO 144

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 150

PHỤ LỤC 1

Trang 6

vi

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu đại lượng (theo chữ Latinh)

5 Ahtp Diện tích mặt cắt ngang của thiết bị đo thăm dò truyền nhiệt [m2]

15 Cpp Hệ số hiệu chỉnh phản ánh sự tham dự của hạt trong

35 f Tỷ phần trung bình diện tích theo thời gian của vách

được bao phủ bởi hạt

[-]

37 fcp Tỷ số vách được bao phủ bởi cụm hạt là hàm số độ

rỗng trung bình tại mặt cắt ngang lớp sôi

Trang 7

cluster of particle conductive)

[W/m2.K]

particle cluster)

[W/m2.K]

convective of dilute phase)

[W/m2.K]

of dilute phase)

[W/m2.K]

65 Kcp Hệ số truyền nhiệt đối lưu của hạt (cp: convective of particle) [W/m2.K]

67 Kw Hệ số truyền nhiệt do bởi dẫn nhiệt qua lớp khí giữa

của hạt

[m]

Trang 8

viii

dòng khí trên một mặt cắt ngang qua của lớp

[m/s]

đó lớp cố định bắt đầu chuyển sang lớp sôi nhanh

[m/s]

102 Upt Vận tốc của hạt thô là vận tốc của hạt thô có đường

kính dcp trong lớp hạt có đường kính trung bình là dp

[m/s]

độ rỗng lớp hạt =1 (nghĩa là không có hạt rắn trong

Trang 9

ix

Ký hiệu đại lượng (theo số không thứ nguyên )

được xác định theo phương trình (1.8)

[-]

Ký hiệu đại lượng (theo chữ Hy Lạp )

Trang 10

x

(cw: cluster nearby wall – cụm hạt gần vách)

[W/m.K]

b

Trang 11

xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh các điểm đặc trưng của các quá trình tiếp xúc khí-rắn ở trên [87] 6

Bảng 1.2 Biểu thức thực nghiệm xác định vận tốc sôi tối thiểu của một số tác giả [38, 95] 11

Bảng1.3 Chi tiết các nghiên cứu thực nghiệm về tốc độ tuần hoàn của các tác giả khác 21

Bảng 1.4 Các quá trình trao đổi nhiệt trong lò hơi lớp sôi tuần hoàn[87] 25

Bảng 1.5 Các mô hình lý thuyết về truyền nhiệt trong lớp sôi nhanh [86] 33

Bảng 1.6 Chi tiết các nghiên cứu thực nghiệm về trao đổi nhiệt từ lớp tới vách trong lớp sôi nhanh của một số tác giả khác 50

Bảng 1.7 Cơ sở dữ liệu cơ bản được sử dụng để xác định đặc tính các công nghệ năng lượng được so sánh [70] 54

Bảng 2.1 Phân bố cỡ hạt của 3 loại cát được làm thí nghiệm 61

Bảng 2.2 Kết quả xác định đường kính trung bình tính toán của 3 loại cát được sử dụng cho thí nghiệm 62

Bảng 2.3 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên của 03 cỡ hạt có đường kính trung bình 200 µm, 300 µm và 400 µm 76

Bảng 2.4 Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của các thông số vận hành đối với tốc độ tuần hoàn hạt 78

Bảng 2.5 Kết quả xác định các hệ số của biểu thức hồi quy (2.18) bằng phần mềm Microsoft exel 82

Bảng 2.6 Các số liệu đo được từ thí nghiệm trao đổi nhiệt 97

Bảng 2.7 Quan hệ giữa khối lượng riêng lớp hạt, vận tốc gió sơ cấp và tốc độ tuần hoàn hạt với hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới tường ống lên 98

Bảng 2.8 Số liệu đo từ thí nghiệm trao đổi nhiệt dọc theo chiều cao ống lên khi không có hạt 101 Bảng 2.9 Quan hệ giữa thông số vận hành với trao đổi nhiệt từ lớp tới vách dọc theo chiều cao ống lên 102

Bảng 2.11 Ảnh hưởng của khối lượng riêng lớp sôi tới trao đổi nhiệt lớp-vách dọc theo chiều cao ống lên 105

Bảng 2.13 Hệ số trao đổi nhiệt trung bình tính cho toàn bộ chiểu cao lớp sôi 109

Bảng 3.1 Ưu điểm và tồn tại chính của phương pháp so sánh công nghệ dựa trên một tập các chỉ số/hiển thị 115

Trang 12

xii

Bảng 3.2 Ưu điểm và tồn tại chính của phương pháp mô hình hoá hệ thống chi phí tối thiểu để so

sánh năng lượng 116

Bảng 3.3 Ưu điểm và tồn tại chính của phương pháp tư vấn để so sánh công nghệ 117

Bảng 3.4 Một số chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, vận hành của 2 tổ máy 55MW [1] 122

Bảng 3.6 Thông số vận hành kỹ thuật, kinh tế và môi trường lò hơi số 5 + lò hơi số 6 [1] 126

Bảng 3.7 Thông số vận hành kỹ thuật, kinh tế và môi trường lò hơi số 7 + lò hơi số 8 [1] 126

Bảng 3.8 Đặc tính kỹ thuật dầu FO [1] 127

Bảng 3.9 Kết quả quan trắc phát thải khí từ nhà máy điện Uông Bí [1] 128

Bảng 3.10 Thông số nhiên liệu than sử dụng cho nhà máy nhiệt điện Na Dương [ 5 ] 130

Bảng 3.11 Đặc tính đá vôi sử dụng cho nhà máy nhiệt điện Na Dương [ 5 ] 130

Bảng 3.12 Kết quả phân tích thành phần tro xỉ sử dụng cho nhà máy nhiệt điện Na Dương [ 5 ] 131

Bảng 3.13 Sản lượng điện hàng năm của NMNĐ Na Dương [5] 132

Bảng 3.14 Thời gian vận hành liên tục không bị sự cố dừng lò [5 ] 132

Bảng 3.15 Thời gian vận hành của các tổ máy trong một năm [ 5 ] 132

Bảng 3.16 Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, môi trường đạt được [5 ] 133

Bảng 3.17 Thông số định mức của từng nhà máy 134

Bảng 3.18 Các kết quả tính toán về phát thải và chi phí biên giảm phát thải khí nhà kính 136 Bảng PL-01 Danh sách thiết bị đo PL-15 Bảng PL-02 Một số hình ảnh màn hình máy tính trong quá trình tiến hành thí nghiệm PL-16

Trang 13

xiii

DANH MỤC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ

Hình 1.1- (a) Lớp cố định của các hạt qua đó mà dòng khí đang thổi (b) Lớp sôi bọt thể

hiện sự tuần hoàn khí xung quanh bọt (c) Lớp sôi rối (d) Lớp lưu động hay lớp

cuốn.[87] 5

Hình 1.2 -Quan hệ giữa giáng áp lớp hạt và tốc độ dòng khí theo các chế độ giả lỏng [38] 6

Hình 1.3 -Nguyên lý hoạt động của CFB [87] 7

Hình 1.4 - Lớp sôi nhanh bao gồm các cụm hạt chuyển động lên xuống có sự phân tán của pha loãng [87] 9

Hình 1.5 - Sự biến đổi từ chế độ chuyển động kiểu khí nén sang chế độ sôi nhanh có thể xảy ra khi tốc độ tuần hoàn hạt gia tăng trong khi giữ nguyên vận tốc khí tại một giá trị [87] 9

Hình 1.6- Cân bằng lực cho hạt di chuyển lên trên dòng khí [87] 13

Hình 1.7- Sơ đồ nguyên lý Mô hình lạnh CFB của Sung Won Kim (2002); 1-ống lên; 2-Cyclone; 3-Phễu; 4-Van L; 5-Cửa lấy mẫu; 6-Van bướm; 7-Bộ phân phối [97] 15

Hình 1.8- Sơ đồ nguyên lý Mô hình lạnh CFB của Myung Won Seo (2011) 1-Ống lên; 2-Cyclone; 3-Van bi; 4-Ống xuống; 5-Lớp sôi bọt; 6-Loop seal; 7-Hộp gió; 8-Đường xả [75] 16

Hình 1.9- Sơ đồ nguyên lý mô hình lạnh CFB của Tzeng Lim (2012) [100] 17

Hình 1.10- Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm lớp sôi tuần hoàn có áp của Kalita và cộng sự (2013) [88] 18

Hình 1.11- Sơ đồ nguyên lý lớp sôi tuần hoàn có kích thước ống lên 2,6mx0,009m của Jong Hun Lim và cộng sự [58] 19

Hình 1.12- Sơ đồ nguyên lý lớp sôi tuần hoàn có kích thước ống lên 2,6mx0,009m của N.Chovichien và cộng sự [76] 20

Hình 1.13- Sơ đồ hệ thống thí nghiệm nguyên lý lớp sôi tuần hoàn của Tatjana và cộng sự [98] 20

