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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN MINH TIẾN NGHIÊN CỨU KHÍ ĐỘNG, TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ VỊNG ĐỜI CỦA CƠNG NGHỆ LỚP SƠI TUẦN HỒN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT HÀi NỘI-2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN MINH TIẾN NGHIÊN CỨU KHÍ ĐỘNG, TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ VỊNG ĐỜI CỦA CƠNG NGHỆ LỚP SƠI TUẦN HỒN Ngành: Kỹ thuật nhiệt Mã số: 9520115 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHẠM HỒNG LƯƠNG HÀ i NỘI-2018 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu trích dẫn có nguồn gốc Các kết trình bày luận án trung thực chưa tác giả công bố cơng trình Hà Nội, ngày 04 tháng năm 2018 Tác giả luận án Giáo viên hướng dẫn PGS.TS.PHẠM HOÀNG LƯƠNG NGUYỄN MINH TIẾN i LỜI CẢM ƠN Với tất kính trọng biết ơn sâu sắc nhất, tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Phạm Hoàng Lương tận tình bảo động viên suốt trình nghiên cứu viết luận án để tác giả hồn thành luận án Tác giả xin trân trọng cảm ơn cảm ơn tập thể Thầy giáo Phịng nghiên cứu lượng bền vững, Viện Tiên tiến khoa học công nghệ, Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt-Lạnh, Viện Đào tạo sau đại học Trường đại học Bách Khoa Hà Nội tận tình góp ý giúp đỡ tác giả trình thực luận án Tác giả xin trân trọng cảm ơn Viện Tiên tiến khoa học công nghệ, Chương trình giáo sư UNESCO (Đại học Bách khoa Hà Nội) hỗ trợ tài việc cải tạo mơ hình buồng đốt lớp sơi tuần hồn có Viện Khoa học Cơng nghệ Nhiệt-Lạnh, cán kỹ thuật Công ty nhiệt điện Na Dương, Cao Ngạn, ng Bí cung cấp số liệu thông tin trạng khai thác vận hành lị lớp sơi tuần hồn (CFB), lị than phun (PF) công ty Cuối Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới gia đình bạn bè động viên, giúp đỡ tác giả suốt thời gian nghiên cứu, thực luận án ii 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 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu đề tài .2 Phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Điểm luận án Bố cục luận án CHƯƠNG 1-TỔNG QUAN VỀ KHÍ ĐỘNG HỌC, TRAO ĐỔI NHIỆT TRONG LỚP SƠI TUẦN HỒN VÀ ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH VỊNG ĐỜI ĐỂ SO SÁNH CƠNG NGHỆ 1.1 Khí động học lớp sơi tuần hoàn 1.1.1 Các trạng thái tương tác khí-hạt 1.1.2 Cơ chế lớp sôi 1.1.2.1 Lớp chặt 1.1.2.2 Lớp sôi nhanh 1.1.2.3 Phân bố giáng áp độ rỗng buồng đốt lớp sôi nhanh 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 tốc độ tuần hoàn hạt buồng đốt .14 1.2.1 Nghiên cứu thực nghiệm Phạm Hoàng Lương cộng 14 1.