Nghiên cứu giảm thiểu khí phát thải nox trong lò hơi ngọn lửa hình chữ w

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN THANH HÙNG NGHIÊN CỨU GIẢM THIỂU KHÍ PHÁT THẢI NOX TRONG LỊ HƠI NGỌN LỬA HÌNH CHỮ W LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Hà Nội, 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN THANH HÙNG NGHIÊN CỨU GIẢM THIỂU KHÍ PHÁT THẢI NOX TRONG LỊ HƠI NGỌN LỬA HÌNH CHỮ W Chuyên ngành Kỹ thuật nhiệt Mã số 15BKTN-TB-12 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ ĐỨC DŨNG Hà Nội, 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu, tính tốn thiết kế dƣới hƣớng dẫn thầy giáo TS Lê Đức Dũng Để hoàn thành luận văn sử dụng tài liệu tham khảo Các kết nghiên cứu luận văn hoàn toàn trung thực chƣa cơng bố cơng trình Hà Nội, ngày 05 tháng 11 năm 2018 Học viên Nguyễn Thanh Hùng i LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ với đề tài: “Nghiên cứu giảm thiểu khí phát thải NOx lị lửa hình chữ W” đƣợc hoàn thành thời gian từ tháng 02 năm 2017 đến tháng…năm 2018 Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt Lạnh, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Tác giả xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt - Lạnh, đặc biệt giáo viên hƣớng dẫn TS Lê Đức Dũng, Thầy giáo, Cô giáo Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt - Lạnh tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tơi suốt trình thực luận văn Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến gia đình ngƣời thân khuyến khích, động viên chỗ dựa tinh thần cho tác giả trình nghiên cứu hồn thành luận văn Hà Nội, ngày 05 tháng 11 năm 2018 Tác giả Nguyên Thanh Hùng ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VI DANH MỤC CÁC BẢNG IX DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT X MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU: .3 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA VIỆC XỬ LÝ NOX: Nhiệt điện đốt than Việt Nam: Lượng khí NOx thải hàng năm: Các tác hại NOx: 1.1.3.1 Ảnh hƣởng NOx đến môi trƣờng [6]: 1.1.3.2 Ảnh hƣởng NOx đến sức khỏe ngƣời [6]: Yêu cầu môi trường: 1.2 THỰC TRẠNG CỦA VIỆC XỬ LÝ NOX: 1.2.1 Lò đốt than phun (Pulverized Coal - PC): 10 1.2.2 Hệ thống khử NOx nhà máy nhiệt điện hiệu quả: 12 1.2.3.2 Tính tốn lượng phát thải NOx đốt cháy than: 16 1.2.3.3 Đánh giá kết tính toán thu được: .18 KẾT LUẬN 19 CHƢƠNG 2: CƠ CHẾ HÌNH THÀNH NOX TRONG LÒ HƠI ĐỐT THAN PHUN NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 20 2.1 CƠ CHẾ HÌNH THÀNH NOX: 20 2.1.1 Cơ chế hình thành NOx theo nguyên lý phân hủy nhiệt: .22 2.1.2 Cơ chế hình thành