Lò đốt than được nghiên cứu là lò đốt của nhà máy nhiệt điện Ninh Binh, có dạng lò hình chữ Π. Có 4 cụm vòi phun than đặt tại 4 góc lò. Mỗi cụm vòi gồm nhiều miệng phun than và khí. Để đơn giản hóa bài toán, ta mô hình hóa mỗi cụm vòi đốt thành 3 miệng phun, mỗi miệng phun đồng thời cả than và khí. Hình 3.2 mô tả phạm vi của lò hơi cần đưa vào mô phỏng (không đúng kích thước). Nhánh bên phải của lò sẽ được lấy tới hết vị trí của các bộ trao đổi nhiệt.
Hình 3.2: Phạm vi của lò hơi cần mô hình hóa.
Hình 3.3: Kích thước mô hình lò hơi theo tỉ lệ 1:1.
Các kích thước của mô hình được lấy theo kích thước thật của lò trên bản vẽ kỹ thuật lò với tỉ lệ 1:1:
- Chiều cao lò H = 23.5 m. - Bề ngang lò L = 12.6 m.
- Bề rộng vùng buồng đốt L1 = 7.6 m; L2 = 7.9 m.
- Vị trí các miệng vòi đốt lần lượt tại H1 = 6 m; H2 = 8 m; H3 = 10 m. Các miệng vòi coi như có dạng tròn, bán kính 0.2 m.
3.2.2. Chia lưới mô hình
Mô hình lò 3D được chia lưới theo phương pháp Hex Dominant với số lượng phần tử lưới là hơn 140 000 phần tử; số lượng nút lưới là gần 120 000 nút. Chất lượng lưới:
- Chỉ số chất lượng trực giao (Orthogonal Quality): Giá trị nhỏ nhất là 0.2436. - Chỉ số độ méo của ô lưới (Skewness): Giá trị lớn nhất là 0.846.
Với bài toán cháy ở mức độ đơn giản thì mô hình lưới này có thể chấp nhận được. (Khi chạy giải độ hội tụ có thể đạt tới cỡ 10-5)
Hình 3.4: Chia lưới Hex Dominant và các chỉ số chất lượng lưới
3.2.3. Thiết lập điều kiện bài toán trong ANSYS CFX
Phiên bản ANSYS CFX sử dụng ở đây là 14.5. CFX hỗ trợ thiết lập và giải bài toán cháy than thông qua việc thiết lập các chất phản ứng, các phương trình và các điều kiện của phản ứng. Các thiết lập cần thực hiện như sau:
3.2.3.1. Thiết lập các chất phản ứng và chất sản phẩm có trong mô hình cháy
Thư viện của chương trình CFX có sẵn các chất sau: air (không khí), CO, CO2, O2, N2, NO, SO2, các khí hiđrocacbon CxHy, H2O (cả ở dạng lỏng và hơi). Ngoài những chất có sẵn, ta cần định nghĩa thêm chất mới là than. Ở đây than có dạng hạt rắn với cấu tạo và các tính chất vật lý, hóa học như sau:
- Cấu tạo: Thành phần than được cho trong bảng 3.1 với 3 loại than đưa vào mô phỏng.
Phân tích xấp xỉ, AR Đơn vị Than Hòn Gai Than nhkhẩu ập Than tr9:1 ộn tỉ lệ theo khối lượng
Độ ẩm % 6.38 20.62 7.804 Chất bốc % 7.37 38.45 10.478 Xỉ % 25.33 9.23 23.72 Cốc % 60.92 31.7 57.998 Phân tích chính xác, DAF - - - - C % 90.06 74.29 88.483 H % 3.4 5.12 3.572 S % 0.91 0.45 0.864 N % 1.52 1.49 1.517 O % 4.11 18.65 5.564 Nhiệt trị thực kJ/kg 21 844 18 125 21 472.1
Bảng 3.1: Thành phần cấu tạo của ba loại than: than Hòn Gai, than nhập khẩu và
than trộn.