Hình 1.14 Các vùng hấp thụ nhiệt của lò hơi lớp sôi tuần hoàn [87] 24

Hình 1.15 Tác động của số Reynolds của hạt lên khí đối với số Nusselt của hạt ở các loại lớp sôi khác nhau (Watanabe và cộng sự )[102] 26

Hình 1.16- Nguyên lý của cơ chế truyền nhiệt tới các vách 28

của lò hơi lớp sôi tuần hoàn [87] 28

Hình 1.17- Khoảng cách trung bình giữa bề mặt hạt và bề mặt ống [87] 29

Hình 1.18 Cơ chế truyền nhiệt trong một lớp sôi nhanh [87] 30

Hình 1.19-Sơ đồ nguyên lý mô hình thí nghiệm của Gupta và Nag [24] 41

Hình 1.20- Sơ đồ nguyên lý mô hình thí nghiệm của Paglusio và cộng sự [59] 43

Hình 1.21 Sơ đồ nguyên lý mô hình thí nghiệm của Koksal và cộng sự [74] 46

Hình 1.22 Nguyên lý của mô hình làm mới cụm hạt (Nirmal và cộng sự [46]) 47

Hình 1.23 Sơ đồ đánh giá vòng đời đối với các quá trình sản xuất điện năng từ than [81] 55

Hình 2.1 - Sơ đồ nguyên lý hệ thống thiết bị thí nghiệm lớp sôi tuần hoàn tại Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt lạnh [53] 57

Hình 2.2-Tổng thể hệ thống thí nghiệm tại Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt lạnh 58

Hình 2.3-Đồng hồ hiển thị chênh lệch áp suất (PDIR2 đến PDIR8) 58

Hình 2.4: Đồng hồ đo lưu lượng gió sơ cấp (FIR7) 58

Hình 2.5-Van điều khiển và thang đo lưu lượng gió tuần hoàn hạt (FI4, FI5) 58

Hình 2.6-Chi tiết cấu tạo ống quan sát tại đường ống xuống 59

Trang 14

xiv

Hình 2.7- ống quan sát(nhựa Arcylic) có nối bích tại ví trí chân ống xuống 59

Hình 2.8- Quan sát sự tuần hoàn của hạt tại ống xuống 59

Hình 2.9- ống thép có nối bích tại ví trí chân ống xuống 60

Hình 2.10- Màn hình hiển thị các thông số vận hành 60

Hình 2.11 Bộ cảm biến đo dòng nhiệt (HFS 100FT) và cảm biến nhiệt độ bề mặt vách (cặp nhiệt loại T) 60

Hình 2.12 Thiết bị hiển thị nhiệt độ bề mặt vách (UDC 700 Universal Honeywell) 60

Hình 2.13 Thiết bị hiển thị mật độ dòng nhiệt dạng Mv (Voltmeter) 60

Hình 2.14 Gắn thiết bị cảm biến lên bề mặt ngoài ống lên- đo nhiệt độ mặt ngoài của ống lên của CFB 61

Hình 2.15 Gắn thiết bị cảm biến lên bề mặt ngoài ống lên-đo mật độ dòng nhiệt của ống lên của CFB 61

Hình 2.16 Quy trình đo tốc độ tuần hoàn hạt 67

Hình 2.17 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên (tại Ur=0,46 m/s, W=30kg, d p =400  ) 70 m Hình 2.18 Ảnh hưởng của gió sơ cấp đến tốc độ tuần hoàn hạt ở các giá trị vận tốc gió tuần hoàn hạt khác nhau (W=25kg, dp=300m ) 71

Hình 2.19 Ảnh hưởng của vận tốc gió sơ cấp đối với tốc độ tuần hoàn hạt được so với kết quả nghiên cứu của tác giả khác 71

Hình 2.20 Ảnh hưởng của vận tốc gió tuần hoàn hạt đến tốc độ tuần hoàn hạt tại các giá trị gió sơ cấp khác nhau ( W=30kg, dp=300m ) 72

Hình 2.21 Ảnh hưởng của vận tốc gió tuần hoàn hạt đến tốc độ tuần hoàn hạt so với kết quả của tác giả khác 72

Hình 2.22 Ảnh hưởng của khối lượng lớp đến tốc độ tuần hoàn hạt với các giá trị khác nhau của gió sơ cấp (Ur=0,46 m/s, dp=200m ) 73

Hình 2.23 Ảnh hưởng của đường kính hạt đến tốc độ tuần hoàn hạt với các kích thước hạt khác nhau (Ur=0,46 m/s,W=30kg) 74

Hình 2.24 Ảnh hưởng của kích thước hạt đối với tốc độ tuần hoàn hạt so với kết quả của tác giả khác 74

Hình 2.25: So sánh giá trị tính toán và thực nghiệm của tốc độ tuần hoàn hạt Gp 83

Hình 2.26 So sánh kết quả tính tốc độ tuần hoàn hạt từ các biểu thức (1.25) (1.27) và (2.19) với kết quả thí nghiệm 84

Hình 2.27 Quy trình đo hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách 87

Hình 2.28 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên theo nhiệt độ lớp sôi (Ur=0,46 m/s, W=25kg, U0=6,07 m/s dp=200m ) 89

Hình 2.29 Phân bố khối lượng riêng lớp hạt dọc theo chiều cao ống lên 90

(Ur=0,46 m/s, W=30kg, dp=200m ) 90

Hình 2.30 Hệ số trao đổi nhiệt cục bộ từ lớp tới vách dọc theo chiều cao ống lên ở chế độ thí nghiệm Ur=0,46 m/s, U0=5,46 m/s, W=30kg 91

Hình 2.31 Ảnh hưởng của vận tốc gió sơ cấp đối với hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46m/s, W=30kg, dp=200m ) 91

Hình 2.32 So sánh ảnh hưởng của vận tốc gió sơ cấp đối với hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách với các tác giả khác 92

Hình 2.33 Ảnh hưởng của khối lượng riêng lớp hạt đến hệ số trao đổi nhiệt lớp-vách (W=30kg, Ur=0,46 m/s, dp=0m , 200m , 300m và 400m ) 93

Hình 2.34 Ảnh hưởng của nhiệt độ lớp sôi, đường kính trung bình hạt đến hệ số trao đổi nhiệt lớp-vách 94 Hình 2.35 Ảnh hưởng của tốc độ tuần hoàn hạt đến hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách 95

Trang 15

xv

Hình 2.36 So sánh kết quả tính và số liệu thực nghiệm của Nusselt trung bình cho toàn bộ

chiều cao ống lên 96

Hình 2.37 So sánh kết quả tính và số liệu thực nghiệm của Nu trung bình ở phần dưới của ống lên 104

Hình 3.1 Các giai đoạn chính của 1 vòng đời [32] 111

Hình 3.2 Các quá trình sản xuất điện từ than 117

Hình 3.3 Phát thải CO2 từ sản xuất than (gCO2/tấn than nhiên liệu)[67] 119

Hình 3.4 Sơ đồ nhiệt lò hơi nhà máy điện Uông Bí [1] 124

Hình 3.5 Sơ đồ lò CFB compact của nhà máy nhiệt điện Na Dương [5] 129

Hình PL 1 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,44 m/s, W=30kg, dp=400m ) PL-1 Hình PL.2 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,42 m/s, W=30kg, dp=400m ) PL-1 Hình PL.3 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/, W=25kg, dp=300m ) PL-1 Hình PL.4 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/s -W=30kg, d300m ) PL-1 Hình PL.5 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,44 m/s, W=30kg, dp=300m ) PL-1 Hình PL.6 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,44 m/s, W=25kg, dp=300m ) PL-1 Hình PL.7 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,42 m/s, W=30kg, dp=300m ) PL-2 Hình PL.8 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,42 m/s, W=25kg, dp=300m ) PL-2 Hình PL.9 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/s, W=25kg, dp=200m ) PL-2 Hình PL.10 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/s, W=30kg, dp=200m ) PL-2 Hình PL.11 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/s, W=20kg, dp=200m ) PL-2 Hình PL.12 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,44 m/s, W=30kg, dp=200m ) PL-2 Hình PL.13 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,44 m/s, W=25kg, dp=200m ) PL-3 Hình PL.14 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,44 m/s, W=20kg, dp=200m ) 3

Hình PL.15 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,42 m/s, W=30kg,

dp=200m ) PL-3

Hình PL.16 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,42 m/s, W=25kg,

dp=200m ) PL-3

Hình PL.17 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên PL-3 (Ur=0,42 m/s, W=25kg, dp=200m ) PL-3