NOx nhiên liệu: .23 2.1.2.2 Lộ trình chủ yếu NH3 N chất bốc bị oxy hóa: 25 2.1.2.3 Dưới nhiệt độ cháy thông thường, NOx nhiên liệu chủ yếu từ N chất bốc: 26 2.1.2.4 Phân hủy NOx: 26 2.1.3 Cơ chế hình thành NOx theo nguyên lý phản ứng tức thời: 27 iii Khống chế hình thành NOx đốt than: 27 ẢNH HƢỞNG CỦA PHƢƠNG PHÁP ĐỐT ĐỐI VỚI SỰ PHÁT THẢI NOX: .28 2.1.4 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU NOX TRONG CÁC NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN 31 3.1 THAY ĐỔI ĐIỀU KIỆN CHÁY: .31 3.1.1 ĐỐT HỆ SỐ KHƠNG KHÍ THỪA THẤP: 31 3.1.2 Đốt phân cấp không khí: .32 3.1.3 Đốt phân cấp nhiên liệu: 33 3.1.4 Tái tuần hồn khói: .34 3.1.5 Vịi phun bột than có nồng độ NOx thấp: 35 A VÒI PHUN ĐỐT NOX THẤP KIỂU DRB CỦA CÔNG TY MỸ B&W (BABCOCK &WILCOX): 36 B VÒI PHUN ĐỐT NOX THẤP KIỂU HT-NR CỦA BABCOCK – HITACHI: .37 C VỊI PHUN ÍT NOX PHÂN CẤP NHIÊN LIỆU ĐỂ CHÁY: 38 D VÒI PHUN KIỂU MSM CỦA HÃNG STEINMULLER: 38 E VỊI PHUN ÍT NOX KIỂU PM VÀ DM CỦA HÃNG MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES: 39 F VÒI PHUN CỦA NMNĐ THÁI BÌNH 2: 40 3.1.6 Giảm NOx URE lò đốt (SNCR): .42 3.2 XỬ LÝ NOX SAU KHI CHÁY: 43 3.2.1 Hấp thụ nước: 43 3.2.2 Hấp thụ kiềm: .43 3.2.3 Hấp thụ chọn lọc: 44 3.2.4 Phương pháp hấp thụ đồng thời SO2 NOx: .44 3.2.5 Phương pháp xúc tác nhiệt: .44 3.2.6 Phương pháp có xúc tác nhiệt độ cao: 44 3.2.7 Phương pháp xúc tác có chọn lọc: 45 3.2.8 Phương pháp thiêu hủy: 46 4.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CFD: 49 4.1.1 Mơ hình cháy hạt than phần mềm ANSYS Fluent: 50 4.1.1.1 Mơ hình dịng chảy rối: .52 4.1.1.2 Mơ hình xạ: .53 4.1.1.3 Mơ hình cháy bột than: .54 4.1.1.4 Mơ hình hình thành NOx: 56 4.2 XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG Q TRÌNH CHÁY BỘT THAN VÀ SỰ HÌNH THÀNH NOX TRÊN PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ANSYS FLUENT: 63 4.2.1 Xây dựng mơ hình buồng đốt 3D: .63 4.2.2 Điều kiện biên đầu vào mơ hình: 65 4.2.3 Thiết lập mơ hình tính tốn: .67 4.2.4 Quy trình chạy tốn mô phỏng: 70 iv 4.3.1 Sự hình thành NOx cho than Hịn Gai: 71 4.3.1.1 Sự hình thành NO theo chế: 74 4.3.2 Ảnh hưởng tỷ lệ trộn đến hình thành NO: .84 KẾT LUẬN 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 94 v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ bố trí hệ thống xử lý khói thải lị PC 11 Hình 1.2: sơ đồ nguyên lý hệ thống khử NOx NMNĐ Vũng Áng 14 Hình 1.3: Hệ số hoạt động chất xúc tác theo thời gian .18 Hình 2.1: Quan hệ lƣợng NOx thải với phƣơng thức đốt 21 sản lƣợng lò [4] 21 Hình 2.2 Tƣơng quan lƣợng NOx sinh từ chế theo nhiệt độ [4] 22 Hình 2.3: Biểu thị