Nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình cháy than ANTHRAXIT và nâng cao hiệu suất lò hơi nhà máy nhiệt điện

TỔNG QUAN

Tổng quan về đề tài

Để đáp ứng nhu cầu than ngày càng tăng cho sản xuất điện, trong khi nguồn than nội địa không đủ và chất lượng giảm sút, việc sử dụng hợp lý than nội địa và nhập khẩu là rất cần thiết Cần trộn than với tỉ lệ hợp lý để đảm bảo chất lượng cho nhiệt điện, đồng thời kết hợp các giải pháp phân phối và vận chuyển hiệu quả Điều này không chỉ giúp cung cấp than ổn định lâu dài mà còn giảm chi phí, nâng cao hiệu suất năng lượng cho các nhà máy nhiệt điện, đảm bảo sự hoạt động ổn định của thiết bị và giảm chi phí đầu tư cải tạo công nghệ đốt.

Giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đặc biệt là giảm phát thải các chất gây ô nhiễm như NOx và SOx trong quá trình đốt than, là một vấn đề quan trọng Việc nâng cao hiệu suất cháy than của lò hơi không chỉ giúp cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu mà còn giảm lượng nhiên liệu tiêu hao, đồng thời vẫn đảm bảo đáp ứng đủ nhu cầu sản xuất điện.

Nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình cháy của than anthraxit và nâng cao hiệu suất nhà máy nhiệt điện thông qua công nghệ đốt than trộn là rất cần thiết Điều này không chỉ hỗ trợ các nhà máy nhiệt điện đốt than đang hoạt động mà còn có ý nghĩa quan trọng đối với những nhà máy sẽ đi vào vận hành trong giai đoạn 2018 – 2020 Việc này mang lại giá trị khoa học và thực tiễn cao, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.

Tác giả đã nghiên cứu đề tài "Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình cháy than anthracite và nâng cao hiệu suất lò hơi nhà máy nhiệt điện" bằng cách khảo sát quá trình cháy của các tỉ lệ than trộn trong lò hơi kiểu tiếp tuyến qua phần mềm ANSYS, nhằm tìm ra tỉ lệ tối ưu nhất Mục tiêu là tối ưu hóa việc sử dụng nhiên liệu, tiết kiệm thời gian và chi phí trước khi tiến hành thí nghiệm thực tế, đồng thời đảm bảo các yêu cầu đã đề ra Nghiên cứu đã áp dụng mô hình mô phỏng ANSYS FLUENT cho nhà máy nhiệt điện Ninh Bình, nơi đã thử nghiệm đốt than trộn với tỉ lệ 95%-5% và dự kiến sẽ thử nghiệm các tỉ lệ 90%-10% và 80%-20% Việc cải tạo vòi đốt và thí nghiệm trên mô hình thực tế rất tốn kém, do đó, mô hình mô phỏng ANSYS giúp giảm thời gian nghiên cứu và hạn chế rủi ro Kết quả nghiên cứu sẽ hỗ trợ xây dựng chế độ đốt tối ưu cho lò hơi nhà máy nhiệt điện.

1.1.1 Mục đích hướng đến của đề tài

Các nhân tố chủ yếu ảnh hưởng đến quá trình cháy than anthraxit bao gồm chất lượng than, độ ẩm, kích thước hạt và điều kiện lò Việc đánh giá những yếu tố này sẽ giúp xác định các phương án cải thiện nhằm nâng cao hiệu suất cháy than và hiệu suất lò hơi của nhà máy nhiệt điện Từ đó, các biện pháp tối ưu hóa có thể được đề xuất để tăng cường hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm thiểu khí thải.

- Xây dựng mô hình ANSYS FLUENT đánh giá chế độ cháy của các tỉ lệ trộn khác nhau thông qua sự phân bố nhiệt độ trong buồng đốt

Khảo sát và đánh giá tỉ lệ gió cấp 1/cấp 2 tương ứng với tỉ lệ trộn nhằm đạt hiệu suất cháy cao nhất là cần thiết để tối ưu hóa việc sử dụng than trộn.

Hiện nay, phương pháp mô phỏng đang trở thành xu hướng phổ biến trong việc đánh giá lựa chọn trước khi thực nghiệm, đặc biệt trong lĩnh vực nhiệt điện Phần mềm ANSYS FLUENT được nhiều đơn vị sử dụng để thực hiện mô phỏng, cho phép thay đổi linh hoạt các chế độ và điều kiện vận hành Việc áp dụng nền tảng này không chỉ giảm thiểu số lần thực nghiệm mà còn tiết kiệm đáng kể thời gian, công sức và chi phí.

Trong bài luận văn này, chúng tôi sẽ áp dụng nền tảng ANSYS FLUENT để xây dựng mô hình và chế độ tải, nhằm đánh giá các phương án trên mô hình trước khi tiến hành thực nghiệm với phương án được lựa chọn.

1.1.3 Nội dung luận văn Đề thực hiện những mục đích đã nêu, luận văn sẽ gồm các nội dung như sau: Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Lí thuyết quá trình cháy than anthraxit trong lò hơi và các yếu tố ảnh hưởng đến quá chính cháy than anthraxit

Chương 3: Phần mềm mô phỏng ANSYS FLUENT

Chương 4: Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình cháy than trong lò hơi bằng phần mềm mô phỏng ansys fluent

Chương 5: Kết quả mô phỏng và bình luận

Vai trò nhiệt điện đốt than ở Việt Nam và ý nghĩa việc nâng cao hiệu suất

cho lò hơi nhà máy nhiệt điện

1.2.1 Vai trò của nhiệt điện đốt than

Theo quyết định số 428/QĐ-TTg, quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020, có xét đến năm 2030 (Quy hoạch điện VII) và quyết định số 403/QĐ-TTg về quy hoạch phát triển ngành than Việt Nam đến năm 2020, với triển vọng đến năm 2030, nhằm mục tiêu cung cấp đủ điện cho sự phát triển kinh tế đất nước trong giai đoạn 2016-2030 Điều này sẽ được thực hiện thông qua việc sử dụng hiệu quả các nguồn nhiên liệu trong nước.

4 góp phần bảo tồn tài nguyên thiên nhiên và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường

Nhu cầu sử dụng nhiệt điện than tại Việt Nam vẫn chiếm khoảng 50% tổng số nhà máy phát điện Theo quy hoạch hiện tại, điều này cho thấy vai trò quan trọng của nhiệt điện than trong hệ thống năng lượng quốc gia.

Nhà máy nhiệt điện đóng vai trò chủ lực trong việc cung cấp điện cho sự phát triển quốc gia, với nhu cầu điện từ nguồn này tăng nhanh chóng theo đà phát triển của đất nước Trong khi đó, nguồn thủy điện đã được khai thác tối đa, các nguồn cung cấp điện khác vẫn chưa đạt được trình độ khoa học cần thiết hoặc đang trong giai đoạn xây dựng ban đầu, hoặc chỉ ở mức tiềm năng chờ khai thác.