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm Sung Won Kim cộng .14 1.2.3 Nghiên cứu thực nghiệm Myung Won Seo cộng .15 1.2.4 Nghiên cứu thực nghiệm Tzeng Lim cộng 16 1.2.5 Nghiên cứu thực nghiệm Kalita cộng 17 1.2.6 Nghiên cứu thực nghiệm Jong Hun Lim cộng 18 1.2.7 Nghiên cứu thực nghiệm N Chovichien cộng 19 1.2.8 Nghiên cứu thực nghiệm Tatjana cộng 20 1.2.9 Đánh giá nghiên cứu mơ hình lý thuyết mơ hình thực nghiệm xác định tốc độ tuần hồn hạt lớp sơi tuần hoàn .23 1.3 Truyền nhiệt lớp sơi tuần hồn 24 1.3.1 Ngun lý truyền nhiệt lớp sơi tuần hồn .24 1.3.2 Cơ chế truyền nhiệt lớp sơi tuần hồn 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 Mơ hình lý thuyết truyền nhiệt từ lớp tới vách 32 1.4.1 Thành phần đối lưu hạt (Kcp) 33 1.4.2 Thành phần đối lưu pha phân tán (Kcd) 38 1.4.3 Thành phần xạ (Kr) 39 1.5 Các nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách lớp sôi tuần hoàn 40 1.5.1 Nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách Gupta Nag .40 iii 1.5.2 Nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách Kalita cộng 42 1.5.3 Nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách Pagliuso cộng .42 1.5.4 Nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách Afsin Gungor cộng 44 1.5.5 Nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách Koksal cộng 45 1.5.6 Nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách Nirmal cộng 46 1.5.7 Đánh giá nghiên cứu mơ hình lý thuyết mơ hình thực nghiệm trao đổi nhiệt buồng đốt lớp sơi tuần hồn 51 1.6 Vịng đời ứng dụng phân tích vịng đời để so sánh công nghệ lượng .52 1.6.1 Các khái niệm Vòng đời 52 1.6.2 Ứng dụng phân tích Vịng đời để so sánh cơng nghệ lượng 52 CHƯƠNG 2-NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHÍ ĐỘNG HỌC VÀ TRAO ĐỔI NHIỆT TRONG LỚP SÔI TUẦN HOÀN 55 2.1 Hệ thống thí nghiệm 55 2.1.1 Ngun lý cấu tạo, hoạt động mơ hình .55 2.1.2 Xác định biến hàm mục tiêu, lựa chọn thông số vận hành mơ hình .62 2.1.3 Các điều kiện hạn chế thí nghiệm mơ hình .63 2.1.4 Đánh giá độ tin cậy mơ hình thiết bị thí nghiệm .64 2.2 Nghiên cứu thực nghiệm khí động học lớp sơi tuần hồn 64 2.2.1 Mơ hình xác định tốc độ tuần hồn hạt buồng đốt lớp sơi tuần hồn 64 2.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm xác định tốc độ tuần hồn hạt buồng đốt lớp sơi tuần hồn 65 2.2.2.1 Quá trình thí nghiệm 66 2.2.2.2 Phương pháp thu thập xử lý số liệu 67 2.2.2.3 Kết thí nghiệm đánh giá .69 2.2.2.4 Kết luận nghiên cứu thực nghiệm khí động học lớp sơi tuần hồn .85 2.3 Nghiên cứu thực nghiệm truyền nhiệt lớp sôi tuần hoàn 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 xử lý số liệu 86 2.3.1.3 Kết thí nghiệm đánh giá .89 2.3.1.4 Kết luận nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách buồng đốt lớp sơi tuần hồn 109 CHƯƠNG 3-NGHIÊN CỨU VỊNG ĐỜI CỦA CƠNG NGHỆ LỚP SƠI TUẦN HỒN 111 3.1 Các khái niệm vòng đời 111 3.1.1 