trình phân hủy N nhiên liệu thành 23 N chất bốc N cốc [4] 23 Hình 2.4: Ảnh hƣởng nhiệt độ đến tỷ lệ chuyển hóa Nitơ [4] 24 Hình 2.5: Lộ trình chủ yếu phản ứng oxy hóa HCN[4] 25 Hình 2.6: Lộ trình chủ yếu phản ứng oxy hóa NH3[4] 25 Hình 2.7: Biểu thị lộ trình phản ứng phân hủy NOx [4] 26 Hình 2.8 Biểu đồ chế hình thành NOx .28 Hình 2.9: Giá trị NOx phát thải ban đầu với mức độ cần giảm NOx để đạt tiêu chuẩn bảo vệ môi trƣờng 29 Hình 3.1: Quan hệ tỷ lệ hệ số khơng khí thừa với hàm lƣợng than tro bay NOx khói .32 Hình 3.2: Sơ đồ bố trí miệng vịi phun OFA buồng lửa đặt vòi than tƣờng trƣớc 33 Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý đốt phân cấp nhiên liệu 34 Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống tái tuần hồn khói .35 Hình 3.5 Ngun lý vịi phun phân cấp gió .36 Hình 3.6: Vòi phun kiểu DRB (Mỹ) 37 Hình 3.7: Vịi phun kiểu MSM hãng Steinmuller 39 Hình 3.8: Vịi phun kiểu PM .40 Hình 3.9: Vịi phun BCWC dùng cho NMNĐ Thái Bình .40 Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý bố trí vịi phun mặt cắt ngang buồng lửa 42 Hình 3.11: Nguyên lý khử NOx URE lị đốt 43 Hình 4.1 Định nghĩa CFD 49 Hình 4.2 Ba hƣớng nghiên cứu học chất lƣu 50 Hình 4.3 Cơ chế tất N cốc chuyển thành HCN 60 Hình 3.4 Cơ chế tất N cốc chuyển thành NO 60 Hình 4.5 Tất N cốc chuyển hóa thành NH3 61 Hình 4.6 Cơ chế tất N cốc chuyển thành NO 62 Hình 4.7 Mơ hình 3D buồng đốt lò .64 Hình 4.8: Giao diện thiết lập mơ hình pha phân tán phần mềm ANSYS FLUENT .68 Hình 4.9: Giao diện thiết lập mơ hình rối phần mềm ANSYS FLUENT 69 vi Hình 3.10: Giao diện thiết lập mơ hình xạ phần mềm ANSYS FLUENT 69 Hình 4.11: Giao diện thiết lậpcủa mơ hình cháy than trộn phần mềm ANSYS FLUENT .70 Hình 4.12 Sự phân bố nồng độ NO theo tỷ lệ mol 71 Hình 4.13 Sự phân bố nhiệt độ mặt cắt dọc theo chiều cao buồng đốt 72 Hình 4.14 Sự phân bố nồng độ O2 theo khối lƣợng mặt cắt dọc theo chiều cao buồng đốt 72 Hình 4.15 Phân bố tốc độ hình thành NO mặt cắt dọc theo chiều cao buồng đốt (kgmol.m-3.s-1) 73 Hình 4.16 Sự hình NO theo chế mặt cắt dọc theo chiều cao buồng đốt (kgmol.m-3.s-1) .74 Hình 4.17 Sự hình thành NO theo chế mặt cắt ngang qua cụm vịi lỗng (kgmol.m-3.s-1) 75 Hình 4.18 Sự hình thành HCN(a) NH3(b) mặt cắt theo chiều cao buồng đốt 76 Hình 4.19 Sự hình thành HCN(a) NH3(b) mặt cắt ngang qua cụm .76 vịi lỗng 76 Hình 4.20 Vùng hoàn nguyên NO nhiên liệu 77 Hình 4.21 Cơ chế hình thành/hồn nguyên NO nhiên liệu 78 lửa than phun 78 Hình 4.22 Tốc độ cháy char mặt cắt dọc theo chiều cao buồng đốt 79 Hình 4.23 Sự phân bố nhiệt độ mặt cắt ngang qua cụm vịi lỗng 80 Hình 4.24 