Nhiệt điện đốt khí 16.60 19.00 16.80 Điện mặt trời 0.50 1.60 3.30

Phong điện 0.80 1.00 2.10 Điện từ sinh khối 0.80 1.00 2.10 Điện hạt nhân 0.00 0.00 5.70

Tỉ lệ % từ các nguồn cấp điện theo quy hoạch

Hình 1.2: Công suất điện được cung cấp từ các nguồn khai thác theo quy hoạch [1]

Nhiệt điện đốt than đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện cho đất nước, nhờ vào khả năng đáp ứng nhanh chóng, chi phí thấp và chất lượng điện ổn định Các số liệu quy hoạch cho thấy sự phù hợp với đà phát triển của Việt Nam, khẳng định vị thế then chốt của nguồn năng lượng này trong hệ thống điện quốc gia.

1.2.2 Nguồn than cho nhà máy nhiệt điện

Việt Nam đang đối mặt với thách thức toàn cầu về sự cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên và khó khăn trong việc khai thác, đồng thời phải đối diện với vấn đề sử dụng nguồn tài nguyên không bền vững Theo quy hoạch khai thác than, nhu cầu than cung cấp cho các nhà máy nhiệt điện đang gia tăng, đặt ra yêu cầu cấp thiết trong việc quản lý và sử dụng tài nguyên một cách hiệu quả và bền vững.

Nhiệt điện đốt khí 9000.00 15000.00 19000.00 Điện mặt trời 850.00 4000.00 12000.00

Phong điện 800.00 2000.00 6000.00 Điện từ sinh khối 1000.00 2400.00 6000.00 Điện hạt nhân 0.00 0.00 4600.00

Công suất điện cung cấp bởi các nguồn theo quy hoạch

Bảng 1.1: Nguồn than cung cấp cho nhiệt điện theo quy hoạch [2]

Năm Đơn vị Nhu cầu than Quy hoạch khai thác Thiếu hụt

Ngành than hiện nay không đáp ứng đủ nhu cầu trong nước, buộc phải nhập khẩu than để bù đắp thiếu hụt Than nội địa cung cấp cho nhà máy nhiệt điện chủ yếu là than anthraxit cám xấu, với chất lượng thấp, khó đốt cháy Các lò hơi đốt than bột phải sử dụng dầu khi phụ tải dưới 70% định mức, và khi phụ tải dưới 50%, phải đốt hoàn toàn bằng dầu Điều này dẫn đến lượng cacbon chưa cháy trong tro cao, giảm hiệu suất năng lượng của nhà máy điện từ 3 – 4% Dự báo chất lượng than nội địa trong tương lai cũng không có dấu hiệu cải thiện.

Nhiệt điện đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện cho đất nước, và nhà nước đặc biệt quan tâm đến sự ổn định và phát triển của ngành này Quyết định số 5964/QĐ-BCT ngày 9/12/2012 của Bộ Công Thương đã xác định nhu cầu và nguồn cung than cho sản xuất điện đến năm 2030, đồng thời tối ưu hóa phương pháp cung cấp than cho các nhà máy nhiệt điện Quy hoạch Điện VII cùng với phụ lục của quyết định này thể hiện mong muốn cung cấp một loại than ổn định trong suốt vòng đời của mỗi nhà máy Tuy nhiên, để thực hiện điều này, cần có các nghiên cứu toàn diện về tổ chức đốt cháy than, đặc biệt là việc phối trộn các loại than để đảm bảo loại than cung cấp cho nhà máy là tối ưu cho từng cấu tạo lò hơi.

1.2.3 Ý nghĩa của việc nâng cao hiệu suất lò hơi nhà máy nhiệt điện

Mặc dù nhiệt điện mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường Tại Việt Nam, nhiệt điện chủ yếu sử dụng than, một nguồn nguyên liệu rẻ và sẵn có Tuy nhiên, việc đốt than dẫn đến ô nhiễm môi trường, khi nó phát thải bụi, SO2, NOX và CO2.

Bảy yếu tố chính gây ô nhiễm môi trường bao gồm quy định về nhiệt độ nước thải không được vượt quá mức an toàn cho hệ sinh thái Đối với chất thải rắn, cần phải xử lý triệt để để tái sử dụng làm vật liệu xây dựng Ngoài ra, các hạt bụi cũng có thể gây ô nhiễm cho nguồn nước và mạch nước ngầm.

Nguồn than cung cấp cho nhà máy nhiệt điện cần đảm bảo chất lượng nhất định để đạt hiệu suất tối ưu Than lý tưởng cho nhà máy nhiệt điện yêu cầu có lượng tro thấp và chất bốc cao Tuy nhiên, than hiện tại mà Việt Nam sử dụng lại có lượng chất bốc thấp và độ tro cao, dẫn đến hiệu suất cháy không đạt yêu cầu.

Việc nâng cao hiệu suất của nhà máy nhiệt điện là rất cần thiết để giảm phát thải khí độc hại và chất thải ra môi trường, đồng thời vẫn đảm bảo cung cấp đủ điện năng cho sự phát triển của đất nước Hơn nữa, việc tận dụng nguồn tài nguyên trong nước để sản xuất điện sẽ giúp giảm phụ thuộc vào việc nhập khẩu tài nguyên từ nước ngoài.

Tình hình nghiên cứu nâng cao hiệu suất lò hơi nhà máy nhiệt điện thông

Việc tối ưu hóa đốt than trộn là yếu tố quan trọng để nâng cao hiệu suất cho nhà máy nhiệt điện Hiệu suất của nhà máy chủ yếu bị ảnh hưởng bởi các bộ phận như lò hơi, bộ trao đổi nhiệt, tổn thất đường hơi, turbine và bình ngưng Mặc dù nhiều bộ phận đã được tối ưu hóa hiệu quả, lò hơi vẫn còn tiềm năng để cải thiện nhằm đáp ứng nhu cầu hiện tại.

Hiện nay, các phương án thiết kế lò đã tối ưu hoặc có chi phí đầu tư cao, khiến việc điều chỉnh hoặc xây mới trở nên khó khăn và thời gian đáp ứng không kịp nhu cầu Trong bối cảnh tài nguyên đang cạn kiệt, đặc biệt là than, phương án đốt than trộn nổi lên như một giải pháp tiềm năng Giải pháp này không chỉ cho phép sử dụng các loại tài nguyên kém chất lượng mà còn giúp sản xuất điện từ các nhà máy cũ đã được thiết kế và xây dựng trước đó, mang lại kết quả khả quan.

Công nghệ lò hơi lớp sôi tuần hoàn (CFB) là một giải pháp hiệu quả để đốt than chất lượng thấp với hàm lượng tro cao Tuy nhiên, lò hơi than phun vẫn là công nghệ chủ đạo nhờ vào những ưu điểm nổi bật như công suất lớn và hiệu suất cao, đặc biệt phù hợp với các loại than ít lưu huỳnh Mặc dù lò hơi tầng sôi tuần hoàn có tiềm năng, nhưng vẫn còn hạn chế về mặt công suất.

Tại Việt Nam, than anthraxit có hàm lượng chất bốc thấp, dẫn đến khó khăn trong quá trình đốt cháy Điều này làm cho tỉ lệ carbon chưa cháy hết trong tro bay tại các lò hơi đốt than phun vẫn ở mức cao, thậm chí có thể lên tới 18%, gây lãng phí lớn tài nguyên than.