- Tính chất vật lý và hóa học: Các tính chất cần quan tâm của than trong bài toán cháy là:
•Kích thước hạt than: Trong trường hợp đơn giản nhất, coi các hạt than là các hình cầu giống hệt nhau có cùng đường kính 100 μm.
•Nhiệt trị: Nhiệt trị là nhiệt lượng sinh ra khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối lượng nhiên liệu. Có hai loại nhiệt trị là nhiệt trị cao (Higher Heating Value – HHV) và nhiệt trị thấp hay nhiệt trị thực (Lower Heating Value – LHV/Net Calorific Value – NCV). Ở đây ta xét tới giá trị nhiệt trị thực NCV.
3.2.3.2. Thiết lập các phản ứng của quá trình cháy
Trong CFX không có sẵn các phản ứng cháy của than nhưng cho phép định nghĩa thêm phản ứng mới, do vậy ta cần định nghĩa thêm các phản ứng cần thiết:
- Quá trình bốc hơi của chất bốc: Trong quá trình này hạt than được đốt nóng, chất bốc thoát ra khỏi than. Phương trình mô tả quá trình:
Than →to Cốc + Chất bốc (3.1) Tốc độ của phản ứng đã được đề cập tới trong phần Cơ sở lý thuyết cháy. Ở đây ta sử dụng mô hình tốc độ Arrhenius đơn với các hằng số năng lượng hoạt hóa E = 230 kJ/mol; hệ số trước hàm mũ exp (tần số va chạm) B = 1.34x105
s-1.
Hình 3.5: Thiết lập các thông số cho phản ứng bốc hơi chất bốc
- Phản ứng cháy của chất bốc: Bản chất của phản ứng này là sự cháy các khí hiđrocacbon có trong chất bốc. Để đơn giản hóa, coi chất bốc chỉ gồm khí CH4. Khi đó phản ứng cháy chất bốc sẽ là:
4 2 2 to 2 2 2
CH + O →CO + H O (ΔH = −891 kJ/mol) (3.2) Năng lượng hoạt hóa của phản ứng bằng năng lượng hoạt hóa CH4 bằng 74.85 kJ/mol. Hệ số trước hàm mũ exp hay tần số va chạm B = 8.3×106
s-1.
Hình 3.6: Thiết lập các thông số cho phản ứng cháy chất bốc
- Phản ứng cháy của cốc: Phản ứng cháy của cốc là một quá trình phức tạp nhiều giai đoạn như đã được xét tới trong cơ sở lý thuyết về quá trình cháy. Ta thấy rằng nếu lượng oxi đủ lớn (dư) giống như điều kiện cháy trong lò đốt than, sản phẩm sau cùng chỉ là CO2. Vậy để đơn giản bài toán ta coi phản ứng cháy cốc xảy ra như sau:
2 2
o t
C+O →CO (H = −394 kJ/mol) (3.3) Tốc độ cháy hạt cốc phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán oxi và tốc độ cháy bề mặt của hạt cốc. Do vậy ta cần thiết lập các hằng số của phản ứng như sau:
•Tốc độ cháy bề mặt: Hệ số trước hàm mũ exp A = 3050 kg/(m2
s); năng lượng hoạt hóa E = 179.4 kJ/mol.
•Tốc độ khuếch tán: Hệ số khuếch tán động lực học Dref = 1.8×10-5 kg/(ms) tại nhiệt độ quy chiếu Tref = 293K (20oC); hệ số mũ α = 0.75.
Hình 3.7: Các giá trị thiết lập cho tốc độ cháy bề mặt và tốc độ khuếch tán khí oxi 3.2.3.3. Thiết lập điều kiện biên cho bài toán
Sau khi đã định nghĩa các chất phản ứng, chất sản phẩm và các phản ứng cho quá trình cháy, ta đi thiết lập điều kiện biên của bài toán.