Hình PL.18 Ảnh hưởng của gió sơ cấp đến tốc độ tuần hoàn hạt ở các giá trị vận tốc gió

tuần hoàn hạt khác nhau (W=30kg, dp=300m ) PL-4

Trang 16

xvi

Hình PL.22 Ảnh hưởng của vận tốc gió tuần hoàn hạt đến tốc độ tuần hoàn hạt tại các

giá trị gió sơ cấp khác nhau (W=25kg, dp=300m ) PL-4

Hình PL.23 Ảnh hưởng của vận tốc gió tuần hoàn hạt đối với tốc độ tuần hoàn hạt tại các

giá trị gió sơ cấp khác nhau( W=30kg, dp=200m ) PL-5

giá trị gió sơ cấp khác nhau( W=25kg, dp=200m ) PL-5

Hình PL.27 Ảnh hưởng của khối lượng lớp đến tốc độ tuần hoàn hạt với các giá trị khác

nhau của gió sơ cấp ( Ur=0,44 m/s, dp=200m ) PL-5

nhau của gió sơ cấp (Ur=0,42 m/s, dp=200m ) PL-5

HìnhPL.30 Ảnh hưởng của khối lượng lớp đến tốc độ tuần hoàn hạt với các giá trị khác

nhau của gió sơ cấp (Ur=0,44 m/s, dp=300m ) PL-6

Hình PL.32 Ảnh hưởng của đường kính hạt đến tốc độ tuần hoàn hạt với các kích thước

hạt khác nhau (Ur=0,44 m/s,W=30kg) PL-6 Hình PL.33 Ảnh hưởng của đường kính hạt đến tốc độ tuần hoàn hạt với các kích thước

hạt khác nhau (Ur=0,42 m/s,W=25kg) PL-7 Hình PL.37 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên theo nhiệt độ lớp sôi

Trang 17

(Ur=0,46 m/s, U0=6,07 m/s, W=30kg) PL-11 Hình PL.56 Hệ số trao đổi nhiệt cục bộ từ lớp tới vách dọc theo chiều cao ống lên

(Ur=0,46 m/s, U0=6,07 m/s, W=25kg) PL-12 Hình PL.59 Ảnh hưởng của vận tốc gió sơ cấp đối với hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách

dọc theo chiều cao ống lên PL-13 (Ur=0,46m/s, W=25kg, dp=200m ) 13

Hình PL.60 Ảnh hưởng của vận tốc gió sơ cấp đối với hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách

dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46m/s, W=30kg, dp=300m ) PL-13

Hình PL.61 Ảnh hưởng của vận tốc gió sơ cấp đối với hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách

dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46m/s, W=25kg, dp=300m ) PL-13

Hình PL.62 Sự thay đổi dọc theo chiều cao ống lên của hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới

vách khi không có hạt (Ur=0,46m/s,U0=5,16-6,67 m/s) PL-14 Hình PL.63 Ảnh hưởng của nhiệt độ lớp sôi đối với hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách

PL-14

Hình PL.64 Ảnh hưởng của khối lượng riêng hạt đối với hệ số trảo đổi nhiệt từ lớp tới

vách PL-15

Trang 18

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Công nghệ lớp sôi tuần hoàn (Circulating Fluidized Bed, CFB) được phát triển từ công nghệ đốt nhiên liệu rắn trên ghi cố định với đặc thù là các hạt nhiên liệu rắn và tro xỉ được lưu chuyển và tuần hoàn trong toàn bộ hệ thống CFB gồm buồng đốt, bộ phân ly (cyclone), và đường hồi (Return Leg) Do đặc thù này, lò hơi CFB có một số các ưu điểm nổi bật so với những lò hơi đốt nhiên liệu rắn khác, cụ thể là:

- Linh hoạt trong việc sử dụng nhiên liệu: Điều kiện khí động đặc biệt của CFB tạo điều kiện cho các hạt nhiên liệu cấp vào buồng lửa nhanh chóng được phân tán vào trong buồng đốt, nhanh chóng được gia nhiệt đến nhiệt độ bắt cháy;

- Hiệu suất cháy cao: Tùy thuộc vào tốc độ cấp nhiên liệu và sự tuần hoàn của hạt trong hệ thống, hiệu suất cháy trong lò hơi CFB đạt trên 90 [87] Những đặc tính sau góp phần nâng cao hiệu suất cháy trong lò hơi CFB : i) Sự hỗn hợp khí-hạt tốt hơn, ii) Tốc độ cháy cao hơn (đặc biệt với các hạt than thô); và iii) Đa số các hạt nhiên liệu chưa cháy kiệt

sẽ được tái tuần hoàn lại buồng lửa

nhiệt độ tương đối thấp (850-950oC), có thể đưa trực tiếp đá vôi vào trong buồng đốt, các hạt hấp thụ rất mịn cho phép tăng diện tích bề mặt phản ứng khử lưu huỳnh;

- Giảm phát thải NOx: Giảm phát thải NOx là một đặc tính hấp dẫn chủ yếu của lò hơi CFB Các số liệu thu được trong các lò hơi CFB đưa ra giá trị phát thải NOx trong khoảng 50-150 ppm hay là 20-150 mg/MJ;

- Bề mặt cắt ngang buồng lửa nhỏ: Lượng nhiệt sinh ra trên một đơn vị diện tích bề mặt cắt ngang của buồng lửa (nhiệt thế diện tích) cao là một ưu điểm nổi bật trong lò hơi CFB Hệ thống đốt CFB có một nhiệt thế diện tích vào khoảng 3,5-4,5 MW/m2 [87], có thể bằng hoặc cao hơn lò đốt than phun

- Có số lượng điểm cấp nhiên liệu ít hơn: Hệ thống cấp nhiên liệu trong lò hơi CFB được đơn giản hoá do số lượng điểm cấp ít, yêu cầu diện tích ghi nhỏ và do vậy diện tích buồng đốt sẽ nhỏ hơn diện tích buồng đốt lò than phun cùng công suất

- Vận hành ổn định hơn so với buồng đốt than phun ở chế độ thấp tải: Vận tốc gió dưới ghi (sơ cấp) cao và do có lượng hạt trơ (cát, tro xỉ) trong buồng đốt lớn, lò hơi CFB

có thể vận hành khá ổn định ở các chế độ phụ tải thấp với nhu cầu dầu đốt kèm là tối thiểu

- Công nghệ CFB được du nhập vào Việt Nam từ những năm đầu của thế kỷ 21 thông qua các dự án sản xuất điện theo hình thức Chìa khóa trao tay (Turnkey Project) Do vậy, thực tế áp dụng công nghệ CFB ở Việt Nam, vẫn cho thấy còn nhiều tồn tại trong thiết

kế, vận hành, bảo dưỡng Thực tế cho thấy, chế độ khí động của buồng đốt kiểu CFB phụ thuộc chủ yếu vào các thông số vận hành (vận tốc hạt rắn, vận tốc gió, khối lượng riêng lớp hạt, độ cứng của hạt, nhiệt độ lớp hạt và đường kính hạt rắn) và được đặc trưng bởi tốc

độ tuần hoàn hạt Sự tuần hoàn của hạt quyết định đến hiệu suất cháy, hiệu quả khử lưu huỳnh, khả năng trao đổi nhiệt từ lớp tới vách trong buồng đốt, cũng như là các vấn đề khí động liên quan đến vận hành như mài mòn, đóng xỉ, Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu đầy

đủ nào về chế độ khí động nói chung, tốc độ tuần hoàn hạt nói riêng trong các buồng đốt kiểu lớp sôi tuần hoàn.Vì vậy, việc hiểu rõ cơ chế tuần hoàn hạt trong CFB, phân tích và lượng hóa tác động của các thông số vận hành đến tuần hoàn hạt và trao đổi nhiệt trong buồng đốt CFB là hết sức cần thiết nhằm hỗ trợ cho công tác thiết kế, vận hành và bảo dưỡng thiết bị sử dụng công nghệ CFB, nâng cao hiệu quả sử dụng các nguồn năng lượng

Trang 19

2

sơ cấp Mặt khác, ưu điểm của công nghệ CFB về phương diện bảo vệ môi trường cũng cần được nhận dạng và lượng hóa, nhằm góp phần thúc đẩy việc ứng dụng rộng rãi công nghệ sạch này trong tương lai gần Do vậy, việc sử dụng phân tích vòng đời để nhận dạng

và lượng hóa công nghệ sạch CFB theo quan điểm bảo vệ môi trường để đảm bảo xem xét các yếu tố phát thải một cách toàn diện của quá trình sản xuất điện năng: từ đầu nguồn (từ khai thác nhiên liệu), vận chuyển nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu và cho đến cuối nguồn (thải bỏ)

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

2.1 Mục tiêu tổng quát:

Làm chủ công nghệ CFB để phục vụ cho công tác thiết kế, vận hành công nghệ CFB

và lượng hoá tiềm năng giảm nhẹ tác động môi trường của công nghệ lớp sôi tuần hoàn (CFB) trong khu vực sản xuất điện năng