1.3.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Để đốt hiệu quả than anthraxit có chất bốc thấp, độ tro cao, một trong những phương án mà các nhà chế tạo lò hơi lớn trên thế giới (như ở Nhật có Mitsubishi, IHI, Idemitsu, Marubeni; ở Mỹ có Foster Wheeler; ở Trung Quốc, …) lựa chọn là trộn than anthraxit với than bitum hoặc á bitum có chất bốc cao hơn, độ tro thấp hơn, để đốt trong các lò hơi của nhà máy nhiệt điện Điển hình là nhà máy điện Hanfeng của Trung Quốc, vận hành từ năm 2000, có 2 tổ máy, công suất 660 MW, đốt than anthraxit mỏ Wannian trộn với than bitum có chất bốc cao của tỉnh Shanxi

Tây Ban Nha sở hữu nguồn than anthraxit phong phú, có đặc tính tương tự như than anthraxit Việt Nam, đặc biệt về độ ẩm, chất bốc và độ tro Kinh nghiệm đốt than của các nhà máy điện Tây Ban Nha, như việc trộn than anthraxit với than bitum, rất đáng chú ý Nhà máy điện Compostilla, trước năm 1992, chỉ sử dụng than anthraxit, nhưng do chất lượng nhiên liệu giảm và khó khăn trong tối ưu quá trình cháy, đã phải nhập khẩu than bitum từ Nam Phi để trộn với than anthraxit trong nước Tại nhà máy điện Puente Nuevo, lò hơi được thiết kế với hai loại vòi đốt riêng biệt: vòi đốt than anthraxit nằm ở vai lò và vòi đốt than bitum nằm ngang ở các tường trước và sau, cho phép cả hai loại vòi hoạt động đồng thời trong quá trình vận hành.

Gần đây, hãng IHI (Nhật Bản) đã tiến hành nghiên cứu và thí nghiệm đốt than trộn anthraxit của Việt Nam và than nhập khẩu, được tài trợ bởi Bộ METI thông qua NEDO và JCOAL Mục tiêu của nghiên cứu này là phục vụ cho các nhà máy điện đốt than cỡ lớn tại Việt Nam trong tương lai, sử dụng công nghệ siêu tới hạn của Nhật Bản Đã tiến hành phân tích than trộn giữa than anthraxit Việt Nam (cám 5A Hòn Gai) và than nhập khẩu (á bitum Indonesia) qua hai giai đoạn thử nghiệm Giai đoạn 1 được thực hiện ở quy mô nhỏ trong lò làm mát bằng nước với công suất 1,2MW, sử dụng vòi đốt 150 kg/h cho than bitum Giai đoạn 2 đã thử nghiệm trong lò với công suất 12MW, sử dụng hai loại vòi đốt, bao gồm vòi đốt cho than chất bốc thấp và vòi đốt IHI.

Vào tháng 12 năm 2012, theo chương trình của JCOAL, Phòng Nghiên cứu, thí nghiệm than và môi trường của Công ty Idemitsu (Nhật Bản) đã công bố báo cáo về quá trình mô phỏng cháy than trộn anthraxit của Việt Nam và than á bitum của Indonesia Nghiên cứu này được thực hiện cho lò hơi hiện có của Phả Lại, với công suất 1600 kg/h cho than bitum.

Lò hơi đang được lắp đặt tại Vũng Áng 1 sẽ trộn than chất bốc cao á bitum từ Indonesia với than anthraxit Việt Nam, nhằm cải thiện độ ổn định cháy và tăng hiệu suất hoạt động Tuy nhiên, tỉ lệ trộn cần được xác định dựa trên các yếu tố quan trọng như độ ổn định ngọn lửa, khả năng đóng xỉ, nguy cơ nổ hỗn hợp than trong máy nghiền và nguy cơ hỏng hóc vòi phun than.

Nghiên cứu về việc đốt than trộn giữa than anthraxit Việt Nam với than bitum Úc và á bitum Indonesia vẫn chỉ dừng lại ở mô hình vật lý, đồng thời gặp hạn chế khi áp dụng cho các loại than có nhiều chất bốc Việc sử dụng chủ yếu than nhiều chất bốc và chỉ khoảng 15% than anthraxit cho thấy ứng dụng còn hạn chế Chưa có nghiên cứu nào về việc trộn than cám 6a, 6b hay cám 7a của Việt Nam với các loại than có hàm lượng chất bốc thấp như anthracite nhập khẩu Công nghệ lò hơi hiện có cho thấy khả năng tương thích cao với than anthracite nhập khẩu, loại than này thường có nhiệt trị cao hơn nhiều so với các loại than bitum.

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Nghiên cứu về cháy than tại Việt Nam hiện còn hạn chế, chủ yếu tập trung vào việc hiệu chỉnh lò hơi dựa trên kinh nghiệm Chưa có đơn vị nào thực hiện nghiên cứu bài bản từ phòng thí nghiệm đến mô hình thu nhỏ và ứng dụng thực tế tại các nhà máy nhiệt điện Công nghệ lò hơi hiện tại chủ yếu do các hãng nước ngoài phát triển, dẫn đến khó khăn trong việc thay đổi nhiên liệu và hiệu chỉnh sau bảo trì Tuy nhiên, vào năm 2007-2008, Viện Năng lượng Bộ Công Thương đã chủ trì đề tài nghiên cứu "Sử dụng than cám chất lượng thấp trộn với than nhập khẩu" hợp tác với hãng MHI Nhật Bản, do KS Nguyễn Tuấn Nghiêm làm chủ nhiệm, nhằm cải tiến công nghệ lò hơi tại Việt Nam.

- Các xu hướng bám bẩn, đọng tro bay trên bề mặt dàn ống trao đổi nhiệt

- Xu hướng đóng xỉ buồng đốt

- Ảnh hưởng cỡ hạt và nồng độ Ôxy tới chế độ cháy

- Hệ thống nghiền và hệ thống trộn than trong nhà máy điện

- Tính toán kĩ thuật - kinh tế - môi trường sơ bộ

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc cải tạo vòi phun và trộn than có nhiều chất bốc, nhưng các kết quả chỉ dừng lại ở mức phòng thí nghiệm và chưa đủ cơ sở lý luận cũng như thực tiễn để áp dụng trong sản xuất Mô hình thử nghiệm có kích thước quá nhỏ và khối lượng than đốt ít hơn nhiều so với các mô hình của IHI và Idemitsu Nhật Bản, đồng thời không xem xét ảnh hưởng của cỡ hạt than cùng nhiều yếu tố khác ảnh hưởng đến chế độ đốt cháy dòng than.

Chế độ vận hành của hệ thống nghiền than trộn, bao gồm tỉ lệ phối trộn, nhiệt độ khí nóng để tải bột than, và thời gian nghiền, có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng than nghiền tại đầu ra thùng nghiền, đặc biệt trong trường hợp sử dụng thùng nghiền chung Những yếu tố này không chỉ quyết định hiệu suất nghiền mà còn ảnh hưởng đến khả năng chống cháy nổ trong hệ thống nghiền than Việc tối ưu hóa các chế độ vận hành này là cần thiết để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình sản xuất.

Ảnh hưởng của các thông số vận hành trong buồng đốt lò hơi khi đốt than trộn, bao gồm tỉ lệ phối trộn, hệ số không khí thừa, nhiệt độ cháy, cấu trúc buồng đốt, kiểu bố trí vòi phun và kích thước hạt than đốt, có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh đặc tính vận hành của lò hơi Các yếu tố này tác động đến phân bố tốc độ hạt và nhiệt độ dọc theo chiều cao buồng đốt, cũng như ảnh hưởng đến thành phần phát thải các khí như CO, CO2, NOx và SOx.

Các thông số vận hành của quá trình cháy than trộn, bao gồm tỉ lệ phối trộn và thời gian cháy của than bột, có ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính thải xỉ của buồng đốt lò hơi Nhiệt độ tại các điểm T1, T2, T3 của xỉ, cùng với thành phần xỉ và thành phần chuyển pha xỉ, đều bị tác động bởi các yếu tố này Ngoài ra, độ nhớt của xỉ cũng thay đổi theo các thông số vận hành, ảnh hưởng đến hiệu suất và tính năng của hệ thống lò hơi.

LÍ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY THAN ANTHRAXIT TRONG LÒ HƠI VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ CHÍNH CHÁY THAN

Lò hơi trong nhà máy nhiệt điện

2.1.1 Cấu tạo của lò hơi

Lò hơi là thiết bị chuyển hóa nhiệt năng từ nhiều nguồn khác nhau, truyền nhiệt cho nước và biến nước thành hơi Nó thường được xem như một bộ trao đổi nhiệt lớn, nơi diễn ra quá trình truyền nhiệt từ việc đốt nhiên liệu hoặc từ phản ứng hạt nhân để tạo ra hơi nước.

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lí cơ bản của Lò hơi có bao hơi đốt nhiên liệu hóa thạch

Không khí lạnh (tươi) được cung cấp qua bộ sấy không khí (AH) và không khí thứ cấp (SA) để hỗ trợ quá trình đốt cháy Vòi đốt (burners) kết hợp với máy nghiền than (mills) và không khí cấp một (PA) tạo ra nhiên liệu đã được nghiền (PF) cho lò đốt nhiên liệu (furnace) Hệ thống dàn ống sinh hơi (water walls) và dàn ống nước xuống (down comers) dẫn nước cấp (feed water) vào bao hơi (drum) Bộ quá nhiệt (SH) và bộ tái nhiệt (RH) giúp nâng cao hiệu suất, trong khi bộ tiết kiệm (ECON) hâm nước trước khi đưa vào hệ thống Hơi ra khỏi bộ tái nhiệt (hot RH) và hơi vào bộ tái nhiệt (cold RH) được quản lý để tối ưu hóa quá trình, cùng với hơi quá nhiệt (SH steam) và khói thoát (exit gases) trong quá trình vận hành.

Lò hơi đóng vai trò quan trọng trong các nhà máy điện sử dụng chu trình Rankine, đặc biệt là trong nhà máy địa nhiệt, nơi nước được hóa hơi nhờ nhiệt từ lòng đất thông qua hệ thống ống dẫn Tương tự, trong nhà máy điện nguyên tử, lò hơi là thiết bị trao đổi nhiệt, nơi nước hóa hơi nhờ sự trao đổi nhiệt giữa vòng tuần hoàn sơ cấp và thứ cấp.

2.1.2 Các đặc tính kĩ thuật của lò hơi

Thông số hơi bao gồm áp suất (đo bằng MN/m²) và nhiệt độ (đo bằng độ C) của hơi được sản xuất Tại các nhà máy nhiệt điện, áp suất và nhiệt độ hơi quá nhiệt được xác định dựa trên các yếu tố kinh tế và kỹ thuật của chu trình nhiệt Trong ngành công nghiệp, đối với lò hơi sản xuất hơi bão hòa, chỉ cần chú trọng đến thông số áp suất.

Sản lượng hơi là lượng hơi nước được sản xuất bởi lò trong một khoảng thời gian nhất định, thường được đo bằng kg/s, kg/h hoặc t/h Có nhiều loại sản lượng hơi khác nhau được phân biệt dựa trên các tiêu chí cụ thể.

 Sản lượng hơi định mức của lò hơi là sản lượng hơi lớn nhất mà lò có thể làm việc được lâu dài ở thông số hơi qui định;

Sản lượng hơi cực đại là lượng hơi tối đa mà lò có thể sản xuất trong một khoảng thời gian nhất định mà không gây ra nguy hiểm.

 Sản lượng hơi kinh tế là sản lượng hơi mà tại đây lò làm việc với hiệu suất cao nhất Thường Dkt = (0,8- 0,9) Dđm

Nhiệt thếthể tích của buồng lửa là số lượng nhiệt sinh ra trong một đơn vị thể tích buồng lửa: qv bl lv t

Blv – lượng nhiên liệu tiêu hao, kg/s;

Q lv t – nhiệt trị của nhiên liệu, kJ/kg;

Vbl – thể tích buồng lửa, m 3

Nhiệt thế diện tích trên ghi là số lượng nhiệt sinh ra trên một đơn vị diện tích mặt cháy của ghi (kW/m 2)

Năng suất bốc hơi của lò hơi được định nghĩa là khả năng bốc hơi của một đơn vị diện tích bề mặt đốt trong một khoảng thời gian nhất định, tính bằng kg/m².h Đặc tính này thường được áp dụng cho các lò hơi nhỏ trong ngành công nghiệp.

Hiệu suất của lò hơi: là tỉ số giữa lượng nhiệt mà môi chất hấp thu được có ích với lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa

Các thông số hơi của lò hơi được lựa chọn dựa trên sản lượng hơi, trong khi các đặc tính nhiệt thế được xác định theo cấu trúc buồng lửa và loại nhiên liệu sử dụng.

Lí thuyết cháy than

2.2.1 Thành phần cấu tạo và các đặc tính công nghệ của than

Trong nhiên liệu rắn “than” và lỏng gồm có: Cacbon, Hyđrô, Lưu huỳnh, Ôxy, Nitơ, Tro (các khoáng chất) và ẩm

Cacbon là thành phần chính trong nhiên liệu rắn, với nhiệt trị khoảng 34.150 kJ/kg khi cháy 1kg cacbon Lượng cacbon trong nhiên liệu càng cao thì nhiệt trị càng lớn Tuy nhiên, nhiên liệu có tuổi hình thành cao thường chứa nhiều cacbon, nhưng độ liên kết của chúng cũng lớn hơn, khiến cho việc cháy trở nên khó khăn hơn.

Hyđrô là thành phần quan trọng trong nhiên liệu rắn, với khả năng sinh nhiệt lên đến 144.500 kJ/kg khi cháy Tuy nhiên, hàm lượng hyđrô tự nhiên rất thấp, trong khi nhiên liệu lỏng chứa nhiều hyđrô hơn so với nhiên liệu rắn.

