Bài báo trình bày tổng quan tài liệu nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về nhiệt độ bắt cháy, nồng độ bột than hợp lý của than antraxit chất bốc thấp và than bitum chất bốc cao. Trên cơ sở kế thừa những nghiên cứu đã đạt được trong nghiên cứu thực nghiệm, xác định ảnh hưởng của hàm lượng chất bốc trong than trộn đến hiệu suất lò hơi tại NMNĐ Ninh Bình.
NLN * 127 - 1/2016 * NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG CHẤT BỐC TRONG THAN TRỘN ĐẾN HIỆU SUẤT LỊ HƠI TẠI NHÀ MÁY ĐIỆN NINH BÌNH STUDY IMPACT OF VOLATILE CONTENT OF BLENDED COAL ON BOILER EFFICIENCY AT NINH BINH THERMAL POWER PLANT Ths Nguyễn Chiến Thắng, TS Hoàng Tiến Dũng, PGS.TS Trần Gia Mỹ, TS Lê Đức Dũng Bài báo trình bày tổng quan tài liệu nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm nhiệt độ bắt cháy, nồng độ bột than hợp lý than antraxit chất bốc thấp than bitum chất bốc cao Trên sở kế thừa nghiên cứu đạt nghiên cứu thực nghiệm, xác định ảnh hưởng hàm lượng chất bốc than trộn đến hiệu suất lò NMNĐ Ninh Bình MỞ ĐẦU Than Antraxit Quảng Ninh dùng nhà máy điện chủ yếu than cám 4, 5, theo TCVN, cháy khói, hàm lượng bon (C) cao (trung bình 60%), chất bốc (VC) thấp (từ 3% đến 7%), lưu huỳnh (S) thấp (0,6%, lên đến 1,4 % than Vàng Danh), tro (A) cao (từ 25% đến 36%), khó bắt cháy Tổng số hàm lượng oxít silic oxít nhơm thành phần oxit tro lớn 80%, tro khó nóng chảy 1, 2, 3 Để than antraxit bắt lửa sớm ổn định cần: nâng cao nồng độ bột than dòng hỗn hợp gió cấp 1; chọn độ mịn bột than thích hợp; nâng cao nhiệt độ gió cấp nhiệt độ gió nóng; tăng cường hồi lưu khói nóng vào vùng bắt lửa bột than; đắp đai cháy cách nhiệt để tăng cường nhiệt xạ vùng bắt lửa; Tăng cường thời gian lưu dòng hỗn hợp vùng bắt lửa; lựa chọn tỉ lệ gió cấp 1/cấp tối ưu 1, 2, 3 Như vậy, chất bốc than antraxit thấp nên phải cần đến giải pháp phức tạp Chất bốc than có ảnh hưởng lớn đến trình cháy than Chất bốc nhiều than xốp, than dễ bắt lửa cháy kiệt Than Antraxit Việt Nam có chất bốc thấp nên khó bắt lửa đòi hỏi nhiệt độ bắt cháy cao Để than antraxit cháy sớm kiệt cần tăng chất bốc trộn than antraxit nội địa với than nhập có chất bốc cao nhiều lần Cũng xuất phát từ quan điểm này, Hội Khoa học Kỹ thuật Nhiệt Việt Nam đề xuất Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Nhà nước: “Nghiên cứu công nghệ đốt than trộn than khó cháy với than nhập dễ cháy nhằm nâng cao hiệu sử dụng nhiên liệu nhà máy nhiệt điện đốt than Việt Nam” Cùng với kết thu từ thí nghiệm đốt than trộn NMNĐ Ninh Bình thơng tin liên quan trình bày trước đây, báo chúng tơi tiếp tục trình bày kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm ảnh hưởng hàm lượng chất bốc than trộn đến hiệu suất lò NMNĐ Ninh Bình KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 2.1 Nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm trước Nhiệt độ bắt lửa 1, 2, 3 Hàm lượng chất bốc than ảnh hưởng lớn đến bắt lửa, chất bốc thấp nhiệt độ bắt lửa cao, lượng nhiệt yêu cầu để đạt tới trạng thái bắt lửa lớn Ngược lại, độ tro độ ẩm than cao nhiệt độ bắt lửa nhiệt lượng yêu cầu để đạt tới trạng thái bắt lửa