Bài viết này trình bày thực nghiệm quá trình đốt than và viên nén sinh khối, sử dụng hệ thống thí nghiệm đốt tầng sôi tuần hoàn 100 kWth. Đặc tính quá trình cháy được đánh giá bao gồm nhiệt độ, tỉ lệ giữ chất rắn theo chiều cao buồng đốt, và đặc tính phát thải.
Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh HNKH-09 ĐẶC TÍNH Q TRÌNH CHÁY THAN VÀ SINH KHỐI TRONG HỆ THỐNG TẦNG SƠI TUẦN HỒN QUY MƠ NHỎ NGUYỄN HỒNG KHƠI1, BÙI TRUNG THÀNH1 Bộ mơn Kỹ thuật Nhiệt, Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh, Trường Đại học Công nghiệp Tp Hồ Chí Minh nguyenhoangkhoi@iuh.edu.vn; buitrungthanh@iuh.edu.vn Tóm tắt Cơng nghệ đốt tầng sơi tuần hồn sử dụng nhiều loại nhiên liệu rắn khác có ưu điểm giảm phát thải khí nhiễm sử dụng nhiên liệu sinh khối Bài báo trình bày thực nghiệm trình đốt than viên nén sinh khối, sử dụng hệ thống thí nghiệm đốt tầng sơi tuần hồn 100 kWth Đặc tính q trình cháy đánh giá bao gồm nhiệt độ, tỉ lệ giữ chất rắn theo chiều cao buồng đốt, đặc tính phát thải Kết thí nghiệm cho thấy buồng đốt tầng sơi tuần hoàn hoạt động ổn định cho hai nhiên liệu Nhiệt độ buồng đốt khoảng 750 – 825 °C đốt sinh khối, dải 800 – 900 °C đốt than So với đốt than, trình đốt sinh khối cho thấy SO2 giảm khoảng 66 %, NO giảm khoảng 15 %, không xảy tượng kết tụ tro xỉ suốt trình vận hành Hiệu suất cháy lý thuyết cao, đạt từ 97,0 % đốt than sinh khối Từ khóa Cơng nghệ đốt tầng sơi, nhiên liệu rắn, than, sinh khối, ô nhiễm môi trường COMBUSTION CHARACTERISTICS OF COAL AND BIOMASS IN A PILOT-SCALE CIRCULATING FLUIDIZED BED COMBUSTOR Abstract Circulating fluidized bed combustion technology can use diversification of solid fuels, facilitating the reduction of pollutant emissions using biomass fuels This paper presents the experimental study of coal and biomass combustion, using a 100 kWth circulating fluidized bed combustor The combustion characteristics were evaluated, including temperature, solids hold-up ratio in accordance with the height of the combustor, and pollutant emissions The obtained results indicated that the operation was stable for both fuels The observed average temperature was in the range of 750 – 825 °C with biomass firing, and in the range of 800 – 900 °C with coal firing Compared to coal firing, the SO2 emission can be decreased by about 66 % and NO reduction by about 15 % with biomass firing, and no ash agglomeration during operation The high combustion efficiency was evaluated at least 97,0% in these experiments Keywords Circulating fluidized bed, solid fuels, coal, biomass, pollutant emissions -86- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh GIỚI THIỆU Nhiên liệu sinh khối sử dụng ngày rộng rãi cho trình sản xuất lượng, nguồn thay tiềm cho nhiên liệu hóa thạch [1] Trong nhà máy điện đốt than nay, việc giảm lượng phát thải CO2 chất ô nhiễm yêu cầu quan trọng trước tình trạng biến đổi khí hậu mạnh mẽ Do đó, chuyển