Sự phân bố nồng độ O2 mặt cắt ngang qua cụm vịi lỗng 80 Hình 4.25 Sự phân bố tốc độ cháy char mặt cắt ngang qua cụm vịi lỗng 81 Hình 4.26 Sự thay đổi tốc độ hình thành NO nhiệt đƣờng AB 81 Hình 4.27 Sự thay đổi tốc độ hình thành NO nhiên liệu đƣờng AB .82 Hình 4.28 Sự thay đổi tốc độ hình thành NO tổng đƣờng AB 82 Hình 4.29 Sự thay đổi tốc độ chất bốc đƣờng AB 82 Hình 4.30 Sự thay đổi tốc độ cháy char đƣờng AB 83 Hình 4.31 Sự thay đổi nồng độ O2 đƣờng AB theo khối lƣợng 83 Hình 4.32 Sự thay đổi nhiệt độ đƣờng AB .83 Hình 4.33 Sự phân bố nồng độ NO mặt cắt dọc cho trƣờng hợp trộn khác 84 Hình 4.34 Sự phân bố nồng độ mặt buồng đốt .85 Hình 4.35 Sự phân bố nhiệt độ mặt cắt dọc cho trƣợng hợp trộn 85 khác 85 Hình 4.36 Sự phân bố nồng độ O2 mặt cắt dọc cho trƣợng hợp trộn khác 86 vii Hình 4.37 Vùng hình thành NO nhiên liệu mặt cắt dọc cho trƣờng hợp trộn (kgmol.m-3.s-1) .88 Hình 4.38 Vùng hồn nguyên NO nhiên liệu mặt cắt dọc cho trƣờng hợp trộn (kgmol.m-3.s-1) 89 Hình 4.39 Vùng hình thành NO nhiên liệu mặt cắt ngang cho trƣờng hợp trộn (kgmol.m-3.s-1) 89 Hình 4.40 Vùng hoàn nguyên NO nhiên liệu mặt cắt ngang cho trƣờng hợp trộn (kgmol.m-3.s-1) 90 Hình 4.41 Tốc độ thoát chất bốc trƣờng hợp trộn khác 90 Hình 4.42 Sự hình thành NO nhiệt trƣờng hợp trộn khác (kgmol.m3.s-1) 91 viii Hình 4.25 Sự phân bố tốc độ cháy char mặt cắt ngang qua cụm vịi lỗng 4.3.1.1.3 Mối quan hệ hình thành NO trình cháy: Từ kết phân tích trên, ta nhận thấy hình thành NO buồng đốt lị phụ thuộc nhiều vào q trình cháy nhƣ q trình chất bốc, cháy char nhƣ nhiệt độ phân bố nồng độ chất (O 2) Những chất trung gian hình thành NOx nhƣ HCN/NH3 nguồn NO từ char phụ thuộc nhiều vào tốc độ thoát chất bốc tốc độ cháy char Trong đó, NO nhiệt phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ phân bố nồng độ O2 nhƣ tốc độ cháy char Hình 4.26 – 4.32 biểu diễn tƣơng quan hình thành NO trình cháy đƣờng AB (hình 4.17) Hình 4.26 Sự thay đổi tốc độ hình thành NO nhiệt đƣờng AB 81 Hình 4.27 Sự thay đổi tốc độ hình thành NO nhiên liệu đƣờng AB Hình 4.28 Sự thay đổi tốc độ hình thành NO tổng đƣờng AB Hình 4.29 Sự thay đổi tốc độ chất bốc đƣờng AB 82 Hình 4.30 Sự thay đổi tốc độ cháy char đƣờng AB Hình 4.31 Sự thay đổi nồng độ O2 đƣờng AB theo khối lƣợng Hình 4.32 Sự thay đổi nhiệt độ đƣờng AB 83 4.3.2 Ảnh hưởng tỷ lệ trộn đến hình thành NO: Sự phân bố nồng độ NO trƣờng hợp trộn đƣợc minh họa hình 4.33 Nồng độ NO tập trung cao khu vực lửa khỏi buồng đốt giảm dần dịng khí khỏi buồng đốt Trong trƣờng hợp đốt than trộn, nồng độ NO tập trung phần đáy buồng đốt cao so với than Hòn Gai, đặc