Lưu huỳnh là một thành phần quan trọng trong nhiên liệu, tồn tại dưới ba dạng: liên kết hữu cơ (Shc), khoáng chất (Sk) và liên kết sunfat (Ss) Trong đó, lưu huỳnh hữu cơ và khoáng chất có khả năng tham gia vào quá trình cháy, được gọi là lưu huỳnh cháy (Sc) Ngược lại, lưu huỳnh sunfat thường xuất hiện dưới dạng CaSO4, MgSO4, FeSO4 và không tham gia vào quá trình cháy, mà chuyển hóa thành tro của nhiên liệu.

Vì vậy: S = Shc + Sk + Ss (%)

Nhiệt trị của lưu huỳnh chỉ bằng khoảng 1/3 so với cacbon, và khi cháy, lưu huỳnh tạo ra khí SO2 hoặc SO3 Khi gặp hơi nước, SO3 dễ hòa tan và tạo ra axit H2SO4, gây ăn mòn kim loại Khí SO2 thải ra ngoài là khí độc nguy hiểm, cho thấy lưu huỳnh là nguyên tố có hại trong nhiên liệu Ôxy và nitơ là những chất trơ trong nhiên liệu rắn và lỏng, và sự hiện diện của chúng làm giảm thành phần cháy, dẫn đến giảm nhiệt trị của nhiên liệu Nhiên liệu càng non thì hàm lượng ôxy càng cao, trong khi nitơ không tham gia vào quá trình cháy mà chuyển thành dạng tự do trong khói.

Tóm lại trong nhiên liệu than có các thành phần C, H, O, S, N, A, M,

A (tiếng anh là Ash) là độ tro,

M (tiếng anh là Moisture) - độ ẩm

2.2.1.2 Đặc tính công nghệ của than Để phù hợp hơn với nhu cầu thực tế trong đánh giá chất lượng than, người ta còn đánh giá, phân loại than theo các đặc tính công nghệ mà những đặc tính đó phản ánh khả năng cháy của than Gồm có các thành phần sau: Độ ẩm (moisture) hoặc (M); Chất bốc (volatile matter) (V); Cốc (fixed carbon) (FC); Độ tro (ash) (A)

17 Độ ẩm trong than và dầu “M”

Độ ẩm (M-Moisture) trong nhiên liệu rắn là lượng nước có mặt, không tham gia vào quá trình cháy Sự hiện diện của độ ẩm làm giảm thành phần cháy và nhiệt trị của nhiên liệu Khi nhiên liệu cháy, một phần nhiệt lượng cần thiết sẽ được sử dụng để làm bốc hơi độ ẩm, ảnh hưởng đến hiệu suất cháy.

Độ ẩm ngoài của than là độ ẩm duy trì trên bề mặt và có thể thoát ra khi để trong không khí khô 30°C Trong khi đó, độ ẩm trong là độ ẩm bền vững không tách khỏi nhiên liệu trong điều kiện khô Để xác định độ ẩm toàn phần của than, cần sấy nhiên liệu ở nhiệt độ 105°C cho đến khi trọng lượng không thay đổi, phần trọng lượng mất đi được gọi là độ ẩm nhiên liệu Tuy nhiên, nhiệt độ 105°C không đủ để loại bỏ hoàn toàn độ ẩm, vì một số loại độ ẩm như ẩm tinh thể chỉ có thể thoát ra ở nhiệt độ từ 500-800°C Độ tro trong than được ký hiệu là A (A - Ash mineral matter).

Tro trong than, được hình thành từ các khoáng chất khi cháy, có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất cháy của than, bao gồm việc giảm nhiệt trị và gây mài mòn bề mặt ống hấp thụ nhiệt Tỉ lệ tro cao không chỉ làm giảm hiệu suất cháy mà còn gây bám bẩn, giảm hệ số truyền nhiệt qua vách ống Hơn nữa, độ nóng chảy của tro cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của thiết bị cháy.

Chất Bốc của than (Volatile matter V )

Khi nhiên liệu bị đốt nóng trong môi trường không có oxy, các liên kết giữa các phân tử hữu cơ sẽ bị phân hủy, tạo ra quá trình gọi là phân hủy nhiệt Sản phẩm của quá trình này bao gồm các chất khí, được gọi là "chất bốc".

V C %, bao gồm những khí Hydro, Cacbuahydro, CacbonÔxyt, Cacbonic

Thành phần cốc trong than (Fixed Carbon FC):

Cốc của than, là phần chất rắn còn lại sau khi loại bỏ độ tro và chất bốc, đóng vai trò là thành phần chính trong chất cháy của than Tính chất của cốc phụ thuộc vào cấu trúc hữu cơ trong các thành phần cháy; nếu cốc ở dạng cục, nó được gọi là than thiêu kết (than mỡ, than béo), trong khi cốc ở dạng bột được gọi là than không thiêu kết (than đá, than anthraxit) Than có nhiều chất bốc sẽ tạo ra cốc xốp, tăng khả năng phản ứng, trong khi than gầy và than anthraxit không tạo cốc xốp khi cháy, khiến chúng khó cháy hơn Màu sắc của than cũng khác nhau tùy thuộc vào khả năng thiêu kết; than không thiêu kết có màu xám, trong khi than ít thiêu kết có màu ánh kim loại Độ bền của than tỷ lệ thuận với độ xốp của cốc, với than càng xốp thì độ bền càng thấp và dễ nghiền hơn.

Nhiệt trị của than, ký hiệu Q (kJ/kg), là lượng nhiệt phát ra khi 1 kg than được đốt cháy hoàn toàn Nhiệt trị của than được chia thành hai loại: nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp.

Than anthraxit ở việt nam là than có thành phần cốc lớn nhiệt trị cao, tuy nhiên hàm lượng chất bốc lại thấp nên rất khó bắt cháy

2.2.2 Cở sở lí thuyết cháy than

Cháy là một phản ứng hóa học mạnh mẽ, phát nhiệt và phát quang với tốc độ cao, kèm theo nhiều quá trình vật lý khác Quá trình này bao gồm sinh nhiệt từ phản ứng hóa học, chuyển động, truyền nhiệt và chất giữa các dòng vật chất, cũng như sự chuyển hóa năng lượng Nghiên cứu quá trình cháy thực chất là tìm hiểu bản chất của các quá trình này.

Tốc độ cháy, hay tốc độ phản ứng, phụ thuộc vào các chất tham gia trong phản ứng cháy cũng như các yếu tố ngoại lai như nhiệt độ, áp suất và nồng độ.

2.2.2.1 Định luật khối lượng tác dụng và hằng số cân bằng

Tốc độ phản ứng hoá học là tốc độ thay đổi nồng độ vật chất tham gia phản ứng:

Theo định luật khối lượng tác dụng, tốc độ phản ứng hóa học tỉ lệ thuận với tích số nồng độ của các chất tham gia Trong trường hợp đơn giản, khi số lượng phân tử của các chất tham gia phản ứng là bằng nhau, phản ứng có thể được biểu diễn dưới dạng: aA + bB ↔ cC + dD.