đổi nhiên liệu từ than sang nhiên liệu sinh khối cấp thiết sinh khối nguồn lượng tái tạo Hiện tại, nhà máy nhiệt điện, trình cháy sử dụng cơng nghệ tầng sơi tuần hồn cho ưu điểm vượt trội, lựa chọn thích hợp dùng nhiên liệu sinh khối Ưu điểm công nghệ đốt kiểu tầng sơi tuần hồn sử dụng nhiều dạng nhiên liệu khác nhau, gồm nhiên liệu cấp thấp [2] Đồng thời, công nghệ giúp giảm thiểu phát thải chất gây ô nhiễm môi trường (SO 2, NO, CO, bụi) [3] Thêm vào đó, cơng nghệ đốt kiểu tầng sơi tuần hồn vận hành linh hoạt kết hợp trao đổi nhiệt bên ngồi [4] Cho đến nay, nghiên cứu cơng nghệ đốt kiểu tầng sơi tuần hồn tiếp tục triển khai, mang lại hiểu biết đóng góp cho cơng nghệ sản xuất lượng Do đó, nghiên cứu thực nghiệm để tối ưu hóa quy trình vận hành sử dụng đa dạng nhiên liệu rắn cần thiết Trong nghiên cứu này, thực nghiệm thực nhằm điều tra đặc tính cháy than sinh khối, sử dụng hệ thống thiết bị thí nghiệm kiểu đốt tầng sơi tuần hồn cơng suất nhiệt 100 kWth Các điều kiện vận hành điều tra, bao gồm phân bố nhiệt độ bên buồng đốt, tỉ lệ giữ chất rắn theo chiều cao buồng đốt, nồng độ phát thải ô nhiễm, hiệu suất trình cháy lý thuyết xác định 2.1 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Vật liệu Nhiên liệu rắn sử dụng nghiên cứu gồm hỗn hợp than sub-bitum nhập từ Indonesia than nâu (tỉ lệ 7:3), sinh khối dạng viên nén từ phụ phẩm rừng Đặc tính nhiên liệu phân tích theo tiêu chuẩn trình bày Bảng Phân tích xấp xỉ tiến hành theo tiêu chuẩn ASTM D 7582, sử dụng máy phân tích nhiệt LECO TGA 701 Phân tích nguyên tố thực máy LECO Truspec Elemental CHN–S cho nguyên tố cacbon (C), hydro (H), and nitơ (N) theo tiêu chuẩn ASTM D 5373 (C, H, N) Thành phần nguyên tố lưu huỳnh (S) xác định theo tiêu chuẩn ASTM D 4239 (S) máy LECO SC-432DR Trong đó, nhiệt trị cao nhiên liệu xác định máy đo nhiệt trị LECO AC600 theo tiêu chuẩn ASTM D 5865 Độ ẩm than cao sinh khối, thành phần chất bốc thấp Nhiệt trị thấp than viên nén sinh khối nhỏ 5000 kcal/kg Than xử lý trước, có kích thước nhỏ 10 mm (đường kính trung bình: 1.42 mm), viên nén sinh khối có đường kính trung bình mm chiều dài từ 10 đến 20 mm Cát kỹ thuật sử dụng làm vật liệu trơ lớp sơi, có đường kính trung bình 0.481 mm Bảng 1: Phân tích thành phần nhiên liệu than sinh khối Hỗn hợp than (Sub-bitum / Than nâu:70wt.%/30wt.%) Sinh khối (Viên nén) 25,10 35,02 35,39 4,50 8,6 70,28 16,31 4,81 Cacbon Hydro 53,41 3,51 48,96 5,78 Oxyd 12,26 39,52 Nhiên liệu Phân tích xấp xỉa,b [wt.%] Ẩm Chất bốc Cacbon Tro Phân tích thành phầna,c [wt.