Nghiên cứu buồng đốt bột than trộn anthracite việt nam và than bitum (á bitum) trong nhà máy nhiệt điện

T Ổ NG QUAN

TÍNH C Ấ P THI Ế T C ỦA ĐỀ TÀI

Trên toàn cầu, các nhà máy nhiệt điện than đóng góp khoảng 40% tổng sản lượng điện năng, với một số quốc gia như Nam Phi có tỷ lệ lên đến 93%.

Theo thống kê, Quốc dẫn đầu với 79%, tiếp theo là Ấn Độ với 69% và Hoa Kỳ với 49% trong việc sử dụng than Khi nhu cầu năng lượng toàn cầu tiếp tục gia tăng, than vẫn sẽ giữ vai trò là nguồn năng lượng chính trong sản xuất điện trong thời gian tới.

Theo thống kê được đưa ra tại quy hoạch điện lực quốc gia giai đoạn 2021-

2030 tầm nhìn 2045 (quy hoạch điên VIII) công suất lắp đặt của Nhiệt điện than khoảng 20GW, chiếm 36% tổng công suất lưới điện Việt Nam

Hình 1.1: Hình ảnh thống kê thực tế về các nguồn điện năm 2019 (được đưa ra trong h ội thảo dự thảo quy hoạch điện VIII- Viện năng lượng)

Các số liệu thống kê cho thấy trong thời gian tới, nguồn cung than cho nhiệt điện sẽ bị thiếu hụt, và lượng thiếu hụt này sẽ được bù đắp bằng than nhập khẩu Than nội địa cung cấp cho các nhà máy nhiệt điện chủ yếu là than anthracite với chất lượng bốc thấp, gây khó khăn trong quá trình đốt cháy Đối với các lò hơi đốt than bột, khi phụ tải nhỏ hơn 70% định mức, phải kết hợp với dầu, và khi phụ tải dưới 30% định mức, chuyển sang đốt hoàn toàn bằng dầu Điều này dẫn đến lượng cacbon chưa cháy trong tro cao từ 15-20%, làm 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 Hơn nữa, vấn đề môi trường ngày càng trở nên cấp bách, yêu cầu kiểm soát lượng phát thải như SOx và NOx Do đó, cần thiết phải nghiên cứu để xác định chất lượng và tỷ lệ trộn than nhập khẩu cho mỗi nhà máy nhiệt điện.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nhiệt của HV Mai Ngọc Nam dưới sự hướng dẫn của TS Lê Đức Dũng tập trung vào việc nghiên cứu buồng đốt bột than trộn anthracite Việt Nam và than bitum trong nhà máy nhiệt điện Mục tiêu là đảm bảo các nhà máy nhiệt điện hoạt động ổn định, tin cậy, với hiệu suất cao và phát thải thấp khi sử dụng than nhập khẩu kết hợp với than trong nước Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trên toàn cầu và tại Việt Nam nhằm nâng cao hiệu suất cháy than, đặc biệt là việc áp dụng phương pháp số CFD để tối ưu hóa quá trình cháy trong lò đốt than phun Sự phát triển của khoa học máy tính đã làm cho CFD trở thành công cụ quan trọng trong nghiên cứu các lĩnh vực tốn kém chi phí thực nghiệm, như quá trình cháy than trong lò hơi.

Tác giả nghiên cứu buồng đốt bột than kết hợp giữa than anthracite Việt Nam và than bitum tại nhà máy nhiệt điện nhằm tìm hiểu hiệu quả và ứng dụng của loại nhiên liệu này.

M Ụ C TIÊU NGHIÊN C Ứ U C ỦA ĐỀ TÀI

Mục tiêu nghiên cứu của đềtài như sau:

- Phân tích các công nghệ buồng đốt than trong các NMNĐ tại Việt Nam và khả năng ứng dụng đốt than trộn trong các loại buồng đốt đó;

- Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình cháy hỗn hợp bột than trong buồng đốt than phun ngọn lửa hình chữ W trên phần mềm ANSYS Fluent;

- Nghiên cứu quá ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần than trong hỗn hợp than trộn đến quá trình cháy bên trong lò hơi trên mô hình mô phỏng;

Nghiên cứu này tập trung vào ảnh hưởng của hệ số không khí thừa và tỷ lệ gió cấp 2/cấp 1 đến quá trình cháy của hỗn hợp bột than Đồng thời, nghiên cứu cũng tính toán hiệu suất của lò hơi dựa theo tiêu chuẩn The ASME method for Boiler Efficiency Calculation PTC 4 Những phát hiện này sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về hiệu quả hoạt động của lò hơi và tối ưu hóa quy trình cháy.

ĐỐI TƯỢ NG VÀ PH Ạ M VI NGHIÊN C Ứ U

Mục tiêu của nghiên cứu là tối ưu hóa quá trình đốt than trộn trong lò hơi tại các nhà máy điện, tập trung vào các lò hơi của tổ máy có công suất từ 300-600MW Nghiên cứu này đặc biệt chú trọng đến công nghệ đốt than phun với hình dạng ngọn lửa W, áp dụng cho các nhà máy như Hải Phòng 1-2, Phả Lại 2, Vũng Áng 1, Duyên Hải 1 và Nghi Sơn.