Trong đó a, b, c, d là số mol của các nguyên tố A, B, C, D thì tốc độ của các phản ứng thuận nghịch sẽ là: v 1 k 1 C a A B B b (2-3) v 2 k 2 C C c D D d (2-4)

Trong quá trình phản ứng hóa học, nồng độ của các chất ban đầu giảm, làm cho tốc độ phản ứng thuận giảm dần Đồng thời, nồng độ sản phẩm tăng lên, dẫn đến tốc độ phản ứng nghịch gia tăng Cuối cùng, khi tốc độ của phản ứng thuận và nghịch bằng nhau, phản ứng đạt trạng thái cân bằng động hóa học.

Từ đó ta rút ra hằng số cân bằng:

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình bắt cháy và cháy than anthraxit

Quá trình bắt lửa và duy trì sự cháy phụ thuộc vào:

Nhiệt độ bắt lửa của nhiên liệu là mức nhiệt cần thiết để khởi động quá trình cháy Để nhiên liệu có thể bắt lửa, nhiệt độ mồi phải đạt đến ngưỡng này.

 Ôxy: đây là chất Ôxy hóa đảm bảo quá trình cháy xảy ra, vì bản chất quá trình cháy là phản ứng Ôxy hóa

 Nhiệt độ mồi: đây là nhiệt độ cần thiết để phản ứng cháy xảy ra

Vận tốc dòng không khí cấp vào quá cao có thể làm giảm khả năng bắt lửa do nhiệt bị thổi đi nhanh chóng Để đảm bảo quá trình bắt lửa và duy trì ổn định cho dòng không khí - bột than, cần áp dụng các biện pháp thích hợp.

 Đốt nóng sơ bộ hỗn hợp đến nhiệt độ đủ cao

Để tăng nhiệt độ môi trường xung quanh chân ngọn lửa, hãy sử dụng vòi phun có khả năng hút một lượng lớn sản phẩm cháy nóng, như vòi phun xoáy rối, và đặt đai cháy.

 Tổ chức các ngọn lửa (từ các vòi phun) thật hợp lí để sản phẩm cháy của ngọn lửa này cũng giúp cháy kiệt của ngọn lửa kia

Để đạt hiệu quả tối ưu trong việc tạo ra độ rối, cần khống chế tốc độ dòng ra khỏi vòi phun ở mức hợp lý khoảng 25-30m/s Điều này không chỉ giúp tăng cường khả năng bốc cháy của hỗn hợp mà còn đảm bảo khoảng cách tương đối gần giữa vòi phun và vùng cháy.

Tách dòng không khí cấp II khỏi vùng bốc cháy và kiểm soát lưu lượng gió cấp I ở mức tối thiểu sẽ dẫn đến nồng độ bột cao hơn, làm tăng tốc độ đốt nóng dòng khí và khiến quá trình bốc cháy bắt đầu gần vòi phun hơn.

Hệ số không khí thừa thích hợp là yếu tố quan trọng để đảm bảo cung cấp đủ ôxy cho buồng đốt, từ đó tạo điều kiện cho việc hòa trộn không khí và nhiên liệu một cách hiệu quả.

Cách yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất lò hơi nhà máy nhiệt điện

Lò hơi là thiết bị chuyển hóa nhiệt từ quá trình cháy nhiên liệu thành hơi nước Nhiệt sinh ra được chia thành hai phần: nhiệt hữu ích cung cấp cho nước để tạo hơi nước và tổn thất nhiệt trong quá trình hoạt động Đối với 1 kg nhiên liệu rắn, lỏng hoặc 1 m³ nhiên liệu khi cháy trong lò hơi, có thể áp dụng phương trình cân bằng nhiệt tổng quát trong điều kiện vận hành ổn định.

Q dv Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 Q 5 Q 6 , kJ/kg (2-12) Trong đó:

Qdv – lượng nhiệt đưa vào lò ứng với 1 kg nhiên liệu rắn, lỏng kJ/kg; hoặc 1m 3 nhiên liệu khí, kJ/m 3

Q1 - lượng nhiệt hữu ích dùng để sản xuất hơi, kJ/kg;

Q2 – tổn thất nhiệt do khói thải mang ra ngoài, kJ/kg;

Q3 – tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt hoá học, kJ/kg;

Q4 – tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học, kJ/kg;

Q5 – tổn thất do nhiệt toả ra môi trường, kJ/kg;

Q 6– tổn thất nhiệt do xỉ mang ra ngoài, kJ/kg;

Nếu biểu diễn dưới dạng phần trăm ta có:

Trong tổng quát, nhiệt lượng đưa vào bao gồm nhiệt trị của nhiên liệu, nhiệt lượng gia nhiệt dầu trước khi phun vào buồng lửa, nhiệt lượng phun dầu thành sương, và nhiệt lượng sấy không khí trước khi đưa vào lò Cần lưu ý trừ đi nhiệt lượng thoát ra từ sự phân hủy nhiệt của các hợp chất carbonat trong tro xỉ.

n dv ar net p nl kk p

Trong đó Q ar net p - nhiệt trị thấp của nhiên liệu, kJ/kg;

Theo định nghĩa hiệu suất lò hơi là tỉ số giữa lượng nhiệt hữu ích và lượng nhiệt đưa vào nên:

Để lò hơi đạt hiệu suất tối ưu, cần giảm thiểu các tổn thất đến mức thấp nhất Các tổn thất này có mối liên hệ chặt chẽ giữa lý thuyết toán học và thực tiễn, ví dụ như việc giảm thiểu tổn thất năng lượng.

Khi gặp tình trạng cháy không hết, nhiều người thường cho thêm không khí vào, nhưng điều này thực tế lại làm tăng tổn thất do khói thải Do đó, cần lựa chọn thông số tối ưu nhằm đảm bảo hiệu suất và đáp ứng các yêu cầu khác.

PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ANSYS FLUENT

Một số vấn đề về phương pháp CFD

Tính toán động lực học chất lỏng (CFD) là một lĩnh vực khoa học chuyên sâu nghiên cứu về dòng chảy của chất lỏng, quá trình truyền nhiệt, truyền khối và phản ứng hóa học CFD sử dụng các phương trình toán học chủ đạo để mô phỏng và phân tích các hiện tượng liên quan đến động lực học chất lỏng.

- Các tác động của lực lên vật thể

Các phương trình vi phân riêng là một hệ thống phức tạp, thường không thể giải quyết bằng phương pháp phân tích trừ một số trường hợp đặc biệt Tuy nhiên, có thể tìm ra lời giải gần đúng bằng cách áp dụng phương pháp rời rạc hóa, chuyển đổi các phương trình vi phân riêng thành các phương trình đại số.

CFD được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp và các kết quả phân tích của CFD thích hợp cho:

- Nghiên cứu lí thuyết của các thiết kế mới

- Chi tiết hóa phát triển sản phẩm

Các phân tích này rất quan trọng để bổ sung cho lý thuyết và thực nghiệm, giúp tiết kiệm thời gian, công sức và giảm chi phí cho quá trình thực nghiệm.

3.1.2.1 CFD làm việc như thế nào?

Lời giải của CFD dựa trên phương pháp rời rạc hóa, trong đó có nhiều phương pháp được áp dụng như thể tích hữu hạn, phần tử hữu hạn và sai phân hữu hạn Tuy nhiên, các bộ giải ANSYS CFD chủ yếu dựa trên phương pháp thể tích hữu hạn, một phương pháp hiệu quả trong việc mô phỏng và phân tích dòng chảy chất lỏng và khí.