biệt trƣờng hợp trộn 15% Tuy nhiên, nồng độ NO khu vực phía theo đƣờng dịng khói khỏi buồng đốt giảm dần tăng tỷ lệ trộn Hình 4.34 minh họa phân bố nồng độ NO mặt buồng đốt Điều ảnh hƣởng nồng độ O2 Ta thấy, lửa trƣờng hợp đốt than trộn có xu hƣớng kéo dài phía buồng đốt dẫn đến nhiệt tăng, nhiên nồng độ O2 giảm Sự phân bố nhiệt độ nồng độ O2 đƣợc minh họa hình 4.35 4.36 Qua đó, ta thấy ảnh hƣởng ngƣợc chiều nhiệt độ nồng độ O2 đến phân bố nồng độ NOx Nhiệt độ cao có ảnh hƣởng tích cực đến hình thành NOx, nồng độ O2 thấp hạn chế NOx hình thành Hình 4.33 Sự phân bố nồng độ NO mặt cắt dọc cho trƣờng hợp trộn khác 84 Hình 4.34 Sự phân bố nồng độ mặt buồng đốt Hình 4.35 Sự phân bố nhiệt độ mặt cắt dọc cho trƣợng hợp trộn khác 85 Hình 4.36 Sự phân bố nồng độ O2 mặt cắt dọc cho trƣợng hợp trộn khác Với thay đổi điều kiện làm việc, lƣợng khói thải thay đổi Để hạn chế loại bỏ ảnh hƣởng nồng độ oxy khói thải, giá trị nồng độ NO x thu đƣợc trƣờng hợp mô cần phải đƣợc chuyển đổi điều kiện nồng độ oxy nhƣ Trong trƣờng hợp này, nồng độ oxy đƣợc lấy 6% nồng độ NOx đo đơn vị mg/Nm3 Công thức chuyển đổi nhƣ sau Trong đó, – Giá trị nồng độ NOx giá trị nồng độ oxy khói – Giá trị nồng độ NOx đo đƣợc ban đầu – Nồng độ oxy cần chuyển đổi, % – Nồng độ oxy đo đƣợc, % 86 Bảng 4.6 trình bày kết nồng độ NO đầu trung bình buồng đốt tính đƣợc từ mơ hình mơ Ta thấy, nồng độ NO đầu buồng đốt giảm tăng tỷ lệ trộn nhiên giá trị nồng độ trung bình toàn buồng đốt trƣờng hợp 15% cao so với than Hòn Gai ban đầu nồng độ NO tập trung cao đáng kể phần đáy lò trƣờng hợp đốt than trộn 15% Bảng 4.7 trình bày độ cháy kiệt hạt than đầu buồng đốt, ta thấy tăng tỷ lệ trộn tỷ lệ chuyển hóa char giảm hàm lƣợng hạt cacbon chƣa cháy hết tăng Điều nguyên nhân cho giảm nồng độ NO đầu phản ứng hoàn nguyên NO với hạt cacbon theo phƣơng trình 4.44 Bảng 4.6: Kết mơ tính nồng độ NO [NO]o [NO] Độ giảm [NO] 6%O2 (mg/Nm3) (mg/Nm3, 6%O2) (%) Hòn Gai 1972 1586 Than trộn 10% 1810 1370 13,6 Than trộn 15% 1782 1356 14,5 Bảng 4.7 Mức độ cháy kiệt hạt than Chế độ Mức độ chuyển hóa carbon (%) Lƣợng cacbon lại tro (kg/s) Hon Gai Than trộn 10% Than trộn 15% 99,82 99,05 98,81 0,07658 0,4134 0,5081 17,38 17,42 16,81 0,44 2,37 3,02 Tổng lƣợng hạt đầu mơ hình (kg/s) Lƣợng cacbon cịn lại tro (%) 87 Hình 4.37 – 4.40 biểu diễn vùng hình thành hồn ngun NO nhiên liệu mặt cắt dọc ngang buồng đốt Ta thấy, vùng hình thành hồn ngun NO nhiên liệu trƣờng hợp đốt than trộn tƣơng tự so với đốt than Hịn Gai Vùng hình thành NO nhiên liệu cao chủ yếu tập trung khu vực có tốc độ thoát chất bốc cao nghèo nhiên liệu (F/A