%] -87- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Nito Lưu huỳnh e Nhiệt trị thấp [kcal/kg] f 0,88 0,46 0,34 0,02 4278 3870 Trạng thái làm việc, TGA-701 máy phân tích nhiệt (LECO Co., USA), Máy phân tích TruSpec Elemental (LECO Co., USA), dXác định chênh lệch (O = 100-C-H-N-S-Tro), eSC-432DR Máy phân tích lưu huỳnh (LECO Co., USA), fAC600 Máy đo nhiệt trị (LECO Co., USA) a 2.2 b c Hệ thống thí nghiệm kiểu tầng sơi tuần hồn Hình mơ tả hệ thống thí nghiệm kiểu tầng sơi tuần hồn thiết kế với cơng suất nhiệt 100 kWth, gia nhiệt ban đầu khí hóa lỏng (LNG) qua buồng đốt khí Buồng đốt cao 10 m, đường kính 0.15 m Nhiên liệu cấp vào buồng đốt qua hệ thống vít tải, nạp liệu vị trí m (tính từ đĩa phân phối khí) Khí thải sau khỏi buồng đốt dẫn qua hai xyclon để lọc bụi, sau làm mát trao đổi nhiệt kiểu khí – nước, sau qua lọc túi vải, thiết bị ngưng tụ thải qua ống khói Tác nhân cấp vào buồng đốt quạt đẩy Lớp vật liệu trơ gia nhiệt ban đầu khí LNG đến nhiệt độ tự cháy than (khoảng 500 °C), sau đó, lớp trơ tiếp tục gia nhiệt than sub-bitum, lúc ngưng cấp khí LNG Thành phần khí thải (O2, CO2, CO, NO, SO2) đo liên tục máy phân tích khí kiểu hấp thụ hồng ngoại khơng phân tán (mã hiệu AO2020, ABB, từ Đức) Các điều kiện hoạt động trình bày Bảng bên Hình 1: Sơ đồ hệ thống thí nghiệm đốt tầng sơi tuần hoàn đốt nhiên liệu rắn [5] Bảng 2: Điều kiện vận hành kết Nhiên liệu Hỗn hợp than Sinh khối 13,61 12,92 75,5 58,15 70,6 65,45 10,6 11,2 Điều kiện vận hành Lượng nhiên liệu nạp [kg/h] Công suất nhiệt đầu vào [kWth] Tác nhân nạp cấp [Nm3/h] Tác nhân nạp cấp [Nm3/h] Tác nhân buồng chứa chất rắn tuần hoàn (loop-seal) [Nm3/h] Kết vận hành Nhiệt độ đốt trung bình [oC]a -88- 10,8 10,8 834,2 787,6 Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Cơng nghệ Nhiệt Lạnh Lưu lượng khí thải [Nm3/h] CO2 [vol.%] O2 [vol.%] SO2 [ppm]b 106,2 16,7 3,7 114,6 b Thành phần phát thải a CO [ppm] NO [ppm]b SO2 [mg/MJ]b CO [mg/MJ]b NO [mg/MJ]b 77,2 84,4 119,3 35,1 41,2 88,8 17,6 3,0 27,8 109,4 51,4 40,51 69,71 35,1 Nhiệt độ trung bình theo chiều cao buồng đốt; b Giá trị tính vol.% O2 3.1 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Phân bố nhiệt độ, tỉ lệ giữ chất rắn buồng đốt Các kết thí nghiệm trình bày Bảng Đặc tính phân bố nhiệt độ tỉ lệ giữ chất rắn buồng đốt cho trình đốt than đốt sinh khối trình bày tương ứng Hình Hình Trong thí nghiệm này, giá trị nhiệt độ ghi lại liên tục trình vận hành theo chiều cao buồng đốt, sai số đo nhiệt độ khoảng 10 °C Nồng độ CO2 đo khí thải có sai số khoảng 0,15 vol.% Các giá trị sai số cho thấy trình cháy bên buồng đốt ổn định Từ kết phân bố nhiệt độ Hình 2, nhiệt độ trình đốt sinh khối thấp so với đốt than, điều sinh khối có nhiệt trị nhỏ (3870 kcal/kg), so với than (4278 kcal/kg) Khi đốt sinh khối, nhiệt độ cao (810, 87 °C) đạt vị trí 3,2 m (từ đĩa phân phối) sinh khối có hàm lượng chất bốc cao trình cháy chất bốc mãnh liệt Trong đó, giá trị nhiệt độ cao đốt than tìm thấy vị trí 1,8 m Trong hệ thống tầng sơi tuần hồn đốt nhiên liệu rắn, giá trị vận hành ghi nhận dải 800 – 950 °C [2] Bên cạnh phân bố nhiệt độ, tỉ lệ giữ chất rắn theo chiều cao buồng đốt xem xét Đây hệ số đánh giá quan trọng q trình cháy hệ tầng sơi tuần hồn, hệ số liên quan đến hệ số trao đổi nhiệt trình cháy bên thiết bị [2] Kết tỉ lệ giữ chất rắn buồng đốt tính tốn qua cơng thức (1) kết trình bày Hình 1- ε = (ΔP/L) / (g × (ρp - ρg)) (1) Trong cơng thức (1), hệ số ΔP tổn thất áp suất qua lớp vật liệu sôi (mmH2O); L chiều cao lớp vật liệu sôi (m); ε tỉ lệ giữ chất rắn (-); ρp khối lượng riêng chất rắn (kg/m3), ρg khối lượng riêng tác nhân khí (kg/m3), g gia tốc trọng trường (m/s2) Từ Hình cho thấy, tỉ lệ giữ chất rắn khơng có khác biệt lớn đốt than sinh khối, chứng tỏ chất rắn tuần hoàn ổn định bên buồng đốt Trong vùng lớp sơi (vị trí 0,3 m từ đĩa phân phối), hệ số tỉ lệ cao cho thấy lượng chất rắn lớn bên vùng -89- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Hình 2: Phân bố nhiệt độ theo chiều cao buồng đốt Hình 3: Phân bố tỉ lệ giữ chất rắn buồng đốt 3.2 Thành phần khí thải Thành phần khí thải đốt cháy nhiên liệu than sinh khối trình bày Hình Giá trị thu cho thấy, đốt sinh khối hàm lượng chất ô nhiễm (SO2: 40,51 mg/MJ , NO: 35,1 mg/MJ) phát thải so với đốt than (SO2: 119,3 mg/MJ , NO: 41,2 mg/MJ), sinh khối chứa hàm lượng lưu huỳnh nito nhiên liệu thấp than (Bảng 1) Thông thường, nồng độ phát thải SO2, NO tìm thấy thấp sử dụng sinh khối [7] Tuy nhiên, nồng độ CO phát thải ghi lại cao sử dụng sinh khối -90- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh (69,71 mg/MJ) so với than (35,1 mg/MJ) thí nghiệm Nguyên nhân lượng oxy cấp cho trình chưa hiệu quả, nồng độ O2 tìm thấy khí thải đốt sinh khối 3,0 vol.%, so với than 3,7 vol.% (Bảng 2) Nhìn chung, đốt sinh khối SO2 giảm khoảng 66 %, NO giảm khoảng 15 %, so với đốt than nghiên cứu Hình 4: Thành phần phát thải nhiễm 3.3 Hiệu suất cháy Trong nghiên cứu này, hiệu suất (η) trình cháy hệ thống đốt tầng sơi tuần hồn xác định theo cơng thức (2) [6]: η = – (QUBC + Qtro + QCO + Qkhíthải)/LHVf (2) Trong đó, LHVf nhiệt trị thấp nhiên liệu (kJ/kg) QUBC tổn thất nhiệt từ thành phần cacbon chưa cháy hết qua lượng chất rắn thải Thành phần xác định từ lưu lượng rắn thoát từ buồng đốt ṁr (kg/h), Xk phần trăm lượng cacbon chưa cháy hết, Hf entanpy phản ứng nhiên liệu (kJ/kg) Hệ số thứ hai tổn thất tro thải khỏi buồng đốt (Qtro), xác định qua lưu lượng tro thải ṁtro (kg/h), Cp nhiệt dung riêng tro (kJ/kg.K), Tp nhiệt độ tro (K) Hệ số thứ ba QCO tổn thất lượng khí CO chưa cháy hết, xác định qua lưu lượng mol CO ṅ (kmol/h), thành phần mol CO (yco), and Hco entanpy phản ứng CO (kJ/kmol) Qkhíthải hệ số tổn thất qua khí thải ngồi mơi trường tính tốn từ số mol ṅ, Cp,g nhiệt trị khí thải (kJ/kmol.K), (T-T0) độ chênh lệch nhiệt độ khí thải nhiệt độ mơi trường (K) Cơng thức tính hiệu suất cháy viết lại theo cơng thức sau (3): η = – (ṁrXkHf + ṁtroCpTp + ṅyCOHCO + ṅCp,g(T-To))/ ṁLHVf (3) Kết tính tốn hiệu suất cháy tóm tắt Bảng bên Cơng nghệ đốt kiểu tầng sơi tuần hồn cho hiệu suất cháy cao, 99 % [6] Trong khí nghiệm này, hiệu suất cháy tìm thấy đốt than 97,0 %, so với đốt sinh khối 97, 3% Khi đốt sinh khối, thành phần cacbon chưa cháy