Xét ví dụ, về dòng chất lỏng chảy trong ống

Hình 3.1 Miền được rời rạc thành tập hợp hữu hạn các thể tích điều khiển (control volume)

Phương pháp thể tích hữu hạn phân chia miền thành một tập hợp hữu hạn các thể tích điều khiển, từ đó giải quyết các phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng trên các thể tích này.

Trong đó, là thành phần ổn định; là thành phần đối lưu; là thành phần khuếch tán; là generation

Các phương trình vi phân từng phần liên tục được rời rạc thành hệ các phương trình đại số tuyến tính mà máy tính có thể giải được

3.1.2.2 Trình tự giải quyết bài toán CFD

Bất kỳ trong mọi lĩnh vực nào, giải một bài toán CFD gồm các bước sau:

- Đánh giá kết quả Đặt vấn đề

Để giải quyết các vấn đề trong bài toán mô phỏng quá trình cháy than trong lò hơi, chúng ta cần xem xét các yếu tố như kích thước lò, vòi phun và hệ số truyền nhiệt của tường lò Từ đó, chúng ta sẽ xác định các thông số đầu vào và đầu ra phù hợp cho mô hình CFD của mình.

Giải quyết vấn đề là phần quan trọng nhất và là nhiệm vụ trung tâm trong bài toán CFD, bao gồm ba giai đoạn chính: Pre-processing, Processing và Post-processing.

Giai đoạn tiền xử lý trong CFD là bước chuẩn bị quan trọng, bao gồm việc xây dựng mô hình hình học của vật thể và thực hiện quá trình rời rạc hóa bằng cách chia lưới Phương pháp rời rạc hóa cần đảm bảo khả năng làm việc của máy tính cũng như độ chính xác và hội tụ của phương pháp tính toán Sau khi lưới tính toán được xây dựng, việc lựa chọn các phương pháp tính là bước tiếp theo Mỗi lĩnh vực trong CFD có các bộ phương trình riêng để giải quyết bài toán, tuy nhiên, các phương trình này thường ở dạng vi phân, tích phân hoặc vi phân không tuyến tính, rất phức tạp.

31 phương trình cần những thông số tối thiểu, đủ để có thể giải và cho lời giải, đó là các điều kiện biên

Xử lý là giai đoạn quan trọng trong quá trình tính toán, nơi chúng ta lựa chọn các phương pháp giải phù hợp để tối ưu hóa thời gian, khả năng tính toán và độ chính xác của kết quả.

Post-processing là giai đoạn quan trọng trong việc xử lý và trực quan hóa kết quả Sau khi hoàn thành giai đoạn Processing, dữ liệu bài toán được lưu trữ dưới dạng số, nhị phân và mã hóa trên ổ cứng máy tính Chúng ta có khả năng xử lý những dữ liệu này để đạt được kết quả và lời giải cho bài toán, từ đó đánh giá hiệu quả của kết quả đạt được.

Trong phần này, chúng ta so sánh kết quả đã tìm được với các kết quả thực nghiệm và lời giải số học để điều chỉnh phương pháp giải Đối với các bài toán đơn giản, nếu kết quả thực nghiệm và lời giải toán học đều chính xác, kết quả của chúng ta cũng cần phải khớp hoặc nằm trong phạm vi sai số chấp nhận được Nếu sai số vượt quá giới hạn cho phép, chúng ta cần điều chỉnh để đạt được kết quả chính xác nhất Đối với các bài toán phức tạp, việc đạt được kết quả chính xác từ thực nghiệm và lời giải số rất khó khăn, và trong trường hợp này, phương pháp CFD có ưu thế hơn.

3.1.3 Vai trò và ứng dụng của CFD

Vai trò của CFD trong dự báo kỹ thuật công nghiệp đã trở nên quan trọng, được xem như “hướng thứ ba” trong động lực học lưu chất, bên cạnh thực nghiệm thuần túy và lý thuyết thuần túy Kể từ khi Isaac Newton công bố tác phẩm Principia vào năm 1687 cho đến giữa những năm 1960, sự phát triển trong cơ lưu chất chủ yếu dựa vào sự kết hợp giữa các thực nghiệm tiên phong và phân tích lý thuyết cơ bản, thường yêu cầu sử dụng các mô hình dòng đơn giản để tìm ra giải pháp khép kín cho các phương trình chính Những giải pháp khép kín này mang lại nhiều lợi ích trong việc hiểu và dự đoán hành vi của các hệ thống lưu chất.

CFD (Computational Fluid Dynamics) là công cụ phân tích kỹ thuật phổ biến, giúp xác định nhanh chóng các tham số cơ bản của bài toán và thể hiện rõ ảnh hưởng của sự biến đổi các tham số đến kết quả Mặc dù không mô tả đầy đủ mọi quá trình vật lý cần thiết, CFD cho phép kiểm soát các phương trình chủ đạo một cách chính xác và xem xét các hiện tượng vật lý chi tiết như phản ứng hóa học Ngày nay, CFD không chỉ hỗ trợ mà còn bổ sung cho thực nghiệm và lý thuyết, được coi là một hướng nghiên cứu quan trọng trong động lực học lưu chất, có giá trị tương đương với thực nghiệm và lý thuyết.

Nó có một vị trí cố định trong tất cả các khía cạnh của động lực học lưu chất, từ nghiên cứu cơ bản đến thiết kế kĩ nghệ

CFD (Computational Fluid Dynamics) được phát triển và ứng dụng hiệu quả trong các lĩnh vực cơ học môi trường chất lưu như khí, lỏng và plasma, cũng như trong môi trường biến dạng, đàn hồi Nó được sử dụng rộng rãi trong các ngành khoa học tiên tiến và công nghệ cao, cũng như các lĩnh vực phục vụ dân sinh Ví dụ, CFD mô phỏng chuyển động của tàu vũ trụ với vận tốc siêu thanh và các yếu tố khí động tác động lên vật thể bay Trong ngành đại dương học, CFD giúp tìm hiểu quy luật dòng biển nóng, lạnh và tác động của chúng lên khí hậu toàn cầu Ngoài ra, CFD còn được ứng dụng trong y tế để mô phỏng quá trình tuần hoàn máu và ảnh hưởng của các yếu tố đến sức khỏe của cơ thể.

CFD (Computational Fluid Dynamics) có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đóng góp đáng kể vào nghiên cứu và phát triển công nghiệp Công cụ này không thể thiếu trong việc tối ưu hóa quy trình, nâng cao hiệu suất và đạt được những thành tựu nổi bật trong các ngành công nghiệp khác nhau.

- Cơ học chất lưu và thủy khí động lực học

- Vật liệu học và sức bền vật liệu

- Công nghiệp chế tạo máy, đóng tàu

- Công nghiệp ô tô, máy bay

- Va chạm và phá hủy

Phần mềm ANSYS FLUENT

3.2.1 Giới thiệu về phần mềm ANSYS FLUENT – phần mềm mô hình hóa dòng chảy

Phần mềm FLUENT được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, bao gồm mô hình hóa dòng chảy không khí qua cánh máy bay, quá trình cháy trong lò, và sản xuất thủy tinh Nó cũng hỗ trợ mô phỏng dòng chảy trong máu, thiết kế phòng sạch, và các nhà máy xử lý nước thải FLUENT có khả năng mô hình hóa động cơ xi lanh, đường đạn, máy và thiết bị tua bin, cùng với hệ thống đa pha, mang lại giải pháp hiệu quả cho các ngành công nghiệp khác nhau.

