a. Tổng quan về than trộn
Than trộn trong nhà máy nhiệt điện chủ yếu được áp dụng để giảm chi phí vận hành và tăng khả năng cháy của than. Các loại than chất lượng thấp có thể được trộn với than tốt hơn mà không làm giảm hiệu suất nhiệt của lò hơi, do đó làm giảm chi phí sản xuất. Nhiều quốc gia, trộn than đã được áp dụng trong một khoảng thời gian dài chủ yếu là để tăng khả năng của than sẵn có cho nhà máy điện. Để cải thiện khả năng của than và cải thiện nhiệt lượng của than khi cháy, một số nhà máy nhiệt điện xem đến khả năng trộn than nhập khẩu chất lượng cao với than có độ tro cao.
Để quyết định trộn than hay không, nó rất quan trọng để biết các thành phần của than được trộn. Điều này có nghĩa là sẽ phải biết nguồn gốc của than, thành phần hóa học vô cơ, hữu cơ và các đặc tính cháy của than. Trong quá trình đốt cháy, thực sự là cần thiết để biết các điều kiện vật lý và tính chất của than trong việc gia nhiệt các hạt than, đánh lữa và quá trình cháy của chất bốc và cháy cốc. Nó cũng không kém phần quan trọng để biết các sự thay đổi pha trong các chất khoáng và các chất vô cơ có mặt trong than. Hiệu suất cháy và sự mất cacbon sẽ phải được giải quyết trong quá trình trộn than. Và cũng rất cần thiết để xem xét đến sự hình thành các chất thải như NOx và SOx.
Do sự phức tạp của quá trình cháy và các biến liên quan, rất khó để suy ra kết quả quy mô đầy đủ. Như vậy, kinh nghiệm vận hành nhà máy điện trong một
NGUYỄN HỮU LINH 67 KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH 2 – K55 phạm vi rộng của các chế độ với nguồn nguyên liệu than thay đổi là điều cần thiết để xác định ý nghĩa thiết thực của của các kết quả từ chuẩn bị - thử nghiệm – các sự kiểm tra quy mô. Nhiều dữ liệu được thiết lập cho các loại than được sử dụng trong các thử nghiệm khác nhau từ hiệu suất thực của lò hơi trong nhà máy được yêu cầu.
Các sự quyết định trộn nên dựa trên những kiến thức về các đặc điểm của một cặp than đã cho, chứ không phải là một sự giả thiết về sự thay đổi tuyến tính của các tính chất, thông số. Những quy định nghiêm ngặt về môi trường, hiệu quả tối đa với giảm chi phí phát điện, cải thiện khả năng và độ tin cậy…được đặt lên các nhà máy nhiệt điện đốt than trên toàn thế giới và sự phát triển liên tục của công nghệ mới nghĩa là vấn đề cải thiện chất lượng nhiên liệu sẽ vẫn là một yếu tố chính.
b. Đánh giá và nhận xét một số kết quả về tỷ lệ trộn than đến sự hình thành NOx.
Vừa qua, nhà máy nhiệt điện Ninh Bình đã tiến hành đốt thử than trộn. Than nhập khẩu là than Sub-bitum, có hàm lượng chất bốc cao.
Xét kết quả khi ta trộn than nội địa (Hòn Gai) với than nhập khẩu với các tỷ lệ khác nhau: 95% - 5%, 90% - 10%, 80% - 20%.
Thông số về than và các tỷ lệ trộn của than.