- Điều kiện đầu vào (INLET): Vị trí đầu vào của bài toán là 12 miệng vòi phun trên mô hình. Tại mỗi vòi coi than và khí được phun đồng thời vào trong lò với lưu lượng phun, vận tốc phun và nhiệt độ của than và khí đã biết trước (các giá trị này lấy theo giá trị thực tế của Nhà máy Nhiệt điện Ninh Bình):
•Hướng phun: Hai vòi đối diện nhau phun đồng phương với nhau. Mỗi cụm vòi đối diện lần lượt hợp với tường lò các góc 39o
và 48o. Hướng phun song song với phương ngang. Sự bố trí phun như này sẽ tạo ra một vùng xoáy của ngọn lửa ở trung tâm lò giúp tăng hiệu quả đốt cháy than.
Hình 3.8: Hướng phun khí và than tại các miệng vòi phun.
•Vận tốc và lưu lượng phun: Lưu lượng than phun vào lò qua mỗi vòi là 0.292 kg/s, tổng lưu lượng than vào lò là 3.5 kg/s. Vận tốc phun khí và than là 17 m/s.
•Nhiệt độ hỗn hợp: Khí và than được làm nóng trước khi đưa vào lò nhằm tăng hiệu quả cháy và ổn định ngọn lửa. Nhiệt độ của hỗn hợp khí và than tại miệng phun là 523K (250oC).
- Điều kiện đầu ra (OUTLET): Hỗn hợp sau cháy sau khi đi qua các bộ trao đổi nhiệt sẽ được đưa tới các thiết bị lọc khí thải trước khi đi ra ngoài môi trường. Trong phạm vi mô hình bài toán này chỉ xét tới vị trí sau các bộ trao đổi nhiệt. Coi áp suất tại đó bằng áp suất bên ngoài môi trường (1 atm).
Hình 3.9: Vị trí ra của dòng hỗn hợp sau cháy.
- Điều kiện tường (WALL): Trong thực tế mặt trong của tường lò là hệ thống dàn ống nước trao đổi nhiệt. Tuy nhiên trong mô phỏng, để đơn giản hóa ta không mô hình hóa hệ thống này mà coi tường là một bề mặt hấp thụ nhiệt từ hỗn hợp cháy trong lò với hệ số truyền nhiệt được tính như sau: Giả thiết rằng các ống trao đổi nhiệt làm bằng đồng với bề dày 1 mm; bên trong là dòng nước chảy với vận tốc 1 m/s và nhiệt độ là 100oC. Coi diện tích tiếp xúc giữa môi trường trong lò với hệ thống dàn ống bằng diện tích mặt trong của tường lò. Ta tính được hệ số truyền nhiệt tổng cho tường lò là 40 W/m2K.
- Trong bài toán này không xét tới ảnh hưởng của các bộ trao đổi nhiệt.
3.3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Sau khi thiết lập xong các điều kiện đầu vào cho bài toán, ta tiến hành chạy giải. Với bài toán này, lời giải sẽ hội tụ tốt nhất tới cỡ 10-5 sau hơn 500 vòng lặp. Thời gian giải trung bình cho một trường hợp trên một máy tính có cấu hình trung bình là khoảng 5h.
Đầu tiên ta sẽ phân tích các kết quả của trường hợp mô phỏng than Hòn Gai, sau đó sẽ so sánh với kết quả mô phỏng than nhập khẩu và than trộn theo tỉ lệ 9 : 1 (than Hòn Gai/than nhập khẩu) về khối lượng.
Động lượng và khối lượng Phương trình truyền nhiệt
Phương trình rối Hệ số khối lượng các chất Hình 3.10: Đồ thị hội tụ lời giải các phương trình của bài toán.
Các kết quả cần quan tâm trong bài toán cháy than gồm: Phân bố nhiệt độ trong lò; phân bố vận tốc dòng khí; chuyển động của các hạt than và phân bố các sản phẩm cháy CO2, NO.
Để phân tích các kết quả, ta sử dụng hệ trục tọa độ XYZ với gốc nằm tại đáy lò, trục Z hướng thẳng đứng lên trên theo chiều cao của lò.
Hình 3.11: Hệ tọa độ sử dụng trong phân tích kết quả.