Hỗn hợp than được nghiên cứu bao gồm than anthracite Việt Nam, cụ thể là than Hòn Gai với hàm lượng chất bốc thấp và độ tro cao, kết hợp với than bít tông nhập khẩu từ Indonesia có hàm lượng chất bốc cao hơn và độ tro thấp hơn Tỷ lệ phối trộn giữa hai loại than này được xác định là hợp lý để tối ưu hóa hiệu suất sử dụng.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nhiệt của HV Mai Ngọc Nam, dưới sự hướng dẫn của TS Lê Đức Dũng, nghiên cứu về buồng đốt bột than trộn anthracite Việt Nam và than bitum trong nhà máy nhiệt điện Nghiên cứu này nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu ô nhiễm trong quá trình sản xuất điện năng.

Nghiên cứu này tập trung vào quá trình cháy của hỗn hợp bột than trong lò hơi nhà máy điện, đồng thời phân tích ảnh hưởng của hệ số không khí thừa và tỷ lệ gió cấp 2/cấp 1 đến hiệu suất cháy của hỗn hợp.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨ U

Để thực hiện nghiên cứu về quá trình cháy hạt than, tác giả đã tiến hành phân tích lý thuyết cháy than, xem xét ảnh hưởng của các đặc tính của than đến quá trình cháy trong buồng đốt Nghiên cứu cũng đánh giá khả năng ứng dụng của việc đốt hỗn hợp giữa than anthracite và than á bitum trong các loại buồng đốt khác nhau, đồng thời sử dụng phần mềm mô phỏng để hỗ trợ phân tích.

ANSYS FLUENT để mô phỏng quá trình cháy than trong buồng đốt lò hơi NMNĐ Vũng Áng I

Hiện nay, phần mềm ANSYS FLUENT đang được nhiều đơn vị trong lĩnh vực nhiệt điện áp dụng để mô phỏng, cho phép thay đổi linh hoạt các chế độ và điều kiện vận hành Việc này giúp giảm thiểu số lần thực nghiệm, tiết kiệm thời gian, công sức và chi phí Tập luận văn này sẽ sử dụng ANSYS FLUENT để xây dựng mô hình và chế độ tải, nhằm đánh giá các phương án trước khi tiến hành thực nghiệm.

N Ộ I DUNG LU ẬN VĂN

Luận văn bao gồm những nội dung chính như sau:

LÝ THUY Ế T QUÁ TRÌNH CHÁY THAN TRONG BU ỒNG ĐỐ T

T Ổ NG QUAN V Ề CÁC ĐẶ C TÍNH C Ủ A THAN

Thành phần hóa học của than

Các thành phần hóa học của than gồm có: Carbon, Hyđrô, Lưu huỳnh, Oxy, Nitơ, Tro (các khoáng chất) và ẩm

Carbon là thành phần chính trong nhiên liệu rắn, với nhiệt trị khoảng 34.150 kJ/kg khi cháy Lượng carbon trong nhiên liệu tỷ lệ thuận với nhiệt trị, nghĩa là nhiên liệu chứa nhiều carbon sẽ có nhiệt trị cao hơn Tuy nhiên, nhiên liệu càng lâu đời thì hàm lượng carbon càng cao, nhưng độ liên kết của than cũng lớn hơn, làm cho quá trình cháy trở nên khó khăn hơn.

Hyđrô là thành phần quan trọng trong nhiên liệu rắn, với khả năng tỏa ra nhiệt lượng lên tới 144.500 kJ/kg khi cháy Tuy nhiên, lượng hyđrô tự nhiên rất hạn chế, trong khi nhiên liệu lỏng chứa nhiều hyđrô hơn so với nhiên liệu rắn.

Lưu huỳnh là thành phần cháy quan trọng trong nhiên liệu, tồn tại dưới ba dạng chính: lưu huỳnh hữu cơ (Shc), khoáng chất (Sk) và lưu huỳnh 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 tồn tại dưới dạng CaSO4, MgSO4, FeSO4 và không tham gia vào quá trình cháy, mà chỉ chuyển thành tro sau khi nhiên liệu cháy.

S = Shc + Sk + Ss (%) = Sc + Ss (%)

Nhiệt trị của lưu huỳnh chỉ bằng khoảng 1/3 nhiệt trị của carbon Khi cháy, lưu huỳnh sinh ra khí SO2 hoặc SO3, và khi SO3 tiếp xúc với hơi nước, nó dễ dàng hòa tan để tạo thành axit.

H2SO4 gây ăn mòn kim loại Khí SO2 thải ra ngoài là khí độc nguy hiểm vì vậy lưu huỳnh là nguyên tố có hại của nhiên liệu

Oxy và Nitơ là những thành phần trơ có trong nhiên liệu rắn và lỏng, làm giảm thành phần cháy và nhiệt trị của nhiên liệu Nhiên liệu càng non thì hàm lượng Oxy càng cao Khi đốt, Nitơ không tham gia vào quá trình cháy mà chủ yếu tồn tại dưới dạng tự do trong khói.

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

A (tiếng anh là Ash) là độ tro,

M (tiếng anh là Moisture) - độẩm

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nhiệt của HV Mai Ngọc Nam, dưới sự hướng dẫn của TS Lê Đức Dũng, nghiên cứu về buồng đốt bột than trộn anthracite Việt Nam và than bitum trong nhà máy nhiệt điện Nghiên cứu này nhằm tối ưu hóa quy trình đốt than, nâng cao hiệu suất và giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong ngành năng lượng.