Vòng đời 111 3.1.2 Khái niệm đường biên vòng đời 111 3.2 Các bước thực đánh giá vòng đời 112 3.2.1 Kiểm kê nguồn 112 3.2.2 Phân tích tác động mơi trường 113 3.2.3 Phân tích đề xuất hội cải thiện, tăng hiệu suất sử dụng lượng, giảm ô nhiễm môi trường 114 3.3 Các phương pháp so sánh công nghệ lượng 114 3.3.1 So sánh dựa hiển thị/chỉ số 114 3.3.2 So sánh dựa cách tiếp cận hệ thống 115 3.3.3 So sánh dựa 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 tốn chi phí sản xuất điện 117 iv 3.4.3 Chi phí biên giảm phát thải khí nhà kính 118 3.4.4 Hệ số phát thải CO2 khâu trình sản xuất điện 119 3.4.4.1 Tính tốn hệ số phát thải vòng đời CO2 119 3.4.4.2 Hệ số phát thải CO2 khâu khai thác than 119 3.4.4.3 Hệ số phát thải CO2 khâu vận chuyển than 120 3.4.4.4 Hệ số phát thải khí CO2 khâu sản xuất điện 120 3.5 So sánh công nghệ đốt than nhà máy nhiệt điện ng Bí Na Dương 121 3.5.1 Đặc tính cơng nghệ hai nhà máy 121 3.5.1.1 Đặc tính cơng nghệ nhà máy nhiệt điện ng Bí sử dụng cơng nghệ đốt than phun (Pulverized Fuel, PF)[1]: 121 3.5.1.2 Đặc tính cơng nghệ nhà máy nhiệt điện Na Dương sử dụng công nghệ đốt lớp sơi tuần hồn (Circulation fluidized bed, CFB)[ 3, 5, 15]: 127 3.5.2 Lựa chọn thông số đầu vào hai nhà máy 133 3.5.3 Kết tính tốn phương án 135 3.5.4 Đánh giá 136 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 lớp sơi tuần hồn 139 4.1.2 Trao đổi nhiệt lớp sơi tuần hồn 140 4.1.3 Sử dụng công nghệ lớp sơi tuần hồn để sản xuất điện 142 4.1.4 Ý nghĩa thực tiễn luận án 142 4.2 Đề xuất 143 4.2.1 Khí động học lớp sơi tuần hoàn 143 4.2.2 Trao đổi nhiệt lớp sôi tuần hoàn 143 4.2.3 Sử dụng vịng đời để so sánh cơng nghệ lượng 143 TÀI LIỆU THAM KHẢO 144 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 150 PHỤ LỤC v DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TT 10 11 12 13 14 15 Ký hiệu A AR AD Ab Ahtp B Ccp Cg ch Cp cv Cvs CD Cl Cpp 16 Ct 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 D Db DD DLV DLV,h Dbmax dpt dp dpi dt eb ed eg ep ecp ew ewall ewt f 36 37 fc fcp 38 fg Ký hiệu đại lượng (theo chữ Latinh) Tên đại lượng Thứ nguyên Diện tích mặt cắt ngang lớp hạt [m2] Diện tích mặt cắt ngang ống lên [m2] Diện tích mặt cắt ngang ống xuống [m2] Diện tích vách nhận xạ [m2] Diện tích mặt cắt ngang thiết bị đo thăm dị truyền nhiệt [m2] Thơng số phương trình (1.47) [-] Nhiệt dung riêng cụm hạt (cp: cluster of particle) [kJ/kg.K] Nhiệt dung riêng khí (g: gas) [kJ/kg.K] Hệ số hiệu chuẩn phương trình (1.63) [-] Nhiệt dung riêng hạt (p: particle) [kJ/kg.K] Nồng độ thể tích hạt trung bình [-] Nồng độ thể tích hạt trung bình mặt cắt ngang [-] Hệ số nâng, phương trình (1.17) [-] Hệ số điều chỉnh chiều dài ống [-] Hệ số hiệu chỉnh phản ánh tham dự hạt [-] pha phân tán Hệ số hiệu