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

PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Cơng nghệ lớp sơi tuần hồn (CFB) du nhập vào Việt Nam từ năm đầu kỷ 21 thông qua dự án sản xuất điện theo hình thức Chìa khóa trao tay (Turnkey Project) Do vậy, thực tế áp dụng công nghệ CFB Việt Nam, cho thấy nhiều tồn thiết kế, vận hành, bảo dưỡng Thực tế cho thấy, chế độ khí động buồng đốt kiểu CFB phụ thuộc chủ yếu vào thông số vận hành (vận tốc hạt rắn, vận tốc gió, khối lượng riêng lớp hạt, độ cứng hạt, nhiệt độ lớp hạt đường kính hạt rắn) đặc trưng tốc độ tuần hoàn hạt Sự tuần hoàn hạt định đến hiệu suất cháy, hiệu khử lưu huỳnh, khả trao đổi nhiệt từ lớp tới vách buồng đốt, vấn đề khí động liên quan đến vận hành mài mòn, đóng xỉ, Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu đầy đủ chế độ khí động nói chung, tốc độ tuần hồn hạt nói riêng buồng đốt kiểu lớp sơi tuần hồn.Vì vậy, việc hiểu rõ chế tuần hoàn hạt CFB, phân tích lượng hóa tác động thơng số vận hành đến tuần hồn hạt trao đổi nhiệt buồng đốt CFB cần thiết nhằm hỗ trợ cho công tác thiết kế, vận hành bảo dưỡng thiết bị sử dụng công nghệ CFB, nâng cao hiệu sử dụng nguồn lượng sơ cấp Mặt khác, ưu điểm công nghệ CFB phương diện bảo vệ môi trường cần nhận dạng lượng hóa, nhằm góp phần thúc đẩy việc ứng dụng rộng rãi công nghệ tương lai gần Do vậy, việc sử dụng phân tích vòng đời để nhận dạng lượng hóa cơng nghệ CFB theo quan điểm bảo vệ môi trường để đảm bảo xem xét yếu tố phát thải cách tồn diện q trình sản xuất điện năng: từ đầu nguồn (từ khai thác nhiên liệu), vận chuyển nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu cuối nguồn (thải bỏ) Mục tiêu nghiên cứu đề tài Các ưu điểm mà công nghệ CFB đem lại chủ yếu yếu tố khí động học, mà đặc trưng tốc độ tuần hoàn hạt (SCR) lớp sôi Do vậy, mục tiêu nghiên cứu đề tài đặt là: i) Nghiên cứu ảnh hưởng thơng số vận hành (vận tốc gió sơ cấp, vận tốc gió tuần hồn hạt, đường kính hạt, khối lượng lớp sơi, v.v) đến tốc độ tuần hồn hạt (solid circulation rate, SCR); ii) Nghiên cứu ảnh hưởng thơng số vận hành (tốc độ cấp gió ghi, đường kính hạt, nhiệt độ lớp sơi, v.v) đến hệ số trao đổi nhiệt lớp sôi với tường buồng đốt; iii) Nghiên cứu, nhận dạng lượng hóa tiềm giảm phát thải gây nhiễm mơi trường CFB so với công nghệ đốt than truyền thống để sản xuất điện Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu thực nghiệm mơ hình khí động học CFB, ảnh hưởng thơng số vận hành (đường kính trung bình hạt, khối lượng lớp hạt, tốc độ gió ghi, tốc độ gió tuần hồn hạt, chiều cao diện tích mặt cắt ngang lớp sơi) đến tốc độ tuần hồn hạt buồng đốt (CFB) xem xét lượng hoá Nghiên cứu thực nghiệm mơ hình trao đổi nhiệt CFB, ảnh hưởng thông số vận hành (đường kính trung bình hạt, khối lượng lớp hạt, tốc độ gió ghi, chiều cao diện tích mặt cắt ngang lớp sôi) đến hệ số trao đổi nhiệt từ lớp sôi đến tường buồng đốt khoảng nhiệt độ lớp sôi dao động từ 700C -1000C Nghiên cứu chu trình vòng đời CFB giới hạn khâu: i) khai thác than, ii) vận chuyển than từ nơi khai thác đến nhà máy nhiệt điện, iii) đốt than nhà máy điện Trong nghiên cứu này, ta xét phát thải CO2, khí gây hiệu ứng nhà kính; Phương pháp nghiên cứu Đối với mục tiêu cụ thể 1: +Thu thập cập nhật thông tin nước nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm tác giả trước + Nghiên cứu thực nghiệm: Chỉnh sửa mơ hình có Viện Khoa học công nghệ Nhiệt lạnh, Đại học Bách khoa Hà Nôi.Tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng thông số vận hành, xây dựng biểu thức thực nghiệm xem xét ảnh hưởng đồng thời thông số vận hành tốc độ tuần hoàn hạt Đối với mục tiêu cụ thể 2: + Thu thập cập nhật thơng tin ngồi nước nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm tác giả trước + Nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số vận hành, xây dựng biểu thức thực nghiệm xem xét ảnh hưởng đồng thời thông số vận hành hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách buồng đốt lớp sơi tuần hồn Đối với mục tiêu cụ thể 3: Thu thập tổng hợp thông tin, nghiên cứu tài liệu ngồi nước vòng đời đánh giá vòng đời; Khảo sát, nghiên cứu thực tế, thu thập, phân tích số liệu vận hành nhà máy điện Na Dương ng Bí Nghiên cứu xây dựng mơ hình tính tốn phát thải vong đời CO2 nhà máy, xác định chí phí biên giảm phát thải khí CO2 trường hợp sử dụng công nghệ buổng đốt kiểu CFB thay cho công nghệ đốt truyền thống Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Ý nghĩa mặt khoa học: Góp phần nhận dạng lượng hóa ảnh hưởng thông số vận hành đến chế độ tuần hoàn hạt trao đổi nhiệt hệ thống/thiết bị kiểu CFB; Góp phần làm rõ ưu điểm mặt lợi ích mơi trường cơng nghệ CFB so với công nghệ lượng truyền thống khác sử dụng khu vực sản xuất điện Việc so sánh công nghệ CFB với công nghệ than phun (Pulverised fuel, PF) theo quan điểm phát thải vòng đời CO2 góp phần làm rõ khả áp dụng nhân rộng công nghệ CFB Việt Nam tương lai gần - Ý nghĩa mặt học thuật thực tiễn: Kết nghiên cứu thực nghiệm khí động lớp sơi tuần hồn đưa biểu thức thực nghiệm quan hệ thơng số vận hành với tốc độ tuần hồn hạt (solid circulation rate-SCR), cho phép đánh giá ảnh hưởng thơng số vận hành (đường kính hạt, khối lượng lớp, vận tốc gió sơ cấp, vận tốc gió tuần hoàn hạt) SCR biểu thức thực nghiệm cho phép xác định SCR biết thông số vận hành, thơng số kích thước hình học CFB;Kết nghiên cứu cho thấy, xây dựng biểu thức thực nghiệm cho thiết bị kiểu CFB vận hành biết thơng số hình học thiết bị thơng số vận hành (kích thước hạt, khối lượng hạt vận tốc gió sơ cấp, vận tốc gió tuần hồn hạt, ) từ lựa chọn chế độ khí động 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 cơng tác vận hành hiệu thiết bị, nâng cao hiệu suất cháy hiệu truyền nhiệt từ lớp tới bề mặt vách buồng đốt Kết nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt CFB đưa biểu thức thực nghiệm quan hệ thông số vận hành với hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách buồng đốt lớp sơi tuần hồn, cho phép đánh giá ảnh hưởng thông số vận hành trao đổi nhiệt từ lớp tới vách Kết nghiên cứu giúp xây dựng biểu thức thực nghiệm tương tự cho thiết bị kiểu CFB vận hành để đánh giá thay đổi hệ số trao đổi nhiệt buồng đốt chế độ vận hành khác nhau, giúp lựa chọn chế độ vận hành hiệu thiết bị kiểu CFB Kết nghiên cứu đánh giá vòng đời cơng nghệ đốt lớp sơi tuần hồn xây dựng mơ hình so sánh cơng nghệ theo quan điểm phát thải vòng đời, phương pháp tính chi phí biên giảm phát thải khí nhà kính Kết nghiên cứu làm sở cho nhà đầu tư định lựa chọn công nghệ sản xuất điện nói riêng sản xuất lượng nói chung điều kiện thực tế dự án Việt Nam Ngoài ra, kết nghiên cứu cho thấy, áp dụng cơng nghệ CFB Việt Nam để nâng cao hiệu sản xuất điện đồng thời giảm phát thải CO2 mà khơng đòi hỏi kinh phí bổ sung/hỗ trợ từ Nhà nước từ tổ chức quốc tế theo chế phát triển Điểm luận án - Kết nghiên cứu thực nghiệm khí động CFB đánh giá ảnh hưởng thơng số vận hành (đường kính hạt, khối lượng lớp, vận tốc gió sơ cấp, vận tốc gió tuần hồn hạt) tốc độ tuần hoàn hạt (solid circulation rate, SCR) biểu thức thực nghiệm cho phép xác định SCR biết thông số vận hành, thơng số kích thước hình học CFB; - Kết nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt CFB đánh giá ảnh hưởng thông số vận hành trao đổi nhiệt từ lớp tới vách đề xuất biểu thức thực nghiệm xác định hệ số trao đổi nhiệt biết thơng số vận hành, thơng số kích thước hình học CFB; - Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật tính tốn sử dụng kết thu cho phép so sánh công nghệ nhiệt điện đốt than phát triển áp dụng để nhận dạng định lượng tiềm giảm phát thải CO2 cơng nghệ lớp sơi tuần hồn so với công nghệ PF sử dụng Việt Nam Xét theo quan điểm vòng đời, kết nghiên cứu việc sử dụng công nghệ lớp sôi tuần hoàn vào sản xuất điện hoàn toàn khả thi mặt kinh tế môi trường Bố cục luận án Luận án gồm 183 trang: 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 (01 trang); danh mục hình vẽ, sơ đồ (05 trang); phần mở đầu (04 trang) Nội dung luận án bao gồm chương, 140 trang Chương (51 trang) trình bày lý thuyết khí động học, trao đổi nhiệt CFB, vòng đời ứng dụng vòng đời để so sánh cơng nghệ Chương (55 trang) trình bày kết nghiên cứu thực nghiệm khí động trao đổi nhiệt CFB mơ hình CFB Chương (29 trang) trình bày lý thuyết vòng đời, so sánh cơng nghệ ứng dụng vòng đời để so sánh công nghệ nhiệt điện đốt than theo quan điểm phát thải vòng đời Các đánh giá khuyến nghị sở kết nghiên cứu đề tài trình bày Chương (05 trang); tài liệu tham khảo (06 trang); danh mục công trình tác giả (01 trang); phụ lục (16 trang) CHƯƠNG 1-TỔNG QUAN VỀ KHÍ ĐỘNG HỌC VÀ TRAO ĐỔI NHIỆT TRONG LỚP SƠI TUẦN HỒN 1.1 Tổng quan khí động học Nghiên cứu tổng quan khí động học CFB nhằm xác định thông số đặc trưng ảnh hưởng thông số đến đặc tính khí động lớp sơi 1.1.1 Phân bố giáng áp lớp sơi nhanh Giáng áp lớp sơi nhanh tính tốn xấp xỉ theo cơng thức thực nghiệm Kafa [60]: 0,6 ∆p = 87,69 * ρ p * ( ρ g * u g / g p ) * u g2 * e ( −2,89*H / H ) (1.5) Trường hợp giáng áp đo trực tiếp ống lên tương ứng với khoảng đo (L), độ rỗng ε s lớp sôi điểm ước lượng từ gradient, ∆P / L ước lượng sau (Chong cộng [35], 1988; Nag Ali, 1992 [78]): v 1−εp = ∆P L ρp Do vậy, mật độ lớp hạt ước lượng sau: (1.6) ρ b = (1 − ε p ) ρ p + ε p ρ g , kg/m3 (1.7) ρ p : khối lượng riêng hạt (kg/m3); ρ g : khối lượng riêng khí (kg/m3);ug : vận tốc khí bề mặt (m/s); gp : khối lượng hạt tuần hoàn (kg/s); Hv: chiều cao theo phương thẳng đứng đo từ đáy ghi (m); H: chiều cao buồng đốt (m); ∆P / L = Chênh lệch áp suất đơn vị chiều dài (mmH2O/m) Nếu xác định giáng áp mật độ lớp hạt tính tốn biểu thức xấp xỉ sau [60]: 0.6 ρ b = 253,4 * ρ p [( ρ g * u g / g p ) * u g2 * e ( − 2,89*H / H ) ] (1.8) 1.1.2 Vận tốc sôi tối thiểu Vận tốc sôi tối thiểu (Umf) vận tốc mà hạt rắn bắt đầu trạng thái lơ lửng, xác định sau: V Đối với hạt nhỏ Đối với hạt lớn [38]: [38]: d (ρ − ρ )g ε φ d ( ρ − ρ )g U = U = ε φ , Re > 1000 (1 − ε ) , Re < 20 (1.13) 150µ (1.14) 1,75 ρ Các nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm khí động học lớp sơi cho thấy tốc độ chuyển động hạt lớp sôi chế độ sôi phụ thuộc chủ yếu vào yếu tố sau đây: i) đường kính hạt rắn; ii) tốc độ cấp khí / gió; iii) khối lượng hạt lớp; iv) kích thước lớp sơi Với ρ ( ρ − ρ ) gd Ar = số Archimet , biểu thức bán thực nghiệm xác định vận µ tốc sơi tối thiểu điều kiện vận hành, thí nghiệm có dạng: b U mf = kd a ( ρ p − ρ g ) ρ cp µ d ς e (1.15) Re mf = U mf d p ρ g = (C1 + C Ar ) 0.5 − C1 (1.3) p p mf g p mf p mf p mf mf p g mf p p mf g g p g p µ 1.1.2.Vận tốc tới hạn Vận tốc tới hạn (Ut) hạt vận tốc mà hạt bị theo dòng khí, trạng thái lực nâng hạt dòng khí hồn tồn thắng so với trọng lực hạt [87] Tùy thuộc vào điều kiện dòng khí-hạt (Re), hạt có dạng cầu, Ut xác định sau: d U ρ d U ρ Ar  Ar  = 0,4