C + H + S + O + N + A + M = 100% là công thức phản ánh đặc tính công nghệ của than Để đánh giá chất lượng than một cách thực tế, người ta phân loại than dựa trên các đặc tính công nghệ, phản ánh khả năng cháy của nó Các thành phần chính bao gồm: Độ ẩm (M), Chất bốc (V), Cốc (FC) và Độ tro (A).

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 cần thiết để làm bay hơi độ ẩm, dẫn đến hiệu suất năng lượng giảm.

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

Các khoáng chất trong than khi cháy sẽ biến thành tro, làm giảm thành phần cháy và nhiệt trị của than Tỉ lệ tro trong than có ảnh hưởng lớn đến tính chất cháy, dẫn đến việc giảm nhiệt trị, gây mài mòn bề mặt ống hấp thụ nhiệt và làm giảm hệ số truyền nhiệt qua vách ống Bên cạnh đó, độ nóng chảy của tro cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của thiết bị cháy.

Chất Bốc của than (Volatile matter V)

Khi nhiên liệu được đốt nóng trong môi trường thiếu oxy, các liên kết giữa các phân tử hữu cơ sẽ bị phân huỷ Quá trình này được gọi là phân huỷ nhiệt.

Sản phẩm của phân huỷ nhiệt là những chất khí được gọi là "Chất bốc" và kí hiệu là

VC %, bao gồm những khí Hydro, Cacbuahydro, CarbonOxyt, Carbonic

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nhiệt của HV Mai Ngọc Nam, dưới sự hướng dẫn của TS Lê Đức Dũng, tập trung nghiên cứu buồng đốt bột than, đặc biệt là sự kết hợp giữa than anthracite Việt Nam và than bitum trong các nhà máy nhiệt điện.

B ảng 2.1: Đặc tính chất bốc và cốc của một số loại than [2]

Nhiên liệu Nhiệt độ bắt đầu sinh chất bốc Chất bốc Tính chất của cốc

Than đá (mỡ) 260 o C 25 – 35% Thiêu kết

Thành phần cốc trong than (Fixed Carbon FC):

Cốc của than, được hình thành từ chất rắn còn lại sau khi loại bỏ độ tro và chất bốc, là thành phần chất cháy chính của than Tính chất của cốc phụ thuộc vào các mối liên hệ hữu cơ trong thành phần cháy; nếu cốc ở dạng cục, nó được gọi là than thiêu kết (như than mỡ, than béo), còn nếu ở dạng bột thì gọi là than không thiêu kết (như than đá, than anthracite) Than có nhiều chất bốc thường có cốc xốp, giúp tăng khả năng phản ứng, trong khi carbon dễ bị oxy hóa và có thể bị hoàn nguyên từ CO2 thành CO Ngược lại, than gầy và than anthracite tạo ra cốc không xốp khi cháy, khiến chúng trở thành loại than khó cháy.

Màu sắc của than phụ thuộc vào khả năng thiêu kết, với than không thiêu kết có màu xám và than ít thiêu kết có màu ánh kim loại Độ bền của than liên quan đến độ xốp của cốc, trong đó than càng xốp thì độ bền càng thấp, dẫn đến khả năng nghiền dễ dàng hơn Nhiệt trị của than được xác định bởi HHV và LHV.

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 (Higher Heating Value) và nhiệt trị thấp (Lower Heating Value).

Than anthracite 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.

BU Ồ N G ĐỐ T THAN TR Ộ N VÀ H Ệ TH Ố NG TR Ộ N THAN

T Ổ NG QUAN V Ề CÁC CÔNG NGH Ệ ĐỐ T THAN TR Ộ N TRONG NHÀ MÁY NHI ỆT ĐIỆ N

Nhà máy nhiệt điện là một hệ thống thiết bị quy mô lớn và phức tạp, tiêu thụ lượng than đáng kể Nghiên cứu công nghệ đốt than trộn, kết hợp than khó cháy với than dễ cháy, đã được nhiều quốc gia áp dụng thành công nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu tại các nhà máy điện đốt than.

Cháy hỗn hợp là khái niệm liên quan đến việc sử dụng hai hoặc nhiều loại nhiên liệu khác nhau trong cùng một thiết bị cháy Khái niệm này có thể áp dụng cho tất cả các hệ thống cháy truyền thống, bao gồm đốt than bột, cháy lớp sôi và cháy lớp ghi, được sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện.

Các hệ thống cháy hỗn hợp được phân loại thành ba công nghệ chính dựa trên cách sử dụng nhiên liệu thứ cấp kết hợp với nhiên liệu sơ cấp, bao gồm công nghệ cháy hỗn hợp trực tiếp, công nghệ cháy hỗn hợp gián tiếp và công nghệ cháy hỗn hợp song song.

Công nghệ cháy hỗn hợp trực tiếp

Cháy hỗn hợp trực tiếp là phương pháp đơn giản, tiết kiệm chi phí và phổ biến nhất trong ngành công nghiệp Nhiên liệu thứ cấp có thể được nghiền cùng với than, thường chiếm dưới 5% thành phần năng lượng, hoặc được nghiền trước rồi đưa vào lò hơi Công nghệ này cho phép sử dụng cả vòi đốt thông thường và vòi đốt chuyên dụng, với vòi đốt chuyên dụng mang lại sự linh hoạt và hiệu quả sử dụng nhiên liệu cao hơn.