2.2 Mục tiêu cụ thể:

i) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành (vận tốc gió sơ cấp, vận tốc gió tuần hoàn hạt, đường kính hạt, khối lượng lớp sôi, v.v) đến tốc độ tuần hoàn hạt (solid circulation rate, SCR);

ii) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành (tốc độ cấp gió dưới ghi, đường kính hạt, nhiệt độ lớp sôi, v.v) đến hệ số trao đổi nhiệt giữa lớp sôi với tường buồng đốt; và iii) Nghiên cứu, nhận dạng và lượng hóa tiềm năng giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường của CFB so với các công nghệ đốt than truyền thống để sản xuất điện năng

3 Phạm vi nghiên cứu

thông số vận hành (đường kính trung bình hạt, khối lượng lớp hạt, tốc độ gió dưới ghi, tốc

độ gió tuần hoàn hạt, chiều cao và diện tích mặt cắt ngang lớp sôi) đến tốc độ tuần hoàn hạt trong buồng đốt (CFB) được xem xét và lượng hoá

- Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình về trao đổi nhiệt trong CFB, ảnh hưởng của các thông số vận hành (đường kính trung bình hạt, khối lượng lớp hạt, tốc độ gió dưới ghi, chiều cao và diện tích mặt cắt ngang lớp sôi) đến hệ số trao đổi nhiệt từ lớp sôi đến tường buồng đốt trong khoảng nhiệt độ của lớp sôi dao động từ 700C -1000C

- Nghiên cứu chu trình vòng đời của CFB được giới hạn trong 3 khâu: i) khai thác than, ii) vận chuyển than từ nơi khai thác đến nhà máy nhiệt điện, và iii) đốt than trong nhà máy điện Trong nghiên cứu này, ta chỉ xét phát thải của CO2, là một trong các khí chính gây ra hiệu ứng nhà kính;

4 Phương pháp nghiên cứu

- Đối với mục tiêu cụ thể 1:

+Thu thập và cập nhật thông tin trong và ngoài nước về các nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm của các tác giả trước đây

+ Nghiên cứu thực nghiệm: Chỉnh sửa mô hình hiện có tại Viện Khoa học và công nghệ Nhiệt lạnh, Đại học Bách khoa Hà Nội Tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của từng thông số vận hành, xây dựng biểu thức thực nghiệm xem xét ảnh hưởng đồng thời của các thông số vận hành đối với tốc độ tuần hoàn hạt

+ Thu thập và cập nhật thông tin trong và ngoài nước về các nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm của các tác giả trước đây

+ Nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu ảnh hưởng của từng thông số vận hành, xây

Trang 20

3

dựng biểu thức thực nghiệm xem xét ảnh hưởng đồng thời của các thông số vận hành đối với hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách trong buồng đốt lớp sôi tuần hoàn

Thu thập và tổng hợp các thông tin, nghiên cứu tài liệu trong và ngoài nước về vòng đời

và đánh giá vòng đời; Khảo sát, nghiên cứu thực tế, thu thập, phân tích số liệu vận hành tại các nhà máy điện Na Dương và Uông Bí Nghiên cứu xây dựng mô hình tính toán phát thải vong đời CO2 của nhà máy, xác định chí phí biên giảm phát thải khí CO2 đối với trường hợp sử dụng công nghệ buổng đốt kiểu CFB thay thế cho công nghệ đốt truyền thống

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa về mặt học thuật và thực tiễn:

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm khí động lớp sôi tuần hoàn đã đưa ra biểu thức thực nghiệm về quan hệ của các thông số vận hành với tốc độ tuần hoàn hạt (solid circulation rate-SCR), cho phép đánh giá ảnh hưởng của các thông số vận hành (đường kính hạt, khối lượng lớp, vận tốc gió sơ cấp, vận tốc gió tuần hoàn hạt) đối với SCR và biểu thức thực nghiệm cho phép xác định SCR khi biết các thông số vận hành, thông số kích thước hình học của CFB;Kết quả nghiên cứu cho thấy, có thể xây dựng các biểu thức thực nghiệm cho các thiết bị kiểu CFB đã và đang vận hành hiện nay khi biết thông số hình học của thiết bị

và các thông số vận hành (kích thước hạt, khối lượng hạt và vận tốc gió sơ cấp, vận tốc gió tuần hoàn hạt, ) từ đó lựa chọn chế độ khí động của thiết bị kiểu CFB phù hợp với điều kiện vận hành, giảm thiểu vấn đề vận hành có nguyên nhân từ chế độ khí động, giúp công tác vận hành hiệu quả thiết bị, nâng cao hiệu suất cháy và hiệu quả truyền nhiệt từ lớp tới

bề mặt vách buồng đốt

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt trong CFB đã đưa ra biểu thức thực nghiệm quan hệ giữa các thông số vận hành với hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách trong buồng đốt lớp sôi tuần hoàn, cho phép đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số vận hành đối với trao đổi nhiệt từ lớp tới vách Kết quả nghiên cứu giúp xây dựng các biểu thức thực nghiệm tương tự cho các thiết bị kiểu CFB đã và đang vận hành hiện nay để có thể đánh giá sự thay đổi hệ số trao đổi nhiệt trong buồng đốt ở các chế độ vận hành khác nhau, giúp lựa chọn chế độ vận hành hiệu quả thiết bị kiểu CFB

Kết quả nghiên cứu về đánh giá vòng đời công nghệ đốt lớp sôi tuần hoàn đã xây dựng được mô hình so sánh công nghệ theo quan điểm phát thải vòng đời, phương pháp tính chi phí biên giảm phát thải khí nhà kính Kết quả nghiên cứu có thể được làm cơ sở cho các nhà đầu tư ra quyết định lựa chọn công nghệ sản xuất điện nói riêng và sản xuất năng lượng nói chung trong điều kiện thực tế của mỗi dự án ở Việt Nam Ngoài ra, kết quả nghiên cứu cũng cho thấy, có thể áp dụng công nghệ CFB ở Việt Nam để nâng cao hiệu quả sản xuất điện đồng thời giảm phát thải CO2 mà không đòi hỏi kinh phí bổ sung/hỗ trợ

từ Nhà nước hoặc từ các tổ chức quốc tế theo cơ chế phát triển sạch

Trang 21

4

6 Điểm mới của luận án

- Kết quả nghiên cứu thực nghiệm khí động lớp CFB đã đánh giá ảnh hưởng của các thông số vận hành (đường kính hạt, khối lượng lớp, tốc độ gió sơ cấp, tốc độ gió tuần hoàn hạt) đối với tốc độ tuần hoàn hạt (solid circulation rate, SCR) và biểu thức thực nghiệm cho phép xác định SCR khi biết các thông số vận hành, thông số kích thước hình học của CFB;

- Kết quả nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt trong CFB đã đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số vận hành đối với trao đổi nhiệt từ lớp tới vách và đã đề xuất biểu thức thực nghiệm xác định hệ số trao đổi nhiệt khi biết các thông số vận hành, thông số kích thước hình học của CFB;

- Lần đầu tiên phương pháp so sánh công nghệ nhiệt điện đốt than đã được phát triển và áp dụng để nhận dạng và định lượng tiềm năng giảm phát thải CO2 của công nghệ lớp sôi tuần hoàn so với công nghệ PF hiện đang được sử dụng ở Việt Nam Xét theo quan điểm vòng đời, các kết quả nghiên cứu về việc sử dụng công nghệ lớp sôi tuần hoàn vào sản xuất điện năng là hoàn toàn khả thi về mặt kinh tế và môi trường

7 Bố cục của luận án

Luận án gồm 183 trang, bao gồm: lời cam đoan (01 trang); lời cảm ơn (01 trang); mục lục (03 trang); danh mục ký hiệu, chữ viết tắt (05 trang); danh mục bảng, biểu (02 trang); danh mục hình vẽ, sơ đồ (05 trang); phần mở đầu (04 trang), phần thuyết minh (140 trang), tài liệu tham khảo (06 trang), danh mục các công trình đã công bố của luận án (01 trang) và phụ lục (16 trang) Nội dung chính của luận án bao gồm 4 chương Chương 1 trình bày tổng quan về khí động học, trao đổi nhiệt trong CFB, vòng đời và ứng dụng vòng đời để so sánh công nghệ năng lượng Chương 2 trình bày các kết quả nghiên cứu thực nghiệm về khí động và trao đổi nhiệt trong CFB của mô hình buồng đốt CFB có công suất nhiệt là 100kW Chương 3 trình bày lý thuyết về vòng đời, so sánh công nghệ và ứng dụng vòng đời để so sánh công nghệ nhiệt điện đốt than theo quan điểm phát thải vòng đời CO2 Cuối cùng, các đánh giá và khuyến nghị trên cơ sở các kết quả nghiên cứu của đề tài được trình bày ở Chương 4