Bảng 4.14. Các thông số của than và các tỷ lệ trộn than
Than Hòn Gai Than nhập khẩu Than trộn (95-5) Than trộn (90-10) Than trộn (80-20) Thành phần công nghệ Độ ẩm H2O % 6.38 20.62 7.092 7.804 9.228
NGUYỄN HỮU LINH 68 KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH 2 – K55 Ta có một số kết quả mô phỏng như sau:
Hình 4.12. Sự phân bố NOx của các loại than
Bảng 4.15. Giá trị NOx trung bình của các tỷ lệ than khác nhau
Chất bốc VM % 7.37 38.45 8.924 10.478 13.586 Tro A % 25.33 9.23 24.525 23.72 22.11 Cốc FC % 60.92 31.7 59.459 57.998 55.076 Thành phần hóa học Carbon C % 90.06 74.29 89.2715 88.483 86.906 Hydro H % 3.4 5.12 3.486 3.572 3.744 Lưu huỳnh S % 0.91 0.45 0.887 0.864 0.0818 Nitơ N % 1.52 1.49 1.5185 1.517 1.514 Oxy O % 4.11 18.65 4.837 5.564 7.018 Nhiệt trị NCV kJ/kg 21844 18125 21658.05 21472.1 21100.2
NGUYỄN HỮU LINH 69 KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH 2 – K55 STT Chiều cao (m) Than Hòn Gai Than trộn 95-5 Than trộn 90-10 Than trộn 80-20 1 5 453 463 482 579 2 8,7 677 717 647 648 3 9,8 865 834 871 861 4 11,1 925 951 916 926 5 13 1022 1037 1035 1062 6 15 1017 1044 1037 1064 7 17 1020 1045 1044 1071 8 19 1025 1045 1052 1078 9 21 1035 1050 1066 1097 10 23 1041 1056 1074 1104 11 25 1079 1104 1131 1159 Từ bảng số liệu 4.15 ta có đồ thị sau:
Hình 4.13 Đồ thị sự thay đổi NOx theo chiều cao buồng đốt
Xét giá trị NOx trung bình tại mặt ra của buồng đốt:
Bảng 4.16 Giá trị NOx trung bình tại mặt ra của buồng đốt
STT Loại than NO (ppm)
1 Hòn Gai 1052
2 Than trộn 95-5 1062
3 Than trộn 90-10 1084
NGUYỄN HỮU LINH 70 KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH 2 – K55
Nhận xét:
Qua hình 4.12, hình 4.13, bảng 4.15, 4.16 ta thấy rằng về sự phân bố NOx của các loại than với các tỷ lệ trộn khác nhau trong buồng đốt cũng tương tự nhau. NOx tăng nhanh trong vùng cháy của buồng đốt nơi diễn ra sự cháy mãnh liệt và chủ yếu tập trung gần tường của lò hơi. Về sự thay đổi giá trị NOx theo chiều cao buồng đốt thì với tỷ lệ trộn than càng nhiều thì giá trị NOx càng lớn. Cụ thể ở đây, than Hòn gai có tỷ lệ phát thải NOx thấp nhất và tăng dần theo tỷ lệ trộn tương ứng là tỷ lệ trộn 95% - 5%, 90% - 10%, 80% - 20%. Để xem xét rõ hơn về điều này, ta xét sự thay đổi NOx theo từng cơ chế.
Xét sự thay đổi NOx theo từng cơ chế
Do NOx tức thời chiếm tỷ lệ rất nhỏ trong sự hình thành NOx chung, nên ta có thể bỏ qua trong quá trình xét.