Hệ thống cháy hỗn hợp trực tiếp bao gồm những giải pháp công nghệ sau:

Nghiền hỗn hợp (co-milling) là quá trình được áp dụng cho các nhiên liệu rắn, trong đó nhiên liệu sơ cấp như than anthracite được trộn với nhiên liệu thứ cấp như than bittum hoặc sub-bittum Sau khi trộn, hỗn hợp này được đưa vào máy nghiền đồng thời và sau đó được phun qua các vòi phun than thông thường hoặc đến hệ thống cấp nhiên liệu.

Cấp hỗn hợp nhiên liệu (co-feeding) là quá trình mà trong đó nhiên liệu sơ cấp và nhiên liệu thứ cấp được xử lý riêng biệt, sau đó nhiên liệu thứ cấp sẽ được kết hợp với nhiên liệu sơ cấp trong dòng chính Đối với nhiên liệu rắn, sự hòa trộn này diễn ra tại khu vực phía dưới các máy nghiền than.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nhiệt của HV Mai Ngọc Nam, dưới sự hướng dẫn của TS Lê Đức Dũng, nghiên cứu về buồng đốt bột than trộn anthracite Việt Nam và than bitum (á bitum) trong nhà máy nhiệt điện.

Vòi đốt kết hợp là một hệ thống trong đó các nhiên liệu được xử lý riêng biệt, như nghiền cho nhiên liệu rắn, trước khi được vận chuyển đến vòi đốt Tại đây, nhiên liệu sơ cấp được phun qua các cổng phun ban đầu, trong khi nhiên liệu thứ cấp sử dụng các cổng phun mới hoặc đường ống dẫn chưa sử dụng Mặc dù quá trình cấp nhiên liệu không yêu cầu hòa trộn, nhưng giai đoạn cháy vẫn diễn ra đồng thời và tuân theo nguyên lý khí động học như thiết kế ban đầu.

Các vòi đốt mới sử dụng hệ thống cấp nhiên liệu độc lập, trong đó nhiên liệu sơ cấp được cung cấp qua các vòi phun ban đầu, còn nhiên liệu thứ cấp được dẫn đến các vòi đốt chuyên dụng hoặc vòi phun thông thường để đưa vào buồng đốt Những vòi đốt này có khả năng thay thế các vòi đốt nhiên liệu sơ cấp cũ hoặc được lắp đặt tại các vị trí mới trong buồng đốt, tùy thuộc vào các công nghệ cháy ban đầu khác nhau.

Công nghệ cháy hỗn hợp gián tiếp

Cháy hỗn hợp gián tiếp là một phương pháp ít phổ biến hơn so với cháy trực tiếp, trong đó nhiên liệu thứ cấp được chuyển đổi thành khí để đốt cùng với nhiên liệu sơ cấp trong lò hơi Mặc dù công nghệ này yêu cầu thiết bị khí hóa chuyên dụng và có chi phí cao hơn, nhưng nó mang lại tính đa dạng và cho phép sử dụng tỷ lệ lớn nhiên liệu thứ cấp Trước khi được đưa vào buồng đốt, khí sinh ra từ quá trình khí hóa cần được xử lý để loại bỏ tạp chất.

Công nghệ cháy này không thích hợp cho việc đốt than trộn trong nhà máy nhiệt điện

Công nghệ cháy hỗn hợp song song

Công nghệ cháy hỗn hợp song song là quá trình đồng thời đốt nhiên liệu sơ cấp và thứ cấp, yêu cầu lò hơi riêng cho nhiên liệu thứ cấp Hơi nước từ lò hơi này được kết hợp vào chu trình hơi nước chung, cho phép sử dụng tỷ lệ nhiên liệu thứ cấp cao hơn Tuy nhiên, hệ thống này phức tạp hơn và không phù hợp cho việc đốt than trộn trong các nhà máy nhiệt điện.

Lựa chọn công nghệ cháy hỗn hợp than

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nhiệt của HV Mai Ngọc Nam, dưới sự hướng dẫn của TS Lê Đức Dũng, tập trung nghiên cứu buồng đốt bột than trộn anthracite Việt Nam và than bitum trong nhà máy nhiệt điện Nghiên cứu này nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong quá trình sản xuất năng lượng.

Việc thay thế một phần nhiên liệu sơ cấp bằng nhiên liệu thứ cấp có thành phần công nghệ khác yêu cầu điều chỉnh hệ thống trong nhà máy và có thể cần trang bị thêm thiết bị mới hoặc hệ thống phụ trợ phù hợp Sự thay đổi này phụ thuộc vào đặc tính của nhiên liệu, công nghệ cháy hiện tại, bố trí thiết bị chính và hệ thống phụ trợ Tỷ lệ thay thế nhiên liệu, hay tỷ lệ hỗn hợp cháy, là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến các giải pháp kỹ thuật có thể áp dụng Đối với nhà máy nhiệt điện than sử dụng than anthracite trong nước và muốn thay thế một phần nhỏ nhiên liệu than nhập khẩu, cần áp dụng công nghệ đốt hỗn hợp trực tiếp với giải pháp cấp hỗn hợp nguồn than hoặc nghiền hỗn hợp nếu tỷ lệ than bitum và á sub-bitum thấp.

Than anthracite và than bittum (sub bittum) có đặc tính công nghệ khác nhau, dẫn đến yêu cầu công nghệ cho hệ thống cung cấp than cũng khác biệt Cụ thể, than bittum và sub bittum thường sử dụng máy nghiền trục đứng do độ cứng của chúng khác với anthracite Hơn nữa, hàm lượng chất bốc cao trong than bittum và sub bittum cũng ảnh hưởng đến yêu cầu về hệ thống phòng cháy chữa cháy trong kho than, nhằm ngăn ngừa hiện tượng tự bốc cháy.

