Đang tải... (xem toàn văn)
Mục đích của bài viết là ứng dụng phần mềm CFD để nghiên cứu, đánh giá quá trình cháy bột than trong lò hơi đốt than phun. Kết quả nghiên cứu cho thấy nhiệt độ cháy tạo ra trong trường hợp than Hòn Gai là lớn nhất đạt 16150 C.
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 ỨNG DỤNG MƠ PHỎNG SỐ NGHIÊN CỨU Q TRÌNH CHÁY THAN TRONG LÒ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN APPLICATION OF NUMBER SIMULATION STUDY ON COAL COMBUSTION PROCESS IN BOILERS OF THERMAL POWER PLANT Đỗ Văn Vang*, Đồn Thị Như Quỳnh TĨM TẮT Việc nghiên cứu nâng cao hiệu sử dụng than antraxit khó cháy Việt Nam nhu cầu cấp bách Mục đích báo ứng dụng phần mềm CFD để nghiên cứu, đánh giá q trình cháy bột than lị đốt than phun Kết nghiên cứu cho thấy nhiệt độ cháy tạo trường hợp than Hòn Gai lớn đạt 16150C Nhiệt độ cháy than nhập nhỏ có lượng chất bốc than lớn làm cho khởi động lửa cháy tốt Từ kết giúp ta nghiên cứu tìm tỷ lệ trộn thích hợp để tận dụng hiệu nguồn than nội địa nước, đảm bảo nâng cao độ tin cậy vận hành Từ khóa: Đốt than, mơ hình CFD, nhà máy nhiệt điện ABSTRACT The research to improve the efficiency of using Vietnam's non-combustible anthracite coal is an urgent need The purpose of the paper is to apply CFD software to research and evaluate coal powder combustion in coal-fired boilers Research results show that the maximum burning temperature in the case of Hon Gai coal is 16150C The burning temperature of imported coal is the smallest but has a large amount of volatile in the coal, which makes for a good flame ignition From this result, we can research to find out an appropriate mixing ratio to efficientlly use domestic coal resources in the country, ensuring improved reliability in operation Keywords: Coal combustion, CFD model, thermal power plant Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh * Email: Vangdkh1@gmail.com Ngày nhận bài: 23/11/2020 Ngày nhận sửa sau phản biện: 28/12/2020 Ngày chấp nhận đăng: 26/02/2021 bột than lị nhằm tìm giải pháp đốt hợp lý, đảm bảo vấn đề nâng cao độ tin cậy vận hành, giảm phát thải, tận dụng nguồn than nội địa sẵn có vấn đề ngành nhiệt điện quan tâm Trên giới có nhiều cơng trình khoa học nghiên cứu q trình cháy bột than sử dụng cơng cụ CFD (Computational Fluid Dynamics), đặc biệt nghiên cứu q trình cháy bột than lị kiểu tiếp tuyến [4, 5, 6, 9, 10] Việc mô máy tính giúp phân tích nghiên cứu q trình cháy dễ dàng, giảm chi phí tiết kiệm thời gian so với phương pháp thí nghiệm truyền thống Mục đích báo mơ trường nhiệt độ, vận tốc hình thành chất khí q trình cháy bột than lị nhà máy nhiệt điện MƠ PHỎNG SỐ Q TRÌNH CHÁY BỘT THAN 2.1 Miền tính tốn điều kiện biên Miền tính tốn buồng đốt lị Nhà máy nhiệt điện Ninh Bình, có dạng lị hình chữ Π hình Có bốn cụm vịi phun than đặt góc lị Mỗi cụm vịi gồm nhiều vịi phun than khí Để đơn giản hóa mơ ta mơ hình hóa cụm vịi đốt thành miệng phun, miệng phun đồng thời than khí Các kích thước mơ hình lấy theo kích thước thật lị vẽ với tỉ lệ 1:1: Chiều cao lò H = 23,5m; Bề ngang lò L = 12,6m; Bề rộng vùng buồng đốt L1 = 7,6m; L2 = 7,9m; Vị trí miệng vòi đốt H1 = 6m; H2 = 8m; H3 = 10m; Các miệng vòi coi có dạng trịn, bán kính 0,2m GIỚI THIỆU Theo qui hoạch điện VII hiệu chỉnh năm 2016 Việt Nam, đánh giá điện sản xuất từ nhiệt điện than tăng chiếm tỷ trọng lớn cấu nguồn điện Nhiên liệu sử dụng than antraxit số sử dụng than bitum bitum nhập [1] Quá trình cháy bột than tượng phức tạp chuỗi phản ứng lý hóa phức tạp [2] Hiệu q trình cháy phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc tính nhiên liệu, phân cấp tỷ lệ khơng khí sơ cấp, khơng khí thứ cấp, kích thước hạt than [3] Việc ứng dụng mô số nghiên cứu, đánh giá, kiểm chứng q trình cháy Hình Mơ hình buồng đốt lò theo tỉ lệ 1:1 Hướng phun: Hai vòi đối diện phun đồng phương với Mỗi cụm vòi đối diện hợp với tường lò góc 390 480 Hướng phun song song với phương ngang Sự bố trí phun tạo vùng xốy lửa trung tâm lị, giúp tăng hiệu đốt cháy than 38 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (02/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Sau thiết lập xong điều kiện đầu vào cho mơ hình, ta tiến hành chạy giải Lời giải hội tụ tốt tới cỡ 10-5 sau 500 vòng lặp Các kết cần quan tâm trình cháy than gồm: Phân bố nhiệt độ lò; phân bố vận tốc dịng khí; chuyển động hạt than phân bố sản phẩm cháy CO2, NO Hình Hướng phun khí than miệng vịi phun Tính chất than khí có mơ hình cháy trình bày bảng Bảng Thành phần cấu tạo ba loại than: Than Hịn Gai, than nhập than trộn Phân tích xấp xỉ, AR Đơn Than vị Hòn Gai Độ ẩm % Chất bốc % Xỉ % Cốc % Phân tích xác, DAF C % H % S % N % O % kJ/kg Nhiệt trị thực 6,38 7,37 25,33 60,92 90,06 3,4 0,91 1,52 4,11 21844 Than nhập 20,62 38,45 9,23 31,7 74,29 5,12 0,45 1,49 18,65 18125 Than trộn tỉ lệ 9:1 theo khối lượng 7,804 10,487 23,72 57,998 88,483 3,572 0,864 1,517 5,564 21472,1 Để phân tích kết ta sử dụng hệ tọa độ XYZ hình 3, với gốc nằm đáy lị, trục Z hướng thẳng đứng lên theo chiều cao lị Hình Hệ tọa độ sử dụng phân tích kết Ta sử dụng mặt cắt ngang hình để thể đánh giá phân bố nhiệt độ, vận tốc nồng độ chất Vùng buồng đốt nằm hai mặt cắt ngang Z = 3m Z = 15m khu vực nghiên cứu Các mặt cắt Z = 6m, Z = 8m Z = 10m mặt cắt qua vị trí vịi phun (Nguồn: Phịng KCS Cơng ty than Hịn Gai) 2.2 Mơ hình tốn phương pháp số mơ hình CFD Các phương trình phương trình liên tục, phương trình động lượng, phương trình lượng, phương trình rối, phương trình phản ứng hóa học rời rạc hóa phương pháp thể tích hữu hạn [4] Thuật toán coupled biểu diễn tương quan áp suất vận tốc, mơ hình chuyển động rối k-epsilon Realiable, mơ hình xạ Discrete Ordinate Method (DOM) mơ hình dịng phản ứng cho pha khí Eddy Dissipation sử dụng tất trường hợp mô Tất mơ hình trạng thái tĩnh bỏ qua ảnh hưởng trọng lực Hình Vùng buồng đốt giới hạn hai mặt cắt Z = 3m Z = 15m 3.1 Kết cháy than Hòn Gai 3.1.1 Trường nhiệt độ Sự chuyển động hạt than tính tốn theo cơng thức Lagangian [3,10] Q trình chất bốc cốc diễn hạt than phun vào hòa trộn với dịng khí buồng đốt [8] Q trình cháy chất bốc khơng khí tính tốn mơ hình tiêu tán xốy (Eddy dissipation) Cơ chế phản ứng hai bước sau: Than + aO2 CO + 1/2O2 bCO2 + cH2O CO2 (1) (2) Trong a, b, c hệ số phản ứng phụ thuộc vào thành phần, tính chất than Q trình cháy bột than mơ hình hóa phần mềm ANSYS CFD phiên 15 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Hình