lớn Nhiệt độ bắt lửa dòng bột than chủ yếu phụ thuộc vào chất bốc than, vào điều kiện gia nhiệt tản nhiệt dòng hỗn hợp đầu vòi phun buồng lửa Tại đầu vòi phun dòng hỗn hợp bột than bao bọc dòng gió cấp cấp gia nhiệt dòng NLN * 127 - 1/2016 * khói nóng có nhiệt độ cao hồi lưu Vì trình bắt lửa vừa cưỡng vừa tự nhiên Điều kiện tới hạn bắt lửa biểu thị hệ phương trình: Q1 = Q2 - Hệ số trao đổi chất (m/s) chọn sau: Nu Q1 Q T T d D d bt T 273 Trong đó: Nud - Tiêu chuẩn Nussel, để dễ tính tốn ta chọn Nud = Trong đó: Q1 - Nhiệt lượng hoá học Q2 - Nhiệt lượng toả Giả thiết nhiệt độ bột than trước bắt lửa không cao, phản ứng hóa học dòng trước bắt lửa nằm vùng động học Lúc nhiệt lượng hóa học sinh cháy bột than Q1 3: Do - Hệ số khuyếch tán phân tử, (m2/s) dbt - Đường kính hạt bột than, m Đưa Q1 Q2 vào hệ phương trình điều kiện tới hạn bắt lửa trên, tìm nhiệt độ tới hạn bắt lửa Tblv nhiệt độ môi trường môi chất cần thiết T để gia nhiệt cho n dòng hỗn hợp lượng nhiệt bắt lửa Qbl 273 O 1 o / Q1 Q lvt Đại lượng đặc trưng cho trình tự bắt lửa T K o exp E /( RT bl ) số hoạt tính T Đây nhiệt độ thời 15 (W/m2) điểm tốc độ tự gia nhiệt đạt 15oC/1giây Nhiệt lượng toả từ hạt bột than mơi trường Q2 trình nung mẫu bột than thí nghiệm điều kiện giàu ơxy Nếu số T15 cao có nghĩa hoạt tính 3: than thấp khó bắt lửa Khi than có 4 (W/m ) Q Tbl T a. Tbl T số T15 lớn 280 khó bắt lửa 3 Trong đó: Chỉ số hoạt tính phụ thuộc vào chất bốc Qtlv nhiệt trị bột than; n cấp phản ứng, lấy gần n = 1; a độ đen lửa; o số Boltzman, W/ (m2.oK4); đại lượng đặc trưng lượng tiêu hao than cháy với kg ơxy Than cốc, khơng có chất bốc có: = 0,375 kg (C)/ 1kg(O2); Bột than có chất bốc sau: Than Antraxit = 0,531, Than đá = 0,58, Than nâu = 1,13 than tính theo cơng thức sau 3: T15 = 229,7 - 0,01041 (VC - 27.5)3 Trong VC chất bốc than Chỉ số hoạt tính (RI) khái niệm mà Foster Wheeler đưa để đánh giá khả bắt cháy than RI thể nhiệt độ bắt đầu cháy mẫu than đặt thiết bị thí nghiệm tiêu chuẩn gia nhiệt dần lên Như vậy, RI tương đương với nhiệt độ bắt cháy mà lâu quen sử dụng Đồ thị mối quan hệ RI hàm lượng chất bốc mẫu cháy Foster Wheeler xác định hồn tồn phù hợp với cơng thức thực nghiệm 3 (xem hình 1) o - Khối lượng riêng Oxy (kg/m3) O2 - Nồng độ Oxy môi trường phản ứng (%) To - Nhiệt độ dòng hỗn hợp bột than gió nóng (oK) R - Hằng số chất khí (kJ/mol.oK) E - Năng lượng hoạt hóa bề mặt hạt than (kJ/mol) Ko - Hệ số va đập (m/s) - Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu bột than với dòng gió nóng (w/m2 oK) Hình 1: Đồ thị mối quan hệ nhiệt độ bắt lửa Tbl (T15, RI) hàm lượng chất bốc Vc NLN * 127 - 1/2016 * Chỉ số cháy bột than (FI) xác định lò nung thí nghiệm sau: Nhiệt độ lò nung nâng dần lên; Đưa ô xy bột than vào; Bột than cháy nhiệt độ nhiệt độ gọi FI Kết thí nghiệm Alsthom cho thấy, số FI bột than antraxit Việt Nam cao, dao động khoảng 625-800oC, trung bình FI =700oC Đối với thí nghiệm mơi trường có dòng khói nóng hồi lưu (lò thực), nhiệt độ bắt cháy bột than antraxit lên tới 1000oC với than nâu 550oC3 Nồng độ dòng bột than 1, 2, 3 Nâng cao nồng độ bột than đầu vòi phun làm giảm