Sự phân bố NOx nhiên liệu:
NGUYỄN HỮU LINH 71 KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH 2 – K55
Bảng 4.17 Sự thay đổi NOx nhiên liệu theo chiều cao của các tỷ lệ trộn
STT Chiều cao Than Hòn Gai Than trộn 95-5 Than trộn 90-10 Than trộn 80-20 1 5 442 447 473 571 2 8,7 652 686 631 632 3 9,8 812 783 837 828 4 11 868 892 890 900 5 13 922 930 962 993 6 15 920 941 968 998 7 17 927 944 976 1006 8 19 932 945 984 1014 9 21 945 952 1000 1034 10 23 948 957 1007 1040 11 25 981 1008 1062 1094 Từ bảng 4.17, ta có đồ thị sau:
Hình 4.15 Đồ thị sự thay đổi NOx nhiên liệu theo chiều cao
NGUYỄN HỮU LINH 72 KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH 2 – K55
Hình 4.16. Sự phân bố NOx nhiệt cho từng tỷ lệ trộn than
Lấy giá trị trung bình NOx nhiệt của các mặt theo chiều cao ta được đồ thị:
NGUYỄN HỮU LINH 73 KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH 2 – K55 Qua đó ta thấy sự tăng NOx cho từng loại than với các tỷ lệ khác nhau chủ yếu do NOx nhiên liệu. Xét công thức tính lượng không khí lý thuyết để đốt cháy hoàn toàn 1 kg than:
2 ar ar ar ar 1,866 0, 7 5, 6 100 100 100 100*1, 428 lt O C S H O V
Bảng 4.18 Bảng thành phần mẫu nhận được (ar) than trộn
Ký hiệu Mẫu than Hòn Gai Than nhập khẩu Than trộn 5% Than trộn 10% Than trộn 20% Các bon C 61.5 50.07 60.9285 60.357 59.214 Hydro H 2.32 3.38 2.373 2.426 2.532 Oxy O 2.81 11.14 3.2265 3.643 4.476 Nitơ N 1.04 0.71 1.0235 1.007 0.974 Lưu huỳnh S 0.62 0.73 0.6255 0.631 0.642 Độ tro A 25.33 8.19 24.473 23.616 21.902 Độ ẩm M 6.38 11.14 6.618 6.856 7.332
Bảng 4.19 Lượng không khí lý thuyết để đốt cháy 1 kg than
STT Loại than Lượng không khí lý thuyết để đốt cháy cháy 1kg than
1 Hòn gai 1.262
2 Than trộn 95-5 1.252 3 Than trộn 90-10 1.241 4 Than trộn 80-20 1.219
NGUYỄN HỮU LINH 74 KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH 2 – K55 Ta thấy, khi tăng dần tỷ lệ trộn thì lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy hoàn toàn 1 kg than giảm dần. Trong khi đó, lượng không khí cấp vào không đổi, dẫn đến hệ số không khí tăng. Điều này dẫn đến hệ số không khí thừa tăng. Khi chất bốc trong than tăng, lượng không khí thừa nhiều thì lượng NOx nhiên liệu chất bốc tăng lên nhiều. Vì vậy, để giảm được sự phát thải NOx trong quá trình đốt cháy than thì cần phải giảm NOx nhiên liệu.
NGUYỄN HỮU LINH 75 KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH 2 – K55
CHƯƠNG V: KẾT LUẬN 5.1. Tóm tắt nội dung
Mục đích chính của đề tài là nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng của bài toán cháy than và sự hình thành NOx trong buồng đốt của lò hơi, từ đó ứng dụng để nghiên cứu bài toán trộn than. Các kết quả chính được
trình bày trong luận văn như sau:
Trên cơ sở các số liệu thực tế, đồ án đã xây dựng được mô hình buồng đốt của lò hơi nhà máy nhiệt điện Ninh Bình bằng phần mềm ANSYS DesignModeler.
Dựa trên cơ sở lý thuyết về cháy than và sự hình thành NOx, đồ án đã xây dựng được các mô hình vật lý cho mô hình được dùng trong quá trình mô phỏng cháy than và sự hình thành NOx.
Đồ án cũng đã có một số kết quả nhất định về mô phỏng sự hình thành NOx của than nội địa và áp dụng cho than trộn.
Đồ án đã xác định được sự thay đổi NOx khi ta thay đổi chế độ cháy, cụ thể ở đây là thay đổi tỷ lệ lượng gió cấp vào.