chỉnh khác biệt nhiệt độ vách [-] mơi trường Đường kính buồng đốt/ống lên [m] Đường kính bọt [m] Đường kính ống nhựa Acrylic [m] Đường kính van L [m] Đường kính van L (theo phương ngang van L) [m] Kích thước cực đại bọt khí [m] Đường kính hạt thơ [m] Đường kính hạt (p: particle) [m] Đường kính hạt có tỷ phần xi [m] Đường kính ống [m] Độ đen lớp (b: bed) [-] Độ đen pha phân tán (d: dilute phase) [-] Độ đen khí (g: gas) [-] Độ đen hạt (p: particle) [-] Độ đen cụm hạt (cp: cluster of particle) [-] Độ đen vách [-] Độ đen bề mặt trao đổi nhiệt [-] Độ đen vật liệu vách [-] Tỷ phần trung bình diện tích theo thời gian vách [-] bao phủ hạt Tỷ phần hạt cụm hạt [-] Tỷ số vách bao phủ cụm hạt hàm số độ [-] rỗng trung bình mặt cắt ngang lớp sơi Phần diện tích bao phủ khí [-] 39 fp Tỷ phần thể tích hạt lớp vi [-] 40 41 42 43 44 45 47 48 49 50 51 52 53 fs F FD g gc Gd G0 gp Gp GR Gu K KAR 54 Kgpb 55 Kccp 56 57 Kcb Kdcp 58 59 Kc Krcp 60 Kcd 61 62 Kp Krd 63 64 65 66 67 Kcg Kgpp Kcp Kr Kw 68 Kx 69 70 71 H HTG Hv 72 73 74 75 76 77 78 I Kt l L La Lb Lc Phần diện tích bao phủ hạt Tỷ số độ lớn hạt pha loãng Lực nâng hạt Gia tốc trọng trường Hệ số chuyển đổi Dịng khối lượng hạt di chuyển xuống Lưu lượng gió sơ cấp Khối lượng hạt tuần hoàn Tốc độ tuần hồn hạt Lưu lượng gió tuần hồn hạt Dịng khối lượng hạt di chuyển lên Hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách Hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách dọc theo chiều cao ống lên Hệ số truyền nhiệt khí hạt cho tồn lớp (gpb: gas to particle of bed) Hệ số truyền nhiệt đối lưu cụm hạt (ccp: cluster of particle convective) Hệ số trao đổi nhiệt cục từ lớp tới vách Hệ số trao đổi nhiệt dẫn nhiệt cụm hạt (dcp: cluster of particle conductive) Hệ số truyền nhiệt đối lưu (c: convective) Hệ số truyền nhiệt xạ cụm hạt (rcp: radial of particle cluster) Hệ số truyền nhiệt đối lưu pha phân tán (cd: convective of dilute phase) Hệ số trao đổi nhiệt tương ứng với đường kính hạt dp Hệ số truyền nhiệt xạ pha phân tán (rd: Radial of dilute phase) Hệ số truyền nhiệt đối lưu khí (cg: convective of gas) Hệ số truyền nhiệt khí-hạt hạt đơn (gas-particle) Hệ số truyền nhiệt đối lưu hạt (cp: convective of particle) Hệ số truyền nhiệt xạ (r: radial) Hệ số truyền nhiệt dẫn nhiệt qua lớp khí cụm hạt vách Hệ số truyền nhiệt tính tốn độ cao x từ đỉnh lớp Chiều cao ống lên (buồng đốt) tính từ mặt ghi Chiều cao phía ghi phân phối Chiều cao lớp theo phương thẳng đứng đo từ mặt ghi Cường độ dịng điện Hệ số xác phương trình (1.21) (1.22) Chiều cao thiết bị đo truyền nhiệt Chiều cao lớp Chiều cao đo hạt tuần hồn Chiều dài tia trung bình Chiều dài di chuyển tiêu biểu cụm hạt vách vii [-] [-] [N] [m/s2] =1(kg.m/N.s2) [kg/m2.s] [m3/s] [kg/s] [kg/m2.s] [m3/s] [kg/m2.s] [W/m2.K] [W/m2.K] [W/m2.K] [W/m2.K] [W/m2.K ] [W/m2.K] [W/m2.K] [W/m2.K] [W/m2.K] [W/m2.K] [W/m2.K] [W/m2.K] [W/m2.K] [W/m2.K] [W/m2.K] [W/m2.K] [W/m2.K] [m] [m] [m] [A] [-] [m] [m] [m] [m] [m] 79 LD 80 81 82 83 84 LLV,h Lmf ma mp  PL 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 q qbw r r1, r2 R Ra Rcp Rw tcp Tb Tf Tw Twall U 99 100 Ucp Uch 101 102 Ucl Upt 103 UE 104 Ug, ug 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 Chiều dài đoạn ống sử dụng để đo thời gian rơi hạt Chiều dài theo thương ngang van L Chiều cao lớp vận tốc sơi tối thiểu Dịng khối lượng hạt qua mặt ghi phân phối Khối lượng hạt Giáng áp van L (theo phương ngang van) Dòng nhiệt Mật độ dòng nhiệt truyền từ lớp tới bề mặt vách Khoảng cách bán kính từ trục buồng đốt Khoảng cách từ cặp nhiệt đến tâm ống Bán kính hay nửa chiều rộng buồng đốt Tốc độ mài mòn hạt Nhiệt trở dẫn nhiệt cụm hạt Nhiệt trở tiếp xúc cụm hạt vách Thời gian cư trú cụm hạt vách Nhiệt độ lớp Nhiệt độ buồng đốt Nhiệt độ bề mặt vách Nhiệt độ bề mặt trao đổi nhiệt Vận tốc khí bề mặt, xác định tốc độ dịng khí mặt cắt ngang qua lớp Vận tốc cụm hạt (cp: Cluster of particle) Vận tốc chèn (ch: Chocking – Chèn) vận tốc mà lớp cố định bắt đầu chuyển sang lớp sơi nhanh Vận tốc trung bình cụm hạt vách [m] [m] [m] [kg/s] [kg] [Pa] [W] [W/m2] [m] [m] [m] [kg/s] [m2.K/W] [m2.K/W] [s] [K] [K] [K] [K] [m/s] [m/s] [m/s] [m/s] [m/s] Umf UO,LV Ut V Ve Vem Vm Vp Vt W Vận tốc hạt thơ vận tốc hạt thơ có đường kính dcp lớp hạt có đường kính trung bình dp Tốc độ cấp nước vào ống lên ứng với giá trị đại độ rỗng lớp hạt  =1 (nghĩa khơng có hạt rắn ống lên) Vận tốc dịng khí bề mặt tương ứng với tổng tốc độ dịng khí Vận tốc sơi tối thiểu Vận tốc khí bề mặt van L Vận tốc tới hạn hạt Thể tích lớp Điện áp Điện áp đo từ đồng hồ Vận tốc rơi cực đại cụm hạt vách Vận tốc rơi trung bình hạt ống xuống Vận tốc tới hạn lớp hạt trung bình Tổng khối lượng lớp hạt [m/s] [m/s] [m/s] [m3] [V] [mV] [m/s] [m/s] [m/s] [kg] Wb WD WF x Khối lượng hạt Khối lượng hạt rút từ đoạn ống đo Khối lượng hạt buồng lửa Khoảng cách cụm tính từ bề mặt cánh [kg] [kg] [kg] [m] viii [m/s] [m/s] ... Các nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách lớp sơi tuần hồn 40 1.5.1 Nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách Gupta Nag .40 iii 1.5.2 Nghiên cứu thực nghiệm trao đổi. .. luận nghiên cứu thực nghiệm khí động học lớp sơi tuần hoàn .85 2.3 Nghiên cứu thực nghiệm truyền nhiệt lớp sơi tuần hồn tác giả 86 2.3.1 Nghiên cứu thực nghiệm xác định hệ số trao đổi nhiệt. .. thuộc vào thông số vận hành lớp sôi  Các nghiên cứu thực nghiệm khí động học lớp sơi tuần hoàn tập trung chủ yếu vào việc xác định tốc độ tuần hoàn hạt  Các nghiên cứu tốc độ tuần hồn hạt lớp