Phân bố nhiệt độ mặt cắt lò (Y = 3,95m) Từ hình cho thấy, nhiệt độ cao (vùng màu cam đỏ) phân bố tập trung trung tâm buồng đốt Nhiệt độ lớn lò đạt 16150C Hình biểu diễn phân bố nhiệt độ mặt cắt ngang cho thấy, từ Vol 57 - No (Feb 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 39 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ thấp lên cao, nhiệt độ trung bình mặt cắt có xu hướng tăng dần, đạt giá trị cao Z = 9m Mặt cắt Z = 6m, 8m 10m có giá trị giảm xuống là vị trí có dịng hỗn hợp nhiệt độ thấp vào lò Bắt đầu từ mặt cắt Z = 11m nhiệt độ trung bình bắt đầu giảm P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Hình 10 cho thấy, mặt cắt vùng có độ xốy lớn vùng tâm lị giảm dần giá trị tiến dần thành lò Mặt cắt Z = 10m có giá trị vận tốc góc lớn (đường nét đứt đỏ xanh hình 11), tức dịng hỗn hợp hai mặt cắt có độ xốy lớn Đi lên cao độ xốy có chiều hướng giảm (đường liền màu vàng xanh lục) Vùng gần đáy lò (Z = 4m) dịng hỗn hợp xốy (đường liền màu tím) Hình Đường dịng vận tốc dịng khí lị mặt cắt Z = 8m Hình Phân bố nhiệt độ mặt cắt vùng buồng đốt Hình Phân bố vận tốc góc dịng khí mặt cắt qua vị trí vịi phun Hình Đồ thị nhiệt độ trung bình mặt cắt ngang Đi từ thấp lên cao, xu hướng chung vùng lị có nhiệt độ cao khu vực thành lị, có xu hướng giảm dần từ tâm lò tới thành lò Tại mặt cắt Z = 6, 10m, coi vùng có lửa màu vàng màu đỏ vùng có nhiệt độ cao lửa có dạng lệch khỏi hướng phun tạo thành vịng trịn quanh tâm lị Điều giải thích ta nhìn vào quỹ đạo chuyển động hạt than hình Hình cho thấy, hạt than mặt cắt Z = 8m chuyển động lệch khỏi hướng phun gần vào tâm lò Vùng màu biến đổi thể biến đổi khối lượng thành phần cốc hạt than, tức vùng hạt cốc xảy tượng cháy Các hạt than chuyển động theo dạng xoắn ốc, có xu hướng bay lên phía ngồi Tuy nhiên có số hạt chuyển động xuống phía đáy lị 3.1.2 Trường vận tốc Hình cho thấy, đường dịng dịng hỗn hợp lị có dạng xoắn ốc hướng lên Mặt cắt Z = 8m cho thấy coi tâm xoắn nằm tâm lị Do ta chọn trục thẳng đứng qua mặt cắt ngang để xét giá trị vận tốc góc dịng khí mặt cắt này, giá trị lớn thể vùng khí có độ xốy lớn Hình 10 Phân bố vận tốc theo phương Z mặt cắt Hình 11 Đồ thị phân bố vận tốc góc mặt cắt Trên hình thể phân bố vận tốc theo phương thẳng đứng dòng hỗn hợp Tại mặt cắt Z = 6m, vùng xanh đậm dải màu mặt cắt thể giá trị vận tốc âm, tức dòng hỗn hợp chuyển động hướng xuống Theo chiều lên, vận tốc theo phương Z có giá trị tăng dần, thể dịng hỗn hợp chuyển động lên với tốc độ nhanh dần, vùng phía chuyển động nhanh vùng ngồi thành Như thấy phân bố nhiệt độ vận tốc cho vùng giá trị cao nằm tâm lị giảm dần 40 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (02/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 phía thành lị Điều cho thấy đặc trưng trình cháy than lò 3.1.3 Phân bố sản phẩm cháy Trên hình 12 cho thấy, khí CO2 phân bố đồng với nồng độ chủ yếu từ - 1,2mol/m3 Tuy nhiên hình 13 cho thấy, vùng đáy lị có nồng độ cao chút với giá trị đặt mặt cắt Z = 4m nằm khoảng 1,2 1,4mol/m3 Các vị trí mặt cắt cịn lại cho giá trị nồng độ chủ yếu nằm khoảng 0,6 - 1,2mol/m3 cao mà tập trung phía trên, luồng khí khỏi vùng Điều phù hợp với lý thuyết hình thành NOx [7]: NO không tạo