Ngày nay, hàng ngàn công ty trên toàn thế giới đã tận dụng hiệu quả các công cụ thiết kế và phân tích quan trọng trong lĩnh vực CFD Phần mềm này, với khả năng tương tác đa môi trường, đã trở thành công cụ phổ biến trong cộng đồng FLUENT, nổi bật với tính thân thiện và mạnh mẽ, rất dễ sử dụng cho người mới bắt đầu, giúp nâng cao năng suất và hiệu quả công việc.

Sự tích hợp của ANSYS FLUENT vào ANSYS Workbench mang lại cho người dùng hai phương thức kết nối hiệu quả với toàn bộ hệ thống CAD, giúp xây dựng và điều chỉnh mô hình một cách linh hoạt.

Học cách sử dụng hiệu quả ANSYS Design Modeler và công nghệ chia lưới tiên tiến trong ANSYS Meshing là rất quan trọng Các chức năng cơ bản này không chỉ cho phép chia sẻ dữ liệu và kết quả giữa các ứng dụng thông qua thao tác kéo và thả dễ dàng, mà còn hỗ trợ việc áp dụng phép giải dòng chảy lưu chất với các điều kiện biên trong mô phỏng kết cấu cơ khí.

Phần mềm ANSYS FLUENT kết hợp nhiều lợi ích với khả năng mô hình hóa vật lý đa dạng và cung cấp kết quả CFD nhanh chóng, chính xác, trở thành một trong những gói phần mềm toàn diện nhất cho quá trình mô hình hóa CFD trên toàn cầu hiện nay.

3.2.2 Mô hình dòng phản ứng và mô hình cháy có trong ANSYS FLUENT được sử dụng trong quá trình mô phỏng cháy than.

3.2.2.1 Tổng quan về mô hình dòng phản ứng và mô hình cháy

Fluent có khả năng xác định động học và phản ứng hóa học, cho phép tính toán các phản ứng bên trong miền dòng chảy Điều này giúp mô hình hóa nồng độ và nhiệt độ của các chất, từ đó kết hợp với lý thuyết phản ứng để tạo ra các chất mới cùng với sự chuyển giao năng lượng Mô hình dòng phản ứng này có thể áp dụng cho cả phản ứng đơn pha và hạt, bao gồm cháy giọt chất lỏng, cháy hạt như than và sinh khối.

FLUENT chứa các mô hình có khả năng ứng dụng với các dòng phản ứng đồng nhất và không đồng nhất Và nó được ứng dụng trong:

Và từ đó đưa ra các đặc tính về trường dòng, trường nhiệt độ, các dạng nồng độ và các chất gây ô nhiễm

Hầu hết các bài toán phản ứng kỹ thuật đều liên quan đến dòng chảy rối, gây ra nhiều khó khăn trong việc giải quyết Bài toán mô phỏng quá trình cháy than là một ví dụ điển hình của sự phức tạp này, bao gồm các mô hình về chuyển động rối, phản ứng hóa học, pha rời rạc, bức xạ và phát thải chất ô nhiễm như NOx và SOx Hình 3.2 cung cấp cái nhìn tổng quan về mô hình hóa phản ứng và các mô hình liên quan đến dòng phản ứng.

Hình 3.2 Mô hình hóa phản ứng trong FLUENT

Bài toán mô phỏng cháy than được ứng dụng trực tiếp trong mô hình phản ứng nhanh (Fast chemistry) Bao gồm các mô hình liên quan sau:

- Mô hình chuyển động rối

- Mô hình tiêu tán Eddy Dissipation (Species transport)

- Mô hình pha rời rạc

- Mô hình chất gây ô nhiễm (SOx, NOx)

Từ những năm 1960, sự gia tăng khả năng tính toán của máy tính đã thúc đẩy nghiên cứu các mô hình chảy rối dựa trên phương trình năng lượng, trở thành nền tảng cho mô hình chảy rối hiện đại Trong đó, có hai loại mô hình năng lượng chảy rối chính: mô hình một phương trình và mô hình hai phương trình Mô hình Spalart-Allmaras là đại diện tiêu biểu cho mô hình một phương trình, được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng hàng không vũ trụ liên quan đến dòng chảy bị giới hạn bởi tường, và cũng được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng máy tuabin.

Mô hình chảy rối hai phương trình, bao gồm mô hình k-epsilon và k-omega, là những mô hình phổ biến và tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp Chúng được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật, nhờ vào khả năng mô phỏng chính xác các hiện tượng chảy rối.

Mô hình chảy rối hai phương trình được định nghĩa thông qua hai phương trình vận chuyển, nhằm mô tả quá trình chảy rối của dòng chảy Hai mô hình phổ biến thường được áp dụng trong mô hình này là:

Mô hình k-epsilon được tác giả lựa chọn cho tính toán do khả năng giải quyết và điều kiện tính toán phù hợp Mô hình này bao gồm ba loại chính: mô hình k-epsilon tiêu chuẩn, mô hình k-epsilon RNG và mô hình k-epsilon có thể hiện thực hóa.

Mô hình k-epsilon chuẩn (SKE) được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp, nhưng nó có một số hạn chế đáng chú ý Cụ thể, hiệu quả của mô hình này giảm khi áp dụng cho các dòng chảy xoáy lớn và tình trạng chia tách mạnh, đồng thời dự đoán sự mở rộng tốc độ của luồng phun tròn không chính xác.

37 Động năng chảy rối, k, và tốc độ tiêu tán, ε, thu được từ hai phương trình vận chuyển tổng quát sau đây:

(3.3) là các hằng số từ thực nghiệm

Mô hình RNG k-epsilon là một biến thể của mô hình SKE, sử dụng kỹ thuật thống kê gọi là thuyết nhóm tái chuẩn hóa Các hệ số trong phương trình k-ε được xác định thông qua phân tích theo thuyết RNG Mô hình này thể hiện hiệu quả vượt trội so với SKE trong các dòng chảy phức tạp, đặc biệt là những dòng có tốc độ biến dạng cao, xoáy và chia tách Nó được áp dụng để dự đoán dòng chảy xoáy và dòng có số Reynolds thấp.

Mô hình k-epsilon thực tế là một biến thể của mô hình SKE, được thiết kế để khắc phục những hạn chế của các mô hình trước đó Mô hình này mang lại nhiều cải tiến đáng kể, giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong việc mô phỏng các hiện tượng động lực học chất lỏng.

- Dự đoán chính xác tốc độ lan rộng của dòng phun thẳng và quay tròn,

Có khả năng cung cấp hiệu suất cao cho các dòng chảy có sự quay, đồng thời xử lý hiệu quả các lớp biên dưới gradient áp suất mạnh mẽ, cũng như thực hiện tốt việc chia tách và tuần hoàn.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY THAN

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ BÌNH LUẬN