5.2. Kết luận
Trong thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp, đồ án chỉ mới nghiên cứu được bài toán mô phỏng quá trình cháy và sự hình thành NOx cho than nội địa và than trộn. Và cũng đưa ra được một số kết quả về sự hình thành NOx. Tuy nhiên, kết quả mới chỉ dừng lại ở mô hình thí nghiệm, chưa có kết quả đo thực tế để so sánh và đối chiếu. Và do hạn chế về mặt thời gian và cơ sở vật chất nên đồ án chưa tiến hành được nhiều trường hợp và tối ưu hóa bài toán. Do vậy, để có được kết quả tốt hơn, bản thân em cũng cần phải cố gắng hơn nữa. Và em cũng cần nhiều hơn nữa sự giúp đỡ của thầy, cô giáo và bạn bè về mô phỏng cũng như trang bị cơ sở vật chất tốt hơn để phục vụ cho việc nghiên cứu. Và nếu có điều kiện, cần có sự đo đạc trên mô hình thực tế để so sánh với kết quả của đồ án được tốt hơn.
NGUYỄN HỮU LINH 76 KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH 2 – K55
5.3. Đề xuất
Sau khi hoàn thành xong luận văn, em có một số đề xuất như sau:
CFD là một lĩnh vực trên thế giới đã phát triển mạnh tuy nhiên còn khá mới mẻ ở nước ta, chưa được nhiều các nhà khoa học, sinh viên,...quan tâm, vì vậy nên đầu tư hơn nữa cho lĩnh vực này. Bước đầu nên có những chương trình nghiên cứu một cách rất nghiêm túc, trao đổi, tiếp thu những thành tựu về cơ sở lý thuyết CFD của các nước phát triển. Tiếp theo, đầu tư trang thiết bị phục vụ cho công việc nghiên cứu, thí nghiệm.
Để phát triển được lĩnh vực này, đòi hỏi phải có đội ngũ cán bộ, các nhà nghiên cứu khoa học có đầy đủ kiến thức chuyên môn, ở nước ta hiện nay đội ngũ cán bộ, các nhà nghiên cứu khoa học về lĩnh vực này còn hạn chế. Vì vậy, cần xúc tiến, có kế hoạch đào tạo nguồn nhân lực trẻ phục vụ cho việc nghiên cứu CFD trong tương lai. Đưa lĩnh vực CFD vào trong chương trình đào tạo, giảng dạy cho sinh viên các nghành cơ khí kỹ thuật. Trong đó có cả việc nghiên cứu, phát triển các phần mềm ứng dụng mô phỏng CFD.
NGUYỄN HỮU LINH 77 KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH 2 – K55
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng việt
1. Nguyễn Sỹ Mão. Lò hơi, tập 1,2. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội, 2006.
2. Quy hoạch điện VII. 2011.
3. Viện Năng lượng. Nghiên cứu, thiết kế, ứng dụng vòi phun đốt than UD cho lò hơi nhà máy điện Ninh Bình. 1999.
4. TS. Lê Đức Dũng. Lý thuyết về sự hình thành và các biện pháp giảm phát thải NOx.
5. TS. Lê Đức Dũng. Một số vấn đề trộn than.
6. Viện năng lượng. Bản vẽ CAD lò hơi và cụm miệng vòi.
Tài liệu tiếng anh
7. ANSYS, Inc. ANSYS Fluent Tutorial Guide Release 15.0 8. ANSYS, Inc. ANSYS Fluent Theory Guide Release 15.0
9. Idemitsu Kosan Co, Ltd. Result of combustion simulation analysis for Pha Lai No.2 and Vung Ang No.1. 2012
10.Ligeng Qian, Yinliang Ma, Ping Sun, Kefa Cen, Jianren Fan.
Computational modeling of pulverized coal combustion processes in tangentially fired furnaces. Elsevier 2001.
11.Abdulnaser Sayma. Computational Fluid Dynamics. Website: Bookboon.com
12.Li Jun, Yan Weiping, Gao Yang. Numerical Analysis of the Factors about Combustion Stability on Boiler. TELKOMNIKA. 2012
13. Zhao Feng TIAN, Peter J.WITT, M. Phillip SCHWARZ, William YANG. Numerical Modelling of Brown Coal Combustion in a Tangentally Fired Furnance. 2009.