CO khí thải thu cao so với đốt than, đó, q trình đốt sinh khối cần kiểm sốt tốt lượng khơng khí thừa cấp vào buồng đốt -91- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Bảng 3: Hiệu suất cháy lý thuyết Hệ số tổn thất nhiệt [%] Hỗn hợp than Sinh khối Thành phần cacbon chưa cháy hết 0,194 0,491 Thành phần CO Tro thải Khí thải Hiệu suất cháy [%] 0,04 0,316 2,461 97,0 0,14 0,21 1,859 97,3 KẾT LUẬN Quá trình đốt cháy hỗn hợp than sub-bitum than nâu, viên nén sinh khối thí nghiệm hệ thống đốt tầng sơi tuần hồn cơng suất 100 kWth Đặc tính cháy thu bao gồm phân bố nhiệt độ, tỉ lệ giữ chất rắn theo chiều cao buồng đốt nồng độ chất phát thải, hiệu suất cháy lý thuyết tính tốn Thực nghiệm cho thấy trình cháy ổn định buồng đốt cho hai loại nhiên liệu chọn, nhiệt độ vận hành khoảng 800 – 900 °C đốt than, dải 750 – 825 °C đốt sinh khối Nhiệt độ trung bình đốt than 834,2 °C, 787,6 °C đốt sinh khối Đối với thành phần khí thải, kết thu cho thấy nồng độ phát thải SO2, NO giảm đáng kể sử dụng nhiên liệu sinh khối (SO2: 40,51 mg/MJ , NO: 35,1 mg/MJ), so với sử dụng than (SO2: 119,3 mg/MJ , NO: 41,2 mg/MJ) Trong đó, hiệu suất cháy lý thuyết xác định đạt từ 97,0 % Do đó, cơng nghệ đốt tầng sơi tuần hoàn cho thấy ưu điểm bật sử dụng đa dạng nhiên liệu, đặc biệt nhiên liệu sinh khối cho trình cháy sản xuất lượng LỜI CẢM ƠN Kết báo lấy phần dự án “Phát triển công nghệ sản xuất lượng hiệu cao, phát thải thấp” tài trợ Hội đồng Khoa học Công nghệ Quốc gia Hàn Quốc (NST), cấp Chính phủ Hàn Quốc (MSIP) [mã số CRC-15-07-KIER] Tác giả trân trọng cảm ơn ghi nhận nguồn tài trợ nghiên cứu từ MSIP, Đại học Quốc gia Kunsan (KSNU) đóng góp nhà nghiên cứu Trung tâm nghiên cứu Hội tụ (FEP-CRC) – Viện nghiên cứu lượng Hàn Quốc (KIER) Đồng thời, tác giả trân trọng hỗ trợ, động viên từ Ban giám hiệu Khoa Công nghệ Nhiệt lạnh, Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Li, F., et al., Energy, vol 174, pp 724–734, 2019 [2] Basu P., Springer International Publishing vol 54, 2015 [3] Arjunwadkar A, Basu P, Acharya B., Appl Therm Eng, vol 102, pp 672–694, 2016 [4] Yang C, et al., Fuel, vol 267, 117206, 2020 [5] Nguyen HK et al., Energy, vol 196, 117020, 2020 [6] Gungor A, Fuel, vol 87, pp 1083 – 1095, 2008 [7] E Houshfar, L., et al., Clean Technol Envir, vol 16, pp 1339-1351, 2014 -92- ... thải Hiệu suất cháy [%] 0,04 0,316 2,461 97,0 0,14 0,21 1,859 97,3 KẾT LUẬN Quá trình đốt cháy hỗn hợp than sub-bitum than nâu, viên nén sinh khối thí nghiệm hệ thống đốt tầng sơi tuần hồn cơng... tính tốn hiệu suất cháy tóm tắt Bảng bên Công nghệ đốt kiểu tầng sơi tuần hồn cho hiệu suất cháy cao, 99 % [6] Trong khí nghiệm này, hiệu suất cháy tìm thấy đốt than 97,0 %, so với đốt sinh khối. .. giá quan trọng trình cháy hệ tầng sơi tuần hồn, hệ số liên quan đến hệ số trao đổi nhiệt trình cháy bên thiết bị [2] Kết tỉ lệ giữ chất rắn buồng đốt tính tốn qua cơng thức (1) kết trình bày Hình