vùng lửa mà sau vùng Hình 15 nồng độ mol NO mặt cắt khác vùng buồng đốt cho phép làm rõ thêm nhận xét hình thành NO vùng thấp lò: Tại mặt cắt vùng buồng đốt, NO tập trung vùng lị Hình 16, 17 xét trung bình mặt cắt, nồng độ NO nói chung tăng dần theo chiều cao lò, trừ mặt cắt 6m nơi đặt cụm vịi phun có giảm nồng độ Hình 12 Phân bố nồng độ khí CO2 mặt cắt lị Hình 15 Phân bố nhiệt độ nồng độ NO Hình 13 Phân bố nồng độ mol khí CO2 mặt cắt Nồng độ NO đạt cỡ 2,1.10-4 đến 1,2.10-3mol/m3 Nồng độ tăng dần theo chiều cao lò đạt cao vùng lò Nồng độ cao mặt cắt khỏi lị có giá trị 1,1.10-4 đến 1,2.10-4mol/m3, phân bố Ở khu vực nồng độ NO thấp (vùng thấp lò), NO tập trung nhiều lõi lò nơi bắt đầu xảy phản ứng cháy Ở khu vực nồng độ cao (ống khói), vùng tập trung NO có xu hướng bám vào thành lị nơi dịng bị xáo trộn, tạo điều kiện cho phản ứng hình thành NO Hình 16 Phân bố nồng độ mol NO mặt cắt vùng buồng đốt Hình 14 Nồng độ mol NO mặt cắt lị (hình a) mặt cắt đầu (hình b) So sánh phân bố nhiệt độ nồng độ NO hình 14 cho thấy, NO khơng hình thành nhiều vùng có nhiệt độ Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Hình 17 Đồ thị nồng độ NO trung bình mặt cắt ngang Vol 57 - No (Feb 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 41 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 3.2 So sánh kết với hai trường hợp than nhập than trộn So sánh kết phân bố nhiệt độ trường hợp hình 18 cho thấy nhiệt độ cháy tạo trường hợp than Hòn Gai lớn nhất, nhiệt độ cháy than nhập bitum Indonesia nhỏ Điều dễ hiểu than Hịn Gai có hàm lượng cacbon lớn nhất, than nhập có lượng cacbon nhỏ nhất, mà cacbon thành phần sinh nhiệt lượng trình cháy Hình 18 Phân bố nhiệt độ mặt cắt lị trường hợp than Hình 19 Phân bố nhiệt độ mặt cắt Z = 8m trường hợp than Tuy nhiên than nhập lại có ưu điểm lượng chất bốc than lớn, làm cho khởi động lửa cháy tốt, điều quan sát hình 19 Trên hình cho thấy, vùng nhiệt độ cao than Hòn Gai tạo lớn nhiệt độ cao nằm trường hợp than nhập Như việc trộn than có ưu điểm tận dụng hàm lượng chất bốc than nhập khẩu, từ tạo khởi đầu cháy tốt (nhiệt độ khởi đầu cháy cao), nhược điểm lại làm cho tổng nhiệt lượng sinh giảm hàm lượng cacbon than nhập thấp Qua kết mô phía ta cần nghiên cứu tìm tỉ lệ trộn thích hợp để hài hịa ưu nhược điểm nhược điểm Bảng số giá trị nhiệt độ phân bố lò với trường hợp than Bảng Nhiệt độ trung bình mặt cắt ngang trường hợp than Vị trí mặt cắt Nhiệt độ trung bình mặt cắt ngang (0C) ngang Z (m) Than Hòn Gai Than nhập Than trộn 1312,29 1206,5 1294,84 1332,56 1232,27 1316,8 1342,38 1246,61 1326,94 1278,95 1202,58 1265,66 1351,68 1264,59 1339,98 1304,74 1237,66 1294,98 1377,52 1295,92 1366,86 10 1319,34 1252,09 1310,71 11 1369,31 1283,23 1357,74 P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 12 1370,8 1279,94 1358,56 13 1364,73 1272,94 1352,35 14 1357,17 1264,82 1344,66 15 1350,97 1257,93 1338,22 KẾT LUẬN Qua trình nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ phân bố nhiệt độ, dịng vận tốc dịng khí phân bố nồng độ khí CO2, NO buồng đốt đốt than Hịn Gai Từ tiến hành so sánh phân bố nhiệt độ trường hợp than Hòn Gai, than nhập khẩu, than trộn đưa kết phân bố nhiệt mặt cắt buồng đốt than phun