Trang 22

5

CHƯƠNG 1-TỔNG QUAN VỀ KHÍ ĐỘNG HỌC, TRAO ĐỔI NHIỆT TRONG LỚP SÔI TUẦN HOÀN VÀ ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH VÒNG ĐỜI ĐỂ SO SÁNH CÔNG NGHỆ

1.1 Khí động học lớp sôi tuần hoàn

1.1.1 Các trạng thái tương tác khí-hạt

Lớp sôi được xác định như là một trạng thái làm việc của lớp hạt mà trong đó sự hoạt động các chất rắn lưu động như các phần tử chất lỏng ở trạng thái sôi Trong một lớp sôi, trọng lực của các hạt sôi được cân bằng với lực nâng của dòng khí đi lên Lực này giữ cho các hạt ở trạng thái bán lơ lửng Với những sự thay đổi về vận tốc dòng khí, các chất rắn dịch chuyển từ một trạng thái hay cơ chế này đến một trạng thái hay cơ chế khác Các cơ chế này bao gồm:

• Lớp vận chuyển (khí nén hay lớp vào ) (hình 1.1d)

Hình 1.1- (a) Lớp cố định của các hạt qua đó mà dòng khí đang thổi (b) Lớp sôi bọt thể hiện sự tuần hoàn khí xung quanh bọt (c) Lớp sôi rối (d) Lớp lưu động hay lớp cuốn.[87]

Trang 23

6

Bảng 1.1 So sánh các điểm đặc trưng của các quá trình tiếp xúc khí-rắn ở trên [87]

khí n n Ứng dụng trong các lò hơi Đốt t ủ

lên, một vài đi xuống

Đi lên

kể

Thường xuyên gần như hoàn hảo

Quá trình hình thành và duy trì của một lớp sôi khí – hạt được biểu diễn trên hình 1.2

Hình 1.2 -Quan hệ giữa giáng áp lớp hạt và tốc độ dòng khí theo các chế độ giả lỏng [38]

D

Trang 24

7

Hình 1.2 lớp sôi gồm có các hạt rắn có cùng kích thước Do chất khí qua lớp hạt với tốc độ tương đối thấp nên các hạt rắn nằm cố định trên mặt ghi, lớp hạt do vậy được gọi là lớp cố định Khi tăng vận tốc dòng khí, trở lực của lớp hạt cũng tăng Khi sức cản dòng khí tương đương với trọng lượng của lớp hạt, trở lực của lớp hạt không tăng lên nữa, vận tốc của chất khí tăng lên làm giãn nở lớp hạt: lớp cố định chuyển sang trạng thái hóa lỏng, lớp hạt trở nên lơ lửng trên bề mặt của ghi và bề mặt của lớp hạt giống như một chất lỏng (đoạn A-B) Tại vận tốc dòng khí đủ lớn, bề mặt bên trên lớp biến mất, lớp hạt được gọi là lớp phân tán / loãng (đoạn B-C) và chuyển qua chế độ vận chuyển các hạt rắn kiểu khí nén (đoạn C-D) nếu không có bổ sung hạt vào trong lớp sôi

Hình 1.3 -Nguyên lý hoạt động của CFB [87]

Lớp sôi tuần hoàn (CFB) thường được áp dụng đối với hệ thống khí – hạt ở vận tốc cao và có sự tuần hoàn trở lại của các hạt rắn vào buồng đốt như được thể hiện trên hình 1.3 Trong quá trình vận hành của CFB, luôn có hạt rắn bay ra khỏi buồng đốt chính, các hạt lớn được cấp trở lại buồng đốt CFB thông qua :i) hệ thống Cyclone, ii) đường thu hồi

và iii) việc cấp gió phục vụ cho tuần hoàn hạt

1.1.2 Cơ chế của lớp sôi

1.1.2.1 Lớp chặt

Lớp chặt là trạng thái lớp các hạt nằm cố định trên một ghi cấp gió dạng đục lỗ có khí đi xuyên qua Trong chuyển động phân lớp, các hạt rắn chuyển động từ từ tới hai tường bên, giống như chuyển động của các hạt trong đường tuần hoàn của lò CFB Khi dòng khí xuyên qua lớp hạt rắn, nó tạo ra một lực nâng hạt và đây là nguyên nhân gây ra giáng áp qua lớp hạt

Giáng áp trên một đơn vị chiều cao của một lớp hạt có cùng kích cỡ, P/L, được tính như sau (Ergun)[38]

g p p p

p p

p

d

U d

U L

3

2

175,1

1.1.2.2 Lớp sôi bọt

Nếu như tốc độ dòng khí xuyên qua lớp cố định mà gia tăng, giáng áp tiếp tục tăng theo phương trình (1.1) cho đến khi vận tốc dòng khí đạt tới một giá trị xác định mà tại đó

Trang 25

8

lực cuốn của dòng khí cân bằng với khối lượng của các hạt trong lớp ở trạng thái này, các hạt như bị mất khối lượng và lớp cố định sẽ chuyển thành một dạng lớp chớm giả lỏng: các hạt chuyển động lên và xuống như một khối chất lỏng đang sôi Khi giáng áp ở bề mặt cắt ngang của lớp cân bằng với khối lượng của lớp thì lực cuốn dòng FD được xác định như sau [87]:

   g AL

• Đặc tính riêng của lớp sôi nhanh :

Đây là một chế độ nằm giữa hai chế độ sôi rối và sự chuyển động dạng khí nén Ở một chế độ lớp sôi nhanh, có thể quan sát thấy các khối hạt mịn lơ lửng không đồng nhất chuyển động lên và xuống ở một dòng hỗn hợp loãng chuyển động liên tục lên phía trên, như được biểu diễn trên hình 1.4

Do có vận tốc trượt lớn giữa khí và hạt rắn, các khối hạt hợp thành rồi tan rã rất nhanh, sự hoà trộn tốt là những đặc điểm riêng chủ yếu của chế độ này Sự hợp thành các khối hạt rắn chưa đủ là điều kiện để tạo thành lớp sôi nhanh nhưng nó là một đặc tính quan trọng của chế độ này Hiện tượng dẫn đến sự hợp thành các cụm hạt rắn trong chuyển động kiểu khí nén được mô tả ở hình 1.4 Các hạt rắn liên tục được đưa vào cùng dòng khí đi lên

ở trong ống lên với tốc độ đưa vào rất nhỏ, các hạt rắn sẽ phân tán đồng nhất trong dòng khí Mỗi hạt sẽ chuyển động riêng biệt, vận tốc tương đối giữa khí và hạt sẽ hình thành một bụi hạt nhỏ phía sau mỗi hạt

Trang 26

Hình 1.5 - Sự biến đổi từ chế độ chuyển động kiểu khí nén sang chế độ sôi nhanh có thể xảy ra khi tốc độ tuần hoàn hạt gia tăng trong khi giữ nguyên vận tốc khí tại một giá trị [87] 1.1.2.3 Phân bố giáng áp và độ rỗng trong buồng đốt lớp sôi nhanh

• Phân bố giáng áp trong lớp sôi nhanh

Kafa [60] đã đưa ra một thực nghiệm về mô hình buồng đốt lớp sôi với đường kính trong

là 200mm và chiều cao là 4m Thực nghiệm cho thấy áp suất giảm dọc theo chiều cao lớp sôi Các profin áp suất có thể được tính toán xấp xỉ theo công thức thực nghiệm sau:

Trang 27

10

g p

g g p

v

e u g

u

p87,69* * * / 0,6* 2* 2,89* /

(1.5) Trường hợp chênh lệch áp suất được đo trực tiếp trên ống lên tương ứng với các khoảng đo (L), độ rỗng  lớp sôi tại một điểm được ước lượng từ gradient, p P / L có thể được ước lượng như sau (Chong và cộng sự, 1988 [35]; Nag và Ali, 1992 [78]):

p p

gp : Khối lượng hạt tuần hoàn (kg/s)

Hv : Chiều cao theo phương thẳng đứng được đo từ đáy của ghi (m)

H : Chiều cao của buồng đốt (m)

L

P /

Nếu như theo profin áp suất không thể có được thì khối lượng riêng lớp hạt có thể được tính toán bằng công tức xấp xỉ sau [60]:

g p

g g p b

V

e u g

u 0 6 2 2,89* /

*

*/

*

*4,

1.1.2.4.Vận tốc sôi tối thiểu

Vận tốc sôi tối thiểu (Minimum fluidization velocity-Umf) là vận tốc mà tại đó các hạt rắn bắt đầu trạng thái lơ lửng Khi trạng thái sôi được thiết lập, dù vận tốc khí tiếp tục tăng thì giáng áp vẫn được duy trì không đổi Ở trạng thái sôi, thì lực nâng hạt bởi dòng khí cân bằng với trọng lượng của các hạt, do vậy vận tốc sôi tối thiểu được xác định từ phương trình cân bằng sau [3]:

c g p mf

g L

2 3

2 2

3

115075

U d U

p mf

mf mf

g p

d U

p mf

mf mf

g p p mf

2 2

3

115075

,1

Trong đó:

Ar g

d p g p g



2

Trang 28

g d

,75

g d

i) Đường kính hạt rắn

ii) Vận tốc cấp khí / gió

iii) Khối lượng hạt trong lớp

iv) Kích thước lớp sôi

Dựa vào các nhân tố trên, các công thức bán thực nghiệm xác định vận tốc sôi tối thiểu (minimum fluidizing velocity) được thiết lập tương ứng với các khoảng thí nghiệm

và vận hành định trước, và được biểu diễn dưới dạng sau:

Biểu thức thực nghiệm xác định vận tốc sôi tối thiểu:

p b g p a

Kích thước hạt ( ) m

Vật liệu hạt, khối lượng riêng

1

20Re

,

1361

,0

23 , 1





mf g

mf p p

,

94 , 0 88

, 1





mf g

p p

51-970

Cát, than antraxit

4

32Re

,001065

,0

2





mf g

,

Trang 29

,0

2





mf g

Bảng 1.2 đưa ra một số biểu thức thực nghiệm xác định tốc độ sôi tối thiểu của một

số tác giả Với các điều kiện, môi trường thí nghiệm khác nhau, biểu thức thực nghiệm của các tác giả xác định được là khác nhau Hầu hết các biểu thức thực nghiệm có số thứ tự từ

1 đến 12 tại bảng 1.3 chỉ áp dụng đối với các hạt và bột mịn, chủ yếu là nhóm A theo phân loại Geldart Một vài tác giả đã đề xuất biểu thức thực nghiệm xác định đối với tốc độ sôi tối thiểu cho các hạt mịn, hạt thô theo phân loại hạt của Geldart như Wen và Yu [38] đã đề xuất biểu thức đối với hạt mịn; Chitester và cộng sự [38] đề xuất biểu thức thực nghiệm cho các hạt thô (đường kính trung bình của hạt lớn hơn 500  ) Grace đã đề xuất biểu mthức thực nghiệm xác định vận tốc sôi tối thiểu cho các loại hạt nhóm Geldart B [87]

1.1.2.5.Vận tốc tới hạn

Vận tốc tới hạn (Ut) của hạt là vận tốc mà tại đó hạt bị cuốn theo dòng khí, tại trạng thái này lực nâng hạt do dòng khí hoàn toàn thắng thế so với trọng lực của hạt [87]

Ở trạng thái ổn định, cân bằng lực của hạt như sau:

2

p D

p

g p

Trang 30

13

Hình 1.6- Cân bằng lực cho hạt di chuyển lên trên dòng khí [87]

• Vận tốc tới hạn của các hạt dạng hình cầu

Đối với các hạt dạng hình cầu, bằng sự thay thế các giá trị hệ số lực kéo phương trình (1.16), số Reynold, xác định được vận tốc tới hạn Để đơn giản, sử dụng điều kiện về số

D

U U d C

5,

33,

• Vận tốc tới hạn của các hạt không có dạng hình cầu

Các phương trình trên chỉ có giá trị cho các hạt có dạng hình cầu Lực kéo lên các hạt không có dạng hình cầu có thể khác đáng kể so với hạt có dạng hình cầu, qua đường kính hạt tương đương của chúng có thể là giống nhau Một phép tính gần đúng làm tăng vận tốc tới hạn của các hạt có dạng hình cầu lên nhiều lần bởi một hệ số, Kt, (Pettyjohn và Christiansen) [90]:

Trang 31

14

5 , 0

88,431,53

v g p t

gd K

Trong đó: dv là đường kính trung bình của hạt (m)

Đối với các số Reynold nằm ở giữa 0,2 và 1000, thì Kt có thể có được bằng cách nội suy các giá trị tính toán của Kt từ hai dải số Reynold ở trên

1.2 Nghiên cứu thực nghiệm về tốc độ tuần hoàn hạt trong buồng đốt

Các nghiên cứu khí động học trong buồng đốt lớp sôi (CFBC) được đặc trưng bởi sự lưu động của dòng hai pha (khí-hạt) Ở các chế độ vận hành của CFBC, việc xác định vận tốc hạt tại các cao độ của CFBC một cách tượng trưng và không thể đo được, do vậy vận tốc hạt có thể được tính toán thông qua việc xác định tốc độ tuần hoàn hạt (khối lượng hạt tính trên một đơn vị diện tích mặt cắt vuông góc với chiều chuyển động của dòng hạt theo một đơn vị thời gian) và khối lượng của lớp hạt tại các vị trí của CFBC

Tốc độ tuần hoàn hạt được tính toán trên cơ sở xác định tốc độ hạt trong CFB Tùy thuộc vào cấu trúc buồng đốt và chế độ vận hành của CFB, tốc độ trung bình của hạt có thể được xác định tại các vị trí khác nhau của CFB: i) tại van L (Sung Won Kim và cộng sự [97], N.Chovichien và cộng sự [76]), ii) tại ống xuống, Myung Won Seo và cộng sự [75], Jong Hun Lim và cộng sự [58]; P.Kalita và cộng sự [88]; và iii) tại ống lên (Tatjana và cộng sự [98]) Phương pháp xác định vận tốc hạt, do vậy cũng rất khác nhau Dưới đây là các nghiên cứu thực nghiệm về phương pháp xác định tốc độ tuần hoàn hạt và nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành đối với tốc độ tuần hoàn hạt

1.2.1 Nghiên cứu thực nghiệm của Phạm Hoàng Lương và cộng sự

Hoàng Lương và cộng sự [82] đã thực hiện thí nghiệm xác định tốc độ tuần hoàn hạt trên mô hình thí nghiệm với các thông số vận hành, thông số mô hình tại bảng 1.3 Tốc độ tuần hoàn hạt được ước lượng bằng việc đo vận tốc của các hạt cát di chuyển qua mặt cắt ngang của một ống Perspex đặt đứng tại đáy của ống hồi Vận tốc hạt được ước lượng như là vận tốc trung bình theo thời gian sử dụng một đồng hồ bấm giây để đo thời gian cần thiết để một hạt bao phủ một khoảng cách được đưa ra Khối lượng riêng của lớp hạt khi vận hành của buồng đốt được xác định dựa trên khối lượng hạt và thể tích nó được sử dụng

Kết quả cho thấy tốc độ tuần hoàn hạt trong CFB được xác định tăng cùng với tốc

độ gió sơ cấp, khối lượng lớp hạt trong điều kiện làm việc của thiết bị thí nghiệm Nghiên cứu, cho thấy rằng, với cùng một giá trị của tốc độ gió sơ cấp và một kích thước hạt cát nhất định được sử dụng, tốc độ tuần hoàn hạt tăng cùng với khối lượng lớp hạt Tốc độ tuần hoàn hạt giảm cùng với sự tăng lên của kích thước hạt trong khi các thông số khác được giữ không đổi

1.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm của Sung Won Kim và cộng sự

Sung Won Kim và cộng sự [97] đã nghiên cứu, thực hiện tái tuần hoàn hạt trong ống lên được làm bằng ống nhựa trong suốt có các thông số mô hình và thông số vận hành được thể hiện tại bảng 1.3 Tại trạng thái ổn định, tốc độ tuần hoàn hạt được xác định bằng việc đo thời gian rơi xuống của hạt trên một khoảng cách nhất định đã biết khối lượng riêng của lớp hạt khi vận hành tại ống đo trong suốt được lắp trên thiết bị Kết quả nghiên cứu cho thấy tốc độ tuần hoàn hạt tăng khi tăng tốc độ gió tuần hoàn hạt qua loop seal, khi giảm đường kính hạt Nghiên cứu đã đề xuất biểu thức thực nghiệm xác định tốc độ tuần hoàn hạt (Gp) theo biểu thức (1.23)

Trang 32

 : Khối lượng riêng lớp hạt (kg/m3)

Hình 1.7- Sơ đồ nguyên lý Mô hình lạnh CFB của Sung Won Kim (2002); 1-ống lên; Cyclone; 3-Phễu; 4-Van L; 5-Cửa lấy mẫu; 6-Van bướm; 7-Bộ phân phối [97]

2-1.2.3 Nghiên cứu thực nghiệm của Myung Won Seo và các cộng sự

Myung Won Seo và các cộng sự [75] đã nghiên cứu đã sử dụng một buồng phản ứng lớp sôi tuần hoàn kép với ống lên và lớp sôi bọt có các thông số mô hình và thông số vận hành như được thể hiện tại bảng 1.3 Vận tốc khí trong lớp sôi được thay đổi từ 0-0,27 m/s, vận tốc khí ở buồng cấp khí đẩy hạt được vận hành ở dải từ 0,5Umf đến 1,5 Umf, vận tốc khí