lượng nhiệt cần thiết để bắt lửa dòng bột than Tuy nhiên nồng độ bột than cao, không làm cho luợng ô xy đưa vào bị thiếu, ảnh hưởng đến cháy kiệt chất bốc mà ảnh hưởng đến nhiệt độ thân hạt bột than làm cho bắt lửa bị kéo lùi lại Như vậy, tồn giá trị nồng độ có lợi cho cháy ổn định bột than Hình vẽ trình bày mối quan hệ loại than nồng độ hỗn hợp có lợi nhất, than có chất bốc thấp bao nhiêu, đòi hỏi nồng độ bột than dòng cấp cao nhiêu 3 Sau biết nhiệt độ bắt lửa (bắt cháy) hạt bột than Tzh, tính lượng nhiệt cần thiết để bắt cháy kg bột than sau: Q zh C r V1C k Tzh T0 Than anthraxít Trong đó: Cr Ck nhiệt dung riêng hạt bột than gió cấp 1, V1 lượng gió cấp để cháy 1kg bột than T0 nhiệt độ ban đầu hỗn hợp gió cấp bột than Có thể thấy nồng độ bột than tăng lên, nghĩa lượng gió cấp giảm dẫn đến Qzh giảm, bột than dễ bắt lửa Nồng độ than khác lượng nhiệt cần thiết để bắt lửa than khác nhau, số liệu thí nghiệm xem bảng Bảng 1: Nhiệt lượng cần thiết để bắt cháy kg than bột (MJ/kg) Nồng độ (kg/kg) 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 4,0 5,0 Than Bitum 1,66 1,16 0,99 0,91 0,86 0,83 0,79 0,76 Than Anthraxít 2,15 1,44 1,21 1,09 1,02 0,97 0,94 0,92 Các giá trị thí nghiệm bảng giả thiết nhiệt độ bắt cháy than Bitum 500oC than Anthraxít 700oC Nồng độ bột than đầu vòi phun tăng làm tăng tốc độ phản ứng hoá học (phản ứng cháy) trước bột than bắt cháy Do luợng nhiệt phát phản ứng cháy tăng lên, điều thúc đẩy hạt bột than bắt cháy Nồng độ bột than đầu vòi phun tăng lên làm tăng độ đen lửa tăng lượng hấp thụ nhiệt xạ lửa Than Bituminous Hình 2: Trình bày mối quan hệ loại than nồng độ hỗn hợp có lợi Tốc độ gió cấp Lưu lượng gió cấp Nếu tỷ lệ gió cấp cao nhiệt lượng cần thiết để đạt tới trạng thái bắt lửa lớn Bởi than khó cháy cần chọn tỷ lệ gió cấp thấp Tuy nhiên lượng gió cấp cần phải đảm bảo yêu cầu cháy ổn định nên gió cấp khơng chọn q thấp Tỷ lệ gió cấp thơng thường chọn cho than bitum cao gấp đôi so với than antraxit Tốc độ gió cấp Nhiên liệu có nhiều chất bốc tốc độ dòng hỗn hợp- khơng khí khỏi vòi phun chọn lớn Khi than có chất bốc thấp thời gian cháy dài, chiều dài lửa lớn, chọn tốc độ dòng khỏi vòi phun lớn bột than cháy văng tới tường buồng lửa, gây nên đóng xỉ tường Tốc độ gió cấp khơng chọn q nhỏ dẫn đến phân ly than bột, mặt khác không chọn lớn dẫn đến kéo lùi bắt lửa xa miệng vòi phun Tốc độ gió cấp phụ thuộc vào loại nhiên liệu, cấu tạo, vị trí đặt vòi đốt buồng lửa Đối với vòi phun dẹt (như thiết kế thể lò NMĐ Ninh Bình), tốc độ khỏi vòi phun cấp NLN * 127 - 1/2016 * Tỷ lệ gió cấp cấp hai phải đảm bảo cho không làm lạnh trung tâm lửa, gây khó khăn cho phản ứng cháy, khơng kìm hãm phản ứng thiếu oxy Đối với nhiên liệu có nhiều chất bốc gió cấp nhiều với loại nhiên liệu chất bốc Với vòi phun có khả khuyếch tán lớn đưa gió cấp loại vòi phun có khả khuếch tán Xác định tỷ lệ tối ưu gió cấp cấp đưa vào lò việc khó khăn phụ thuộc vào nhiều yếu tố sau: Cơng suất lò hơi; Cấu tạo vòi phun (các kích thước hình học, góc mở , loại vòi dẹt hay tròn); Cách đặt vòi phun tường buồng lửa; Loại nhiên liệu tính chất hố học nó; u cầu cơng nghệ buồng lửa Theo nghiên cứu trước đây, nhiên nhiệu có hàm lượng chất bốc thấp, tỷ lệ gió cấp thấp gió cấp cao, sử dụng nhiên liệu có chất bốc cao hơn, tỷ lệ gió cấp tăng lên gió cấp giảm dần 1, 2, 3 2.2 Kết thí nghiệm nhà máy điện Ninh Bình Phương pháp thí nghiệm xử lý số liệu Phương pháp thí nghiệm, thiết bị đo xử lý số liệu tuân thủ theo Quy trình hướng dẫn hiệu chỉnh lò Công ty điện lực miền Bắc ban hành năm 1979 tham khảo tiêu chuẩn thí nghiệm lò Mỹ: ASME POWER TEST CODES Steam Generating Units PTC 4.1- 1964, có tham khảo : PTC 4-1998 PTC 4-2008 Nồng độ dòng bột than Kết nồng độ dòng bột than tối ưu trình thí nghiệm trình bày hình (hình 3) Nồng độ bột than tối ưu theo hàm lượng chất bốc Nhận xét: - Nồng độ bột than giảm dần tăng chất bốc đạt giá trị tối ưu tương ứng với chất bốc làm việc khoảng 11% - Nồng độ bột than giảm không điều chỉnh chống đóng xỉ buồng đốt 4 Tốc độ gió cấp Kết tốc độ gió cấp tối ưu q trình thí nghiệm trình bày hình (hình 4) Tốc độ gió cấp tối ưu theo hàm lượng chất bốc Tốc độ gió cấp tối ưu (m/s) 18-25 m/s với nhiên liệu than antraxit 22-27 m/s than gầy 3 Tỉ lệ tốc độ gió cấp 2/cấp 23 22 21 20 19 10 12 14 Hàm lượng chất bốc Vc(% ) Hình 4: Tốc độ gió cấp tối ưu phụ tải định mức Nhận xét: - Tốc độ gió cấp tối ưu tăng dần tăng hàm lượng chất bốc đạt giá trị ổn định khoảng 22 m/s - Lò thí nghiệm NMNĐ Ninh Bình có vòi phun UD cải tiến từ vòi phun dẹt Tốc độ gió cấp tối ưu phù hợp với nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm trước than antraxit tiệm cận với giá trị áp dụng cho than gầy - Tốc độ gió cấp tăng khơng điều chỉnh chống đóng xỉ buồng đốt 4 Tỉ lệ tốc độ gió cấp 2/cấp Kết ảnh hưởng tỉ lệ tốc độ gió cấp 2/cấp q trình thí nghiệm tương đồng 4 Đồ thị phản ánh thay đổi tỷ số tốc độ gió cấp 2/cấp theo hàm lượng chất bốc thể hình Nồng độ than/gió (kg/kg) 0.96 0.92 0.88 0.84 0.8 10 12 14 Hàm lượng chất bốc Vc(%) Hình 3: Nồng độ bột than phụ tải định mức NLN * 127 - 1/2016 * Hiệu suất lò phụ tải kinh tế theo hàm lượng chất bốc Tốc độ gió cấp 2/cấp tối ưu theo hàm lượng chất bốc 86 85.5 Hiệu suất lò hơi(%) Tỷ lệ tốc độ cấp 2/cấp 1.2 1.1 0.9 0.8 85 84.5 84 83.5 83 82.5 0.7 82 10 12 14 10 12 14 Hàm lượng chất bốc Vc(% ) Hàm lượng chất bốc Vc(% ) Hình 7: Hiệu suất lò theo hàm lượng chất bốc Hình 5: Sự thay đổi tỷ số gió cấp 2/cấp tối ưu theo hàm lượng chất bốc Nhận xét: Tỷ số tốc độ gió cấp 2/cấp tối ưu có xu hướng giảm khơng thay đổi rõ ràng chế độ thí nghiệm, điều lý giải than hàm lượng chất bốc cao hơn, bên cạnh tăng lên gió cấp 1, lượng khơng khí lý thuyết u cầu cao lượng gió cấp cao Đây hài hồ chế độ khí động dạng buồng đốt, kể nhiên liệu thay đổi Hiệu suất Hiệu suất thí nghiệm thay đổi hàm lượng chất bốc nhiên liệu thể qua hiệu suất cháy (chỉ tính đến tổn thất cháy khơng hết mặt hố học, học) hiệu suất lò (tính thêm tổn thất theo khói thốt, toả nhiệt mơi trường tổn thất nhiệt tro xỉ) Đồ thị phản ánh biến thiên hiệu suất cháy hiệu suất lò thí nghiệm theo hàm lượng chất bốc thể hình sau (hình & hình 7) Hiệu suất cháy phụ tải kinh tế theo hàm lượng chất bốc Hiệu suất cháy (%) 92 91.5 91 90.5 90 89.5 