Việc đốt than trộn theo kết quả nghiên cứu trên sẽ mang lại hiệu quả kinh tế, xã hội to lớn do:

Tiết kiệm nguồn năng lượng sơ cấp đang trở nên cấp thiết khi nguồn tài nguyên này ngày càng cạn kiệt Việc nâng cao hiệu suất năng lượng của nhà máy nhiệt điện đốt than trong nước có thể đạt mức tăng từ 2-3% hoặc cao hơn Chỉ cần tăng hiệu suất lên 1%, chúng ta đã có thể tiết kiệm tới 0,78 triệu tấn than, góp phần bảo vệ môi trường và sử dụng tài nguyên hiệu quả hơn.

(tính với lượng than tiêu thụ năm 2020) và 1,7 triệu tấn than (năm 2030), tương đương tiết kiệm được 78 triệu USD (năm 2020) và 170 triệu USD (năm

2030), tính với giá trung bình 100USD/tấn than

- Tăng độ ổn định, tin cậy và an ninh năng lượng trong cung cấp và sử dụng than ởcác nhà máy điện đốt than nhập khẩu

ĐẶC ĐIỂ M VÀ KH Ả NĂNG Ứ NG D ỤNG ĐỐ T THAN TR Ộ N TRONG CÁC LO Ạ I BU ỒNG ĐỐ T C ỦA LÒ HƠI NMNĐ TẠ I VI Ệ T NAM

Hiện nay, các nhà máy nhiệt điện đốt than ở Việt Nam chủ yếu sử dụng hai loại lò hơi là lò than phun và lò tầng sôi tuần hoàn Các công nghệ khác như lò tầng sôi áp lực và lò khí hóa than vẫn chưa được nghiên cứu và áp dụng trong các dự án nhiệt điện tại Việt Nam Hai nguồn than chính được sử dụng là than anthracite và than bitum hoặc á-bittum nhập khẩu, từ đó tạo cơ sở cho việc lựa chọn công nghệ đốt cho lò hơi của nhà máy nhiệt điện.

Công nghệ đốt cần đạt hiệu suất cao, thân thiện với môi trường và chi phí đầu tư hợp lý Hiệu suất cao giúp giảm tiêu hao nhiên liệu và lượng phát thải ô nhiễm Để bảo vệ môi trường, các nhà máy điện đốt than cần áp dụng kỹ thuật và thiết bị giảm thiểu các chất độc hại như NOX, SO2, bụi và thu giữ CO2.

Công nghệ đốt tầng sôi cho phép đốt cháy nhiều loại nhiên liệu khác nhau trong trạng thái lơ lửng, nơi khí và các hạt rắn hòa quyện tạo thành một hỗn hợp giống như chất lỏng chảy tự do.

Công nghệ đốt tầng sôi, phát triển từ những năm 1970, nhằm đáp ứng các yêu cầu về giới hạn phát thải, đặc biệt là SOx và NOx Quá trình này cho phép cháy sạch hơn và duy trì nhiệt độ thấp, là giải pháp hiệu quả để giảm thiểu phát thải SOx và NOx mà không cần tốn thêm chi phí cho việc xử lý khói thải.

Bằng cách giới hạn nhiệt độ lớp sôi ở khoảng 850 0 C, các yêu cầu trên được đáp ứng bằng cách:

- Bổsung đá vôi trong quá trình cháy;

- Giảm hàm lượng NOx do không hình thành NOx nhiệt

Trong ba yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy, bao gồm thời gian cháy, độ xáo trộn và nhiệt độ cháy, việc khắc phục sự ảnh hưởng tiêu cực của nhiệt độ thấp đã được thực hiện bằng cách tăng cường các yếu tố khác Hiệu suất của quá trình cháy đã được cải thiện đáng kể nhờ vào mức độ xáo trộn cao trong lớp cháy và thời gian cháy kéo dài, mặc dù nhiệt độ cháy có xu hướng giảm Có hai kiểu đốt tầng sôi khác nhau.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nhiệt của HV Mai Ngọc Nam, dưới sự hướng dẫn của TS Lê Đức Dũng, tập trung vào nghiên cứu buồng đốt bột than trộn anthracite Việt Nam và than bitum trong nhà máy nhiệt điện Nghiên cứu này nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và tối ưu hóa quy trình đốt than trong các nhà máy điện.

Lò hơi đốt tầng sôi bọt có thời gian lưu lại trong buồng lửa ngắn, dẫn đến độ xáo trộn tương đối thấp Điều này ảnh hưởng đến hiệu suất cháy và khả năng khử lưu huỳnh của lò hơi, khiến chúng thấp hơn so với các loại lò khác.

- Các lò hơi đốt tầng sôi tuần hoàn với thời gian lưu lại trong buồng lửa lớn hơn

(do tái tuần hoàn tro) và độ xáo trộn cao hơn do đó hiệu suất quá trình cháy cao hơn. a) Lò hơi tầng sôi bọt

Lò hơi tầng sôi bọt được thiết kế chủ yếu để đốt nhiên liệu hóa thạch và nhiên liệu sinh khối, với ứng dụng phổ biến trong các thị trường đang phát triển, đặc biệt là trong việc đốt than Tại những khu vực không có quy định nghiêm ngặt về phát thải, như NOx, lò hơi này vẫn được ưa chuộng, đặc biệt là khi sử dụng than đá và than non Tuy nhiên, ở các thị trường phát triển với quy định khắt khe về phát thải, lò hơi tầng sôi bọt không được chấp nhận Ngược lại, việc ứng dụng lò hơi này trong đốt nhiên liệu sinh khối đang gia tăng, đặc biệt là với các loại nhiên liệu có độ ẩm cao khoảng 70%.