Kết nghiên cứu ưu nhược điểm loại than, từ tiến hành nghiên cứu với nhiều tỷ lệ trộn khác để tìm tỷ lệ trộn phù hợp cho hiệu suất cháy buồng đốt cao Đặc biệt tận dụng hiệu sử dụng nguồn than nội địa nước cách tối ưu, đảm bảo vấn đề nâng cao độ tin cậy vận hành, giảm phát thải nhà máy nhiệt điện than Việc sử dụng mô số vào nghiên cứu cháy than hồn tồn khả thi có tiềm phát triển Việt Nam Trong tương lai, nhóm tác giả tiếp tục nghiên cứu tỉ lệ trộn than khác nhằm tìm tỉ lệ trộn thích hợp để tối ưu q trình cháy buồng đốt TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Văn phòng Chính phủ, 2016 Qui hoạch điện VII điều chỉnh Hà Nội [2] Ryoichi Kurose, 2009 Numerical Simulations of Pulverized Coal Combustion KONA Powder and Particle Journal vol 27, p144-156 [3] Efim Korytnyi, Roman Saveliev, Miron Perelman, Boris Chudnovsky, Ezra Bar-Ziv, 2009 Computaitonal fluid dynamic simulation of coal-fired utility boilers: An engineering tool Fuel 88, 9-18 [4] T Asotani, T Yamashita, H Tominaga, Y Uesugi, Y Itaya, S Mori, 2008 Prediction of ignition behavior in a tangentialyfired pulverized coal boiler using CFD Fuel 87, 482-490 [5] Choeng Ryul Choi, Chang Nyung Kim, 2009 Numerical investigation on the flow, combustion and NOx emission characteristics in 500 Mwe tangentially fuel pulverized coal boiler Fuel 88,1720-1731 [6] Cristiano V da Silva, Maria Luiza S Indrusiak, Arthur B Beskow, 2010 CFD Analysis of the Pulverized Coal Combustion Processes in a 160 Mwe Tangentially-Fired-Boiler of a Thermal Power Plant J of the Braz Soc of Mech Sci & Eng Vol XXXII, No.4 [7] M Xu, J.L.T Azevedo, M.G Carvalho, 2000 Modelling of the combustion process and Nox emission in a utility boiler Fuel Processing Technology 64, 25-46 [8] Jame E Macphee, Mathieu Sellier, Mark Jermy, Ediberto Tadulan, 2009 CFD Modelling of Pulverized coal Combustion in a rotary lime kiln Seventh International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries [9] Y.S Shen, B.Y Guo, P.Zuli, D Maldonado, A.B Yu, 2006 A threedimentional CFD model for coal blends combustion: Model formation and validation Fifth International Conference on CFD in the Process Industries [10] R.I Backreedy, J.M Jones, M Pourkashanian, A Williams, A Arenillas, B Arias, F Rubiera, 2005 Prediction of unbumed carbon and Nox in a tangentially fired power station using single coals and blends Fuel 84, 2196-2203 42 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (02/2021) AUTHORS INFORMATION Do Van Vang, Doan Thi Nhu Quynh Quang Ninh University of Industry Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn ... suất cháy buồng đốt cao Đặc biệt tận dụng hiệu sử dụng nguồn than nội địa nước cách tối ưu, đảm bảo vấn đề nâng cao độ tin cậy vận hành, giảm phát thải nhà máy nhiệt điện than Việc sử dụng mơ số. .. hợp than nhập than trộn So sánh kết phân bố nhiệt độ trường hợp hình 18 cho thấy nhiệt độ cháy tạo trường hợp than Hòn Gai lớn nhất, nhiệt độ cháy than nhập bitum Indonesia nhỏ Điều dễ hiểu than. .. vào nghiên cứu cháy than hồn tồn khả thi có tiềm phát triển Việt Nam Trong tương lai, nhóm tác giả tiếp tục nghiên cứu tỉ lệ trộn than khác nhằm tìm tỉ lệ trộn thích hợp để tối ưu trình cháy