89 88.5 88 10 12 14 Hàm lượng chất bốc Vc(% ) Hình 6: Hiệu suất cháy theo hàm lượng chất bốc Nhận xét: Hiệu suất cháy hiệu suất lò tăng theo hàm lượng chất bốc đạt giá trị lớn giá trị hàm lượng chất bốc làm việc khoảng 11% So sánh với chế độ đốt hoàn toàn than antraxit (chất bốc 6%), hiệu suất cháy cao tăng 3% hiệu suất lò tăng 2% KẾT LUẬN Kết đạt Trong thí nghiệm lò thực tế, tăng hàm lượng chất bốc, nồng độ dòng bột than tối ưu giảm xuống; Tốc độ gió cấp (dòng bột than) tối ưu tăng lên; Tỷ lệ tốc độ gió cấp 2/cấp tối ưu giảm xuống không rõ ràng, hiệu suất cháy hiệu suất lò tăng lên Các thay đổi khơng hồn tồn tuyến tính mà tồn giá trị tối ưu (đạt giá trị chất bốc làm việc 11%), điều lý giải đặc tính lò sử dụng tiến hành thí nghiệm Đề xuất Trong khuôn khổ đề tài than trộn lần này, chưa có đủ điều kiện để thí nghiệm kiểm chứng nhiệt độ bắt cháy bột than theo hàm lượng chất bốc Cần xây dựng chương trình thí nghiệm để làm sáng tỏ vấn đề Hiệu suất cháy tăng nhiều hiệu suất lò hơi, để khai thác hết ưu điểm than trộn chất bốc cao, cần có cải tạo hệ thống trao đổi nhiệt sẵn có lò Có thể dùng thông số “hàm lượng chất bốc” để thay cho “tỷ lệ trộn than” nghiên cứu than trộn sau Các kết thể sử dụng tham khảo để phục vụ cho cơng tác thiết kế lò xác định đốt nhiên liệu than trộn sau ABSTRACT NLN * 127 - 1/2016 * This paper represents overview of theoritical and exprimental research on rational ignition temperature, coal density of anthracite and highvolatile bituminous coal Based on and inherits experimental results, impact of volatile content of blended coal on boiler eficiency at Ninh Binh thermal power plant is determined TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Ths Nguyễn Chiến Thắng Nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm phòng thí nghiệm để xác định yếu tố ảnh hưởng đến bốc cháy đốt bột than than antraxit nội địa Báo cáo chuyên đề nội dung số Đề tài nghiên cứu đốt than trộn NMNĐ đốt than, 2014 2 Viện Năng lượng (2012), Nghiên cứu nâng cao hiệu suất cháy than antraxit Việt Nam mơ hình ứng dụng nhà máy nhiệt điện đốt than, Đề tài cấp Bộ, Hà Nội 3 Viện Năng lượng (2005), Nghiên cứu, thiết kế hệ thống chế biến than phù hợp với than Antraxit Việt Nam, Hà Nội 4 Ths Nguyễn Chiến Thắng, PGS.TS Trương Duy Nghĩa, TS Hoàng Tiến Dũng, PGS.TS Trần Gia Mỹ, TS Lê Đức Dũng Sự thay đổi yếu tố ảnh hưởng đến q trình cháy lò từ thí nghiệm đốt than trộn than Antraxit nội địa than Á bi tum nhập nhà máy điện Ninh Bình Tạp chí Năng lượng Nhiệt số 124 – 7/2015 ... 12 14 Hàm lượng chất bốc Vc(% ) Hình 6: Hiệu suất cháy theo hàm lượng chất bốc Nhận xét: Hiệu suất cháy hiệu suất lò tăng theo hàm lượng chất bốc đạt giá trị lớn giá trị hàm lượng chất bốc làm... 14 10 12 14 Hàm lượng chất bốc Vc(% ) Hàm lượng chất bốc Vc(% ) Hình 7: Hiệu suất lò theo hàm lượng chất bốc Hình 5: Sự thay đổi tỷ số gió cấp 2/cấp tối ưu theo hàm lượng chất bốc Nhận xét: Tỷ... phản ánh biến thiên hiệu suất cháy hiệu suất lò thí nghiệm theo hàm lượng chất bốc thể hình sau (hình & hình 7) Hiệu suất cháy phụ tải kinh tế theo hàm lượng chất bốc Hiệu suất cháy (%) 92 91.5