Các ưu điểm của lò hơi tầng sôi bọt:

Lò hơi tầng sôi bọt có khả năng đốt các loại nhiên liệu có độ ẩm cao từ 60% đến 70%, cùng với hàm lượng tro lên đến 70% Các nhiên liệu này bao gồm than non, than thải từ quá trình làm sạch than, cốc chất lượng cao, bụi than, than hoạt tính thấp, sinh khối và chất thải công nghiệp.

- Nhiệt độ cháy thấp, khoảng 800-900 0 C, thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của xỉ, vì vậy tránh được hiện tượng hình thành và bám xỉ trên bề mặt truyền nhiệt

Than có thể được đốt cháy hiệu quả với chi phí thấp cho việc chuẩn bị nhiên liệu, bao gồm quá trình nghiền và làm khô Các cục than lớn khoảng 50 mm được nghiền nhỏ xuống kích thước 3-5 mm, sau đó được đưa vào tầng sôi bằng khí nén.

Lò hơi tầng sôi bọt không tái tuần hoàn các hạt nhiên liệu chưa cháy có thể đạt hiệu suất cháy khoảng 90% Tuy nhiên, việc tái tuần hoàn các hạt nhiên liệu này vào buồng lửa có khả năng nâng cao hiệu suất quá trình cháy lên tới 98%, tùy thuộc vào loại than sử dụng.

Việc bổ sung đá vôi vào lớp cháy tầng sôi giúp giảm thiểu sự phát thải các sản phẩm cháy độc hại như SOx, NOx và các hợp chất nguy hiểm khác Để đạt được hiệu quả tối ưu, cần đảm bảo tỷ lệ mol Ca/S là 5, từ đó tỷ lệ SO2 được giữ lại trong lớp sôi có thể đạt đến 95%.

- Phát thải NOx thấp do nhiệt độ cháy thấp

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nhiệt của HV Mai Ngọc Nam, dưới sự hướng dẫn của TS Lê Đức Dũng, tập trung vào nghiên cứu buồng đốt bột than, đặc biệt là sự kết hợp giữa than anthracite Việt Nam và than bitum trong các nhà máy nhiệt điện.

Các nhược điểm của lò hơi BFBC:

- Tổng lượng nhiệt sinh ra trên mỗi đơn vị diện tích tiết diện ngang buồng lửa khi đốt nhiên liệu nhiệt trịcao tương đối thấp

- Khó khăn khi thiết kế lò có công suất cao do yêu cầu sốlượng điểm cấp nhiên liệu lớn

- Phát thải SOx và NOx tương đối cao

- Độ linh hoạt trong lựa chọn nhiên liệu không nhiều

- Hiệu suất quá trình cháy tương đối thấp

- Độ mài mòn cao của các bề mặt trao đổi nhiệt đặt trong vùng sôi b) Lò hơi tầng sôi tuần hoàn

Công nghệ tần sôi tuần hoàn (CFB) được phát triển từ những năm 70 dưới áp lực của các tiêu chuẩn phát thải khắt khe Đến những năm 80, công nghệ này mới được hoàn thiện và trở thành "Lớp sôi tuần hoàn" Kể từ những năm 1990, CFB đã được áp dụng rộng rãi trên toàn cầu với khoảng 1.000 lò CFB hiện có, nhờ vào nhiều ưu điểm nổi bật đã được công nhận.

Lò đốt này có khả năng đốt nhiều loại nhiên liệu khác nhau, cả riêng biệt và hỗn hợp, rất thích hợp cho các loại than khó cháy, có hàm lượng lưu huỳnh cao và nhiệt lượng thấp Nó có thể xử lý hỗn hợp than với nhiệt lượng khoảng 2.000 kcal/kg.

- Hiệu suất cháy cao do đặc điểm nhiên liệu trong lò hơi được tái tuần hoàn cho đến khi cháy kiệt mới thải ra khỏi buồng đốt

XÂY D Ự NG MÔ HÌNH MÔ PH Ỏ NG QUÁ TRÌNH CHÁY H Ỗ N

T Ổ NG QUAN V Ề PH Ầ N M Ề M MÔ CFD

Tổng quan vềphương pháp CFD

Tính toán động lực học chất lỏng (CFD) là một lĩnh vực khoa học chuyên nghiên cứu và mô phỏng dòng chảy của chất lỏng, quá trình truyền nhiệt, truyền khối, phản ứng hóa học và các hiện tượng liên quan thông qua việc giải quyết các phương trình toán học chủ yếu.

- Các tác động của lực lên vật thể

Các phương trình vi phân riêng là một hệ thống phức tạp, thường không thể giải bằng phương pháp phân tích ngoại trừ một số trường hợp đặc biệt Tuy nhiên, có thể tìm ra lời giải gần đúng thông qua phương pháp rời rạc hóa, biến đổi các phương trình vi phân 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 lý 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 cần thiết cho quá trình thực nghiệm.