Ta sẽ sử dụng các mặt cắt ngang như ở hình 3.11 để thể hiện và đánh giá các phân bố nhiệt độ, vận tốc và nồng độ các chất. Vùng buồng đốt nằm giữa hai mặt cắt ngang Z = 3 m và Z = 15 m sẽ là khu vực được nghiên cứu chính. Các mặt cắt Z = 6 m, Z = 8 m và Z = 10 m là các mặt cắt đi qua vị trí của các vòi phun.
Z
X Y
Z
Hình 3.12: Vùng buồng đốt giới hạn bởi hai mặt cắt Z = 3 m và Z = 15 m la khu
vực cần quan tâm nhất
3.3.1. Phân bố nhiệt độ với trường hợp than Hòn Gai
Hình 3.13: Phân bố nhiệt độ tại mặt cắt giữa lò (Y=3.95 m).
Nhiệt độ lớn nhất trong lò đạt được là 1615oC. Nhiệt độ cao (vùng màu cam và đỏ) phân bố tập trung ở trung tâm của buồng đốt. Hình 3.14 và đồ thị 3.1 biểu diễn sự phân bố nhiệt độ trên các mặt cắt ngang cho thấy, đi từ thấp lên cao, nhiệt độ trung bình trên các mặt cắt có xu hướng tăng dần, đạt giá trị cao nhất tại Z = 9 m. Mặt cắt Z = 6 m, 8 m và 10 m có giá trị giảm xuống là do đây là các vị trí có dòng hỗn hợp nhiệt độ thấp đi vào lò. Bắt đầu từ mặt cắt Z = 11 m thì nhiệt độ trung bình bắt đầu giảm.
Z = 15 m Z = 10 m Z = 3 m Z = 6 m Z = 8 m Y = 3.95 m 28
Hình 3.14: Phân bố nhiệt độ tại các mặt cắt trong vùng buồng đốt. Z = 3 m Z = 4 m Z = 5 m Z = 6 m Z = 7 m Z = 8 m Z = 9 m Z = 10 m Z = 11 m Z = 12 m Z = 13 m Z = 14 m 29
Đồ thị 3.1: Nhiệt độ trung bình tại các mặt cắt ngang.
Đi từ thấp lên cao, xu hướng chung là vùng ở giữa lò có nhiệt độ cao hơn khu vực thành lò, và có xu hướng giảm dần từ tâm lò ra tới thành lò. Tại 3 mặt cắt Z = 6, 8 và 10 m, coi vùng có ngọn lửa là vùng có nhiệt độ cao nhất (vùng màu cam và đỏ) thì ngọn lửa có dạng lệch ra khỏi hướng phun và tạo thành một vòng tròn quanh tâm lò. Điều này có thể được giải thích khi ta nhìn vào quỹ đạo chuyển động của các hạt
Hình 3.15: Quỹ đạo chuyển động của các hạt than bên trong lò.
than trong hình 3.15. Hình này cho thấy các hạt than tại mặt cắt Z = 8 m cũng chuyển động lệch khỏi hướng phun khi đi gần vào tâm lò. Vùng màu biến đổi thể hiện sự biến đổi khối lượng thành phần cốc trong hạt than, tức là tại vùng này hạt cốc đang xảy ra hiện tượng cháy. Các hạt than chuyển động theo một dạng xoắn ốc, có xu hướng bay lên phía trên và thoát ra ngoài. Tuy nhiên cũng có một số hạt chuyển động xuống phía dưới đáy lò.
1250 1270 1290 1310 1330 1350 1370 1390 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Nhiệt độ (oC) Vị trí các mặt cắt ngang Z (m) Z = 8 m 30
3.3.2. Phân bố vận tốc
Hình 3.16: Đường dòng vận tốc của dòng khí trong lò và tại mặt cắt Z = 8 m.
Z = 6 m Z = 8 m Z = 10 m
Hình 3.17: Phân bố vận tốc góc của dòng khí tại 3 mặt cắt qua vị trí các vòi phun.