ở buồng tái tuần hoàn đẩy hạt về được vận hành ở dải từ 0 đến 0,36 m/s, tổng khối lượng lớp được duy trì là 35 kg Hệ thống được vận hành ở áp suất là 1atm và nhiệt độ là 300K Tốc độ tuần hoàn hạt được xác định bằng cách đo thời gian rơi của hạt trên một đoạn chiều dài ống đo đã biết ở ống xuống và khối lượng riêng của lớp hạt khi vận hành Kết quả thực nghiệm cho thấy tốc độ tuần hoàn hạt tăng khi tăng tốc độ gió sơ cấp

Kết quả cho thấy, với điều kiện của thí nghiệm, tốc độ gió tuần hoàn hạt có quan hệ tuyến tính với giá trị của tốc độ tuần hoàn hạt lên đến 45 kg/m2.s, tăng tiếp tốc độ gió tuần hoàn hạt sẽ là nguyên nhân hình thành các nệm ‘slug’ trong buồng cấp của van L, làm giảm tốc độ tuần hoàn hạt

Trang 33

16

Hình 1.8- Sơ đồ nguyên lý Mô hình lạnh CFB của Myung Won Seo (2011) 1-Ống lên; Cyclone; 3-Van bi; 4-Ống xuống; 5-Lớp sôi bọt; 6-Loop seal; 7-Hộp gió; 8-Đường xả [75]

2-1.2.4 Nghiên cứu thực nghiệm của Tzeng Lim và các cộng sự

Tzeng Lim và cộng sự [100] đã nghiên cứu, xây dựng một mô hình lạnh CFB dựa trên thiết bị khí hóa sử dụng lớp sôi nhanh tuần hoàn bên trong để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành như lưu lượng dòng khí sơ cấp, thứ cấp đối với tốc độ tuần hoàn hạt Các thông số mô hình thí nghiệm, thông số vận hành như được thể hiện trong bảng 1.3 Các ảnh hưởng của gió sơ cấp, thứ cấp và khối lượng lớp đối với tốc độ tuần hoàn hạt được xác định bằng thay đổi gió sơ cấp từ 32m3/h đến 96m3/h trong khi giữ nguyên lưu lượng khí thứ cấp và lưu lượng khí qua loop seal không đổi tương ứng với các giá trị 171m3/h và 6m3/h; thí nghiệm làm với các khối lượng lớp là 6, 8 và 10 kg;

Tốc độ tuần hoàn hạt từ ống lên về ống xuống được đo bằng cách ngắt dòng về van L

để giữ các hạt rắn không di chuyển về van L, sau đó đo khối lượng hạt trong một quãng thời gian (đến 10 giây)

Tại thí nghiệm này, gió sơ cấp được giữ không đổi với giá trị là 171 m3/h, tốc độ gió tuần hoàn hạt được thay đổi với các giá trị 5; 7 và 9 m/s Kết quả thí nghiệm cho thấy tốc

độ tuần hoàn hạt cũng tăng cùng với tốc độ gió tuần hoàn hạt và khối lượng lớp sôi

Trang 34

17

Hình 1.9- Sơ đồ nguyên lý mô hình lạnh CFB của Tzeng Lim (2012) [100]

1.2.5 Nghiên cứu thực nghiệm của Kalita và các cộng sự

P.Kalita và cộng sự [88] đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành đối với tốc độ tuần hoàn và đối với trao đổi nhiệt trong một lớp sôi tuần hoàn có các thông số mô hình và thông số vận hành như được trình bày tại bảng 1.3 Thí nghiệm được tiến hành với

05 khối lượng lớp khác nhau là 400, 500, 600, 800 và 1000 gram và với 03 giá trị áp suất khác nhau là 1, 3 và 5 bar Tất cả các thí nghiệm được tiến hành với 03 giá trị tốc độ gió sơ cấp khác nhau là 5, 6 và 7 m/s và với dòng nhiệt không đổi là 830 W/m2 Khí được cấp vào CFB qua đáy của ống lên bởi một quạt ly tâm áp suất cao (20 HP) và một máy nén Tốc độ dòng khí được đo bởi một đồng hồ tiêu chuẩn và được điều chỉnh bằng van và đường xả tắt Khí đi qua mặt ghi phân phối có diện tích lỗ mở chiếm 16,8% Áp suất tĩnh và độ rỗng được

đo tại 06 vị trí khác nhau: 120mm, 192,5mm, 370mm, 495mm, 970mm và 1570mm ở phía trên so với mặt ghi phân phối Đường kính trong và chiều cao của thiết bị đo thăm dò truyền nhiệt lần lượt tương ứng là 54mm và 500mm Ngoài ra, các cặp nhiệt được lắp đặt để đo sự thay đổi nhiệt độ bức xạ trong lớp tại tỷ lệ d/D là 0,2-0,3-0,4-0,6 và 0,8 Bộ gia nhiệt kiểu điện trở có công suất 1000 W, điện trở 46 Hình 1.10 thể hiện sơ đồ nguyên lý hệ thống thí nghiệm lớp sôi tuần hoàn có áp của Kalita và cộng sự (2013) Kết quả thực nghiệm của Kalita cho thấy, tốc độ tuần hoàn hạt tăng cùng với áp suất, và khối lượng lớp Kalita cũng

đã đề xuất biểu thức xác định tốc độ tuần hoàn hạt theo biểu thức (1.24)

t A

A L G

B

mf D a p p

Trang 35

18

AB: Diện tích mặt cắt ngang của lớp (m2)

AD: Diện tích mặt cắt ngang của ống xuống (m2)

t: Thời gian hạt rơi theo chiều cao ống sau khi đóng van (s)

Hình 1.10- Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm lớp sôi tuần hoàn có áp của Kalita và cộng sự

(2013) [88]

1.2.6 Nghiên cứu thực nghiệm của Jong Hun Lim và các cộng sự

Jong Hun Lim và cộng sự [58] đã sử dụng mô hình CFB có thông số mô hình và thông số vận hành như được trình bày tại bảng 1.3

Mô hình có thể tăng kích thước đường ống của lớp sôi bọt lên đến 0,08m bằng thay đổi van L để kiểm soát tốc độ tuần hoàn hạt như trong nghiên cứu về CFB trước đây của Lee và cộng sự Tốc độ tuần hoàn hạt được kiểm soát bởi gió tuần hoàn tại van L có đường kính 0,016m và chiều dài là 0,22m Tốc độ dòng hạt được đo bằng khối lượng đi vào phễu

6 Vào cuối mỗi lần thí nghiệm, van bi 5 trên lớp sôi bọt sẽ được đóng lại và sử dụng đồng

hồ “Stop watch” để đo thời gian một khối lượng hạt nhất định trong lớp sôi bọt 3 Tốc độ tuần hoàn hạt được tính như là tốc độ dòng hạt chia cho diện tích mặt cắt ngang của ống lên Tại van L được lắp đặt các đầu đo áp suất để đo áp suất giữa điểm thấp nhất của ống lên, vùng tuần hoàn của van L và giữa ống xuống Từ đó xác định chênh lệch áp suất giữa ống xuống và van L, giữa ống xuống với vùng thấp của ống lên Thực nghiệm cũng nghiên cứu ảnh hưởng của giáng áp tại van L đối với vận tốc khí trên bề mặt tại van L và tốc độ tuần hoàn hạt

Trang 36

Jong Hun Lim và cộng sự [58]

Nghiên cứu cho thấy, tốc độ tuần hoàn hạt tăng khi tăng tốc độ gió tại van L (Uo,lv) Biểu thức thực nghiệm xác định tốc độ tuần hoàn hạt đối với hạt Geldart A là một hàm số của vận tốc khí trên bề mặt tại van L và đường kính hạt, và có dạng như sau

62 , 2 75 , 1 , 81048,

p

d U

U x

D

G

(1.25)

1.2.7 Nghiên cứu thực nghiệm của N Chovichien và các cộng sự

N.Chovichien [76] đã thí nghiệm trên mô hình lớp sôi tuần hoàn có các thông số

mô hình và thông số vận hành cơ bản như trong bảng 1.3 Gió thứ cấp được cấp theo phương ngang tại cao độ 1,22m so với mặt ghi phân phối gió Tốc độ dòng thể tích được điều chỉnh bằng các bộ biến tần, van và đồng hồ đo nhiệt độ lớp sôi từ 30-2500C, thay đổi giáng từ 700-1300N/m2

Kết quả nghiên cứu cho thấy, tốc độ tuần hạt tăng lên khi tăng tốc độ gió tuần hoàn tại van L Giáng áp qua van L và ống lên thay đổi theo các điều kiện vận hành (tốc độ dòng khí, nhiệt độ lớp, khi vận hành ở nhiệt độ cao, giáng áp qua van L và ống lên cũng cao hơn và thậm chí ở điều kiện các thông số vận hành thấp hơn Điều này có thể làm cho tốc độ tuần hoàn hạt tăng và làm thay đổi đặc tính dòng theo nhiệt độ N Chovichien và cộng sự [76] đã đề xuất biểu thức thực nghiệm để ước lượng tốc độ tuần hoàn hạt tại van L là một hàm số của chênh lệch áp suất, đặc tính dòng khí hạt tại van L, hình dạng van L và có dạng như sau:

269 , 0 63 , 0 , 659 , 0 961 , 0 339 , 0

,0454,





p h LV f

b p h

LV

L

d D G

L

Trang 37

20

a) Các thiết bị thí nghiệm của mô hình b) Sơ đồ nguyên lý van L Hình 1.12- Sơ đồ nguyên lý lớp sôi tuần hoàn có kích thước ống lên 2,6mx0,009m của

N.Chovichien và cộng sự [76]

1.2.8 Nghiên cứu thực nghiệm của Tatjana và các cộng sự

Tatjana và cộng sự [98] đã sử dụng mô hình CFB có thông số kích thước và thông

số vận hành như được trình bày tại bảng 1.3 Nghiên cứu đã sử dụng phần mềm phân tích hình ảnh Sigma Scan để đo thời gian rơi của hạt được đánh dấu trên một đoạn ống có chiều dài cho trước để xác định tốc độ trung bình của hạt Tatjana đề xuất biểu thức thực nghiệm xác định tốc độ tuần hoàn hạt là hàm số của đường kính hạt và tốc độ khí trên bề mặt ghi

của CFB, và có dạng như sau

   1 , 19 0 , 636 2 / 3

20 3

/ 4

) 1 )

/ ((Re 1

568 ,

t t

p p

U

U U

Hình 1.13- Sơ đồ hệ thống thí nghiệm nguyên lý lớp sôi tuần hoàn của Tatjana và

cộng sự [98]

Trang 38

21

Bảng1.3 Chi tiết các nghiên cứu thực nghiệm về tốc độ tuần hoàn của các tác giả khác

Đường kính (m) Chiều dài (m)

Điều kiện vận hành Vật liệu lớp Đường kính hạt

Áp suất (bar) Nhiệt độ ( 0 C) Khối lượng riêng hạt (kg/m3)

Các thông số vận hành

Đề xuất biểu thức thực nghiệm xác định tốc

Cát thạch anh

Áp suất khí quyển Nhiệt độ môi trường 1400-200 lít/phút

2600 kg/m3

Đường kính hạt, khối lượng lớp, gió sơ cấp

và cộng sự [97]

ống nhựa, 0,1m 5,3 m

và các cộng sự

[75]

CFB kép với ống lên và lớp sôi bọt có dạng hình chữ nhật:

(DxRxC)=0,04

x 0,11 x 4,5 m;

(DxRxC)

=0,285 x 0,11 x 2,13 m

Cát Gendart B dp= 239 m

Áp suất khí quyển Nhiệt độ: 270C

2466 kg/m3

Tốc độ gió sơ cấp

cộng sự [100]

đường kính 0,18m, cao 2,6m

Hạt đồng dp=138, m, Không đề cập Không đề cập

8940 kg/m3

Tốc độ gió tuần hoàn hạt, khối lượng lớp

Áp suất, đường kính hạt, khối lượng lớp, vận tốc

Trang 39

22

5, 6, 7 m/s 25-65 0 C

2300 kg/m3

khí trên bề mặt,

70m, 70m, 148m, 65m; mật độ hạt lần

lượt như sau: 1350-1880 kg/m3, 1880 kg/m3,

1350 kg/m3, 2500 kg/m3; khối lượng lớp:

1,2kg, 1,5kg, 0,9kg, 2kg; Vận tốc khí trên bề mặt tại van: U0,OL=0-5 mm/s, 0-50 mm/s, 0-35 mm/s, 0-5 mm/s; Vận tốc khí trên bề mặt lớp sôi bọt: Uo,bed=0,8 cm/s, 0,85 cm/s, 1 cm/s, 1 cm/s; Umf=3,3 mm/s, 5 mm/s, 5 mm/s, 4 mm/s) Thí nghiệm được thực hiện ở điều kiện môi trường khí, nhiệt độ môi trường ( = f1kg/m3; µ=171,67.10-6 kg/ms)

Tốc độ gió tuần hoàn tại van L, đường kính hạt

62 , 2 75 , 1 , 81048,

p

d U

U x

mm ống xuống: : d=100 mm; H=

3600 mm

Cát thạch anh loại B

474 m

Không đề cập 30-2500C

2675 kg/m3

Tốc độ gió tuần hoàn tại van L

269 , 0 63 , 0 , 659 , 0 961 , 0 339 , 0 ,

0454 ,





p h LV f b p h

LV

L

d D G

Không đề cập Không đề cập

mật độ hạt tương ứng với dp: 2507; 2507; 252;

2515 kg/m3

Umf tương ứng với các đường kính hạt: 3,2;

4,31; 5,3; 7,0 cm/s; Tốc độ cấp nước vào ống lên:U0= 8,04; 10,8; 11,25; 11,75; 14,68;

17,31 cm/s Môi trường thí nghiệm: nước, nhiệt độ nước: 200C ( = 1000 kg/m3; f

µ=11,674.10-3 kg/ms)

Tốc độ sơ cấp,

20 3

/ 4

) 1 )

/ ((Re 1

568 ,

t t

p p

U

U U

Trang 40

• Các nghiên cứu thực nghiệm về khí động học của lớp sôi tuần hoàn tập trung chủ yếu vào việc xác định tốc độ tuần hoàn hạt

• Các nghiên cứu về tốc độ tuần hoàn hạt trong lớp sôi tuần hoàn của các tác giả trước đây được đề cập ở trên chủ yếu được thực hiện trên các mô hình vật lý tương đối giống nhau mặc dù các thông số thí nghiệm có thể khác nhau Việc xác định tốc độ tuần hoàn hạt trong các thí nghiệm trên đều thông qua việc đo vận tốc di chuyển trung bình của hạt trong đoạn ống đo Tốc độ trung bình của hạt được các tác giả đo ở các vị trí khác nhau (tại van L, ống xuống, ống lên) được thực hiện bằng cách đo thời gian rơi của hạt bằng đồ

hồ bấm giây ‘stop watch’ Các thí nghiệm đo vận tốc di chuyển trung bình của hạt tại ống lên và van L yêu cầu thiết bị có kết cấu và thiết bị đo phức tạp hơn, do đó đa phần vận tốc trung bình của hạt được các tác giả đo tại ống xuống trong một đoạn ống đo có khoảng cách xác định và tốc độ tuần hoàn hạt được xác định là vận tốc trung bình hạt rơi(Vp) và khối lượng riêng của lớp hạt ( ) Các tác giả (Phạm Hoàng Lương và cộng sự [82], Sung bWon Kim và cộng sự [96], Myung Won Seo và các cộng sự [75], Tzeng Lim và cộng sự [100]) sử dụng cùng một biểu thức xác định xác định tốc độ tuần hoàn hạt (1.23).Việc sử dụng biểu thức (1.23) để xác định tốc độ tuần hoàn hạt từ các thông số đo được từ thực nghiệm thuận lợi hơn so với sử dụng biểu thức (1.24) của tác giả P Kalita [88] do phải xác định độ rỗng lớp sôi tại vận tốc sôi tối thiểu

• Các nghiên cứu thực nghiệm xác định tốc độ tuần hoàn hạt được các tác giả đề xuất

đo và tính toán tại các vị trí khác nhau và có các tham số đo khác nhau có ảnh hưởng đến tốc độ tuần hoàn hạt Mặc dù vậy, tốc độ tuần hoàn hạt phụ thuộc chủ yếu vào các thông số vận hành sau:

• Tuy nhiên, các thực nghiệm nêu trên chỉ nghiên cứu ảnh hưởng của một vài thông

số vận hành đơn lẻ đối với tốc độ tuần hoàn hạt (Phạm Hoàng Lương và cộng sự nghiên cứu ảnh hưởng của đường kính hạt, khối lượng lớp hạt, vận tốc gió sơ cấp; Sung Won Kim và cộng sự [97] chỉ xét ảnh hưởng của đường kính hạt và vận tốc gió tuần hoàn hạt; Myung Won Seo và các cộng sự [75] chỉ nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc gió sơ cấp; Tzeng Lim

và cộng sự [100]nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc gió tuần hoàn hạt, khối lượng lớp; P.Kalita và cộng sự [88] xét ảnh hưởng áp suất, đường kính hạt, khối lượng lớp, vận tốc gió

sơ cấp; Jong Hun Lim và cộng sự [58] xét ảnh hưởng tốc độ gió tuần hoàn tại van L, đường kính hạt; N.Chovichien và cộng sự [76] chỉ xét ảnh hưởng của vận tốc gió tuần hoàn tại van L; Tatjana và cộng sự [98] xét ảnh hưởng của vận tốc gió sơ cấp và đường kính hạt) và

Định dạng
Số trang	183
Dung lượng	4,53 MB