Nguyên lý làm việc của CFD

4.1.2.1 Nguyên lý làm việc của CFD

Lời giải của CFD được xây dựng dựa trên phương pháp rời rạc hóa, trong đó có nhiều phương pháp khác nhau, nổi bật nhất là phương pháp thể tích hữu hạn, phần tử hữu hạn và sai phân hữu hạn Các bộ giải ANSYS CFD chủ yếu áp dụng phương pháp thể tích hữu hạn để thực hiện các tính toán.

Xét ví dụ, về dòng chất lỏng chảy trong ống

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nhiệt của HV Mai Ngọc Nam, dưới sự hướng dẫn của TS Lê Đức Dũng, tập trung vào nghiên cứu buồng đốt bột than, bao gồm than anthracite Việt Nam và than bitum (á bitum) trong các nhà máy nhiệt điện Nghiên cứu này nhằm cải thiện hiệu suất và giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong quá trình sản xuất điện năng từ than.

Hình 4.1 Mi ền được rời rạc thành tập hợp hữu hạn các thể tích điều khiển

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

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

4.1.2.2 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 a) Đặt vấn đề

Để giải quyết các vấn đề trong bài toán mô phỏng quá trình cháy than trong lò hơi, chúng ta cần xác định rõ nhu cầu thực tế và tìm ra lời giải thích hợp Các yếu tố quan trọng cần xem xét bao gồm kích thước của lò và vòi phun, cũng như hệ số truyền nhiệt của tường lò Từ đó, chúng ta có thể xác định các thông số đầu vào và đầu ra cho mô hình CFD của mình, nhằm đạt được kết quả chính xác và hiệu quả.

Quá trình giải quyết bài toán CFD bao gồm ba giai đoạn: Pre-Processing, Processing và Post-Processing

Giai đoạn Pre-Processing là bước quan trọng trong việc giải quyết bài toán CFD, bao gồm việc xây dựng mô hình hình học của vật thể và rời rạc hóa vấn đề thông qua các lưới điểm Phương pháp rời rạc cần phải đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất máy tính, đồng thời đảm bảo độ chính xác và khả năng hội tụ của phương pháp.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nhiệt của HV Mai Ngọc Nam, dưới sự hướng dẫn của TS Lê Đức Dũng, tập trung vào nghiên cứu buồng đốt bột than trộn anthracite Việt Nam và than bitum trong nhà máy nhiệt điện Sau khi xây dựng lưới tính toán, việc lựa chọn phương pháp tính là cần thiết Trong lĩnh vực CFD, các phương trình cụ thể được sử dụng để giải quyết bài toán, mặc dù chúng thường có dạng tích phân hoặc vi phân không tuyến tính phức tạp Để giải các phương trình này, cần có các thông số đầu vào tối thiểu, bao gồm điều kiện biên và điều kiện khép kín.

Giai đoạn xử lý là quá trình tính toán, trong đó cần can thiệp vào các đại lượng thứ sinh từ tổ hợp các biến cơ sở trong hệ phương trình Tại giai đoạn này, chúng ta lựa chọn các giải pháp tính toán nhằm đảm bảo phương án tối ưu về thời gian, khả năng tính toán và độ chính xác của kết quả Việc đánh giá kết quả cũng là một phần quan trọng trong quá trình này.

Trong phần này, chúng ta so sánh kết quả đạt 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 chính xác, kết quả của chúng ta cũng cần phải khớp hoặc nằm trong giới hạn sai số cho phép Nếu sai số vượt quá giới hạn, 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, trong khi đó, CFD lại có ưu thế hơn trong những trường hợp này.

Các phần mềm mô phỏng CFD thường được sử dụng để giải quyết các bài toán vật lý phức tạp, đặc biệt là trong lĩnh vực truyền nhiệt, mà thường được biểu diễn bằng các phương trình vi phân đạo hàm riêng Việc tìm nghiệm cho các phương trình này bằng phương pháp giải tích gặp nhiều khó khăn do tính phi tuyến và số lượng tham số lớn Do đó, các phương pháp số như phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), phương pháp sai phân hữu hạn (FDM) và phương pháp khối hữu hạn (FVM) thường được áp dụng để tìm nghiệm gần đúng Tuy nhiên, quá trình giải này có thể tốn thời gian và đôi khi làm giảm độ chính xác của kết quả do phải đơn giản hóa mô hình.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nhiệt của HV Mai Ngọc Nam, dưới sự hướng dẫn của TS Lê Đức Dũng, tập trung vào nghiên cứu buồng đốt bột than trộn anthracite Việt Nam và than bitum trong nhà máy nhiệt điện Nghiên cứu này nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu ô nhiễm trong quá trình đốt than.

Ngày nay, nhờ vào sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin và các phần mềm chuyên dụng, việc giải quyết các bài toán đa biến đã trở nên đơn giản hơn Trong lĩnh vực cơ học lưu chất, nhiều phần mềm như FLUENT, CFX, và PHOENIC được sử dụng để tính toán mô phỏng và phân tích động lực học cũng như truyền nhiệt trong các dòng môi chất phức tạp Tuy nhiên, không phải tất cả các phần mềm này đều phù hợp cho mọi loại dòng chất lưu, mỗi phần mềm có những thế mạnh riêng cho từng ứng dụng cụ thể Bảng 1 dưới đây trình bày một số đặc điểm khác biệt của các phần mềm phân tích động học chất lỏng CFD phổ biến.