Z = 6 m Z = 8 m Z = 10 m Z = 12 m
Hình 3.18: Phân bố vận tốc theo phương Z tại 4 mặt cắt.
Z = 8 m
Đồ thị 3.2: Phân bố vận tốc góc tại các mặt cắt.
Hình 3.16 cho thấy đường dòng của dòng hỗn hợp trong lò có dạng xoắn ốc hướng lên trên. Mặt cắt tại Z = 8 m cho thấy có thể coi tâm xoắn nằm tại tâm lò. Do đó ta chọn một trục thẳng đứng đi qua chính giữa các mặt cắt ngang để xét giá trị vận tốc góc của dòng khí trên các mặt cắt này, giá trị này lớn thể hiện rằng vùng khí tại đó có độ xoáy lớn. Hình 3.17 và đồ thị 3.2 cho thấy, trên các mặt cắt, vùng có tốc độ xoáy lớn nhất là vùng tâm lò và giảm dần giá trị khi tiến dần ra thành lò. Mặt cắt tại Z = 6 và 10 m có giá trị vận tốc góc lớn nhất (đường nét đứt đỏ và xanh trên đồ thị 3.2), tức là dòng hỗn hợp tại 2 mặt cắt này có độ xoáy lớn nhất. Đi lên cao tốc độ xoáy có chiều hướng giảm (đường liền màu vàng và xanh lục). Vùng gần đáy lò (Z = 4 m) dòng hỗn hợp ít xoáy (đường liền màu tím).
Trên hình 3.18 thể hiện phân bố vận tốc theo phương thẳng đứng của dòng hỗn hợp. Tại mặt cắt Z = 6 m, vùng xanh đậm ngoài dải màu ở giữa mặt cắt thể hiện giá trị vận tốc âm, tức là dòng hỗn hợp chuyển động hướng xuống. Theo chiều đi lên, vận tốc theo phương Z có giá trị tăng dần, thể hiện dòng hỗn hợp chuyển động lên trên với tốc độ nhanh dần, vùng phía trong chuyển động nhanh hơn vùng ngoài thành.
Như vậy có thể thấy rằng các phân bố nhiệt độ và vận tốc đều cho vùng giá trị cao nằm ở tâm lò và giảm dần khi đi ra phía thành. Điều này cho thấy một sự đặc trưng trong quá trình cháy của than trong lò hơi.
0 2 4 6 8 10 12 0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3 3.3 3.6 Vận tốc góc trun g bình (rad/s) Bán kính đường tròn tính từ tâm lò (m) Z = 4 m Z = 6 m Z = 8 m Z = 10 m Z = 12 m Z = 14 m 32
3.3.3. Phân bố các sản phẩm cháy (khí thải)
3.2.3.1. Phân bố khí thải CO2
Hình 3.19: Phân bố nồng độ khí CO2 tại mặt cắt giữa lò.
Z = 4 m Z = 6 m Z = 8 m
Z = 10 m Z = 12 m Z = 14 m
Hình 3.20: Phân bố nồng độ mol khí CO2 tại các mặt cắt.
Y = 3.95 m
Trên hình 3.19 cho thấy khí CO2 phân bố khá đồng đều với nồng độ chủ yếu là từ 1 – 1.2 mol/m3. Tuy nhiên trên hình 3.20 cho thấy vùng đáy lò có nồng độ cao hơn một chút với giá trị tại mặt cắt Z = 4 m nằm trong khoảng 1.2 – 1.4 mol/m3. Các vị trí mặt cắt còn lại cho giá trị nồng độ chủ yếu nằm trong khoảng 0.6 – 1.2 mol/m3.
3.2.3.2. Phân bố NO
Hình 3.21: Nồng độ mol NO tại mặt cắt giữa lò (hình a) và mặt cắt đầu ra (hình b)
Hình 3.22: Phân bố nhiệt độ và nồng độ NO.
Y =95
Z = 3 m Z = 4 m Z = 5 m
Z = 6 m Z = 7 m Z = 8 m
Z = 9 m Z = 10 m Z = 11 m