B ảng 4.1: Bảng so sánh một số đặc điểm của các phần mềm CFD thông dụng Đặc điểm so sánh

FINDAP FLUENT PHOENIX STAR-CCM+

Phương pháp rời rạc hóa FEM FVM FVM FVM

Loại lưới (mesh) Phi cấu trúc Cấu trúc Cấu trúc Phi cấu trúc

Tùy thuộc vào phần cứng máy tính

Tùy thuộc vào phần cứng máy tính

Tùy thuộc vào phần cứng máy tính

Tạo 2D và 3D Có Có Có Có

Giao diện thân thiện với người dùng Ít Vừa Vừa Ít

Trong quá trình nghiên cứu về việc đốt nhiều loại nhiên liệu trong lò hơi, tác giả đã nhận thấy phần mềm mô phỏng ANSYS Fluent được sử dụng rộng rãi, đặc biệt trong các nghiên cứu của Viện nghiên cứu Indenmitsu Nhật Bản và các nghiên cứu trong nước của TS Lê Đức Dũng và TS Nguyễn Chiến Thắng.

ĐỐI TƯỢNG LÒ HƠI SỬ D Ụ NG LÀM MÔ HÌNH MÔ PH Ỏ NG

Tổng quan về lò hơi mô phỏng

Buồng đốt lò hơi được mô phỏng trên phần mềm ANSYS DesignModeler, dựa trên các thông số thiết kế của lò hơi tại nhà máy nhiệt điện Vũng Áng 1 Nghiên cứu tập trung vào quá trình cháy trong buồng đốt, từ đó đến vùng khói ra sau bộ pheston Mô hình bỏ qua một số chi tiết như bộ quá nhiệt nửa bức xạ, bộ pheston, các bộ quá nhiệt, bộ hâm nước và sấy không khí để đơn giản hóa tính toán và tiết kiệm tài nguyên máy tính Cụm vòi đốt được giản lược nhưng vẫn đảm bảo tiết diện vòi phun tương ứng với mô hình lò hơi thực tế.

B ảng 4.2: Các thông số chính dựng hình 3D lò hơi B&WB-2028/17.43M [11]

STT Thông số Đơn vị Giá trị

1 Chiều cao (từống góp bên dưới lên đỉnh lò) m 53,65

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nhiệt của HV Mai Ngọc Nam, dưới sự hướng dẫn của TS Lê Đức Dũng, tập trung vào nghiên cứu buồng đốt bột than anthracite Việt Nam kết hợp với than bitum trong các nhà máy nhiệt điện.

5 Đường kính trong vòi đậm m 0,472

6 Đường kính trong vòi loãng m 0,422

7 Đường kính ống gió cấp 2 trong m 0,950

8 Đường kính ống gió cấp 2 ngoài m 1,204

9 Đường kính ống gió cấp 3 m 0,422

10 Sốlượng vòi đậm (Conc) Vòi 24

11 Sốlượng vòi loãng (Weak) Vòi 24

12 Sốlượng ống gió cấp 3 (Stangging air) Ống 48

Hệ thống vòi đốt than bột

Hệ thống đốt cháy bao gồm 24 vòi đốt than bột, ống gió cấp 3, bộ đánh lửa vòi đốt dầu và các tấm chắn điều chỉnh gió cấp 2, được mô tả trong hình vẽ dưới đây.

Hình 4.3: Hình ảnh minh họa phương án đưa than vào buồng đốt lò hơi NMNĐ

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nhiệt của HV Mai Ngọc Nam, dưới sự hướng dẫn của TS Lê Đức Dũng, tập trung nghiên cứu buồng đốt bột than trộn anthracite Việt Nam và than bitum (á bitum) trong nhà máy nhiệt điện Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong quá trình sản xuất điện năng.

Cấu tạo của vòi đốt phía vai lò được minh họa trong hình 4.4 dưới đây:

Hình 4.4: Hình ảnh minh họa và mô phỏng phần vòi đốt phía vai lò hơi [22]

Gió cấp 2 được cấp tới vòi đốt thông qua hệ thống hộp gió, tại vòi đốt, gió cấp

Gió cấp 2 của lò hơi NMNĐ Vũng Áng được điều chỉnh thông qua hệ thống cửa trượt và cánh điều chỉnh, chia thành hai dòng trong vòi đốt: dòng phía trong và dòng phía ngoài, với các cánh hướng giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.

Than được gió cấp 1 vận chuyển vào vòi đốt, nơi mà các hạt than mịn sẽ theo đường than vòi loãng đi xuống dưới, trong khi các hạt than lớn hơn sẽ tạo thành dòng than đặc di chuyển tới vai lò Tỷ lệ giữa dòng đặc và dòng loãng gần như tương đương nhau.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nhiệt của HV Mai Ngọc Nam, dưới sự hướng dẫn của TS Lê Đức Dũng, tập trung vào nghiên cứu buồng đốt bột than trộn anthracite Việt Nam và than bitum trong nhà máy nhiệt điện Nghiên cứu này nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu ô nhiễm trong quá trình đốt than, góp phần nâng cao hiệu quả hoạt động của các nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam.

Hình 4.5: Hình ảnh minh họa và mô phỏng quá trình phân chia dòng than trong vòi đốt lò hơi NMNĐ Vũng Áng 1 [22]

PHÂN TÍCH K Ế T QU Ả MÔ PH ỎNG VÀ ĐỀ XU Ấ T