zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Khoa Học Tự Nhiên

» Môi trường

Mô phỏng nồng độ phát thải quá trình đốt than trên hệ thống tầng sôi tuần hoàn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Báo xấu

10
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung bài viếtnày trình bày mô hình dự đoán nồng độ và tính chất khí thải cho quá trình đốt than kiểu tầng sôi tuần hoàn công suất 10 MWth, sử dụng nguyên lý bảo toàn khối lượng và độ chuyển hóa khí. Nồng độ và lưu lượng khí thải gồm CO2, O2, CO, SO2, NOx đã được dự đoán tốt. Đồng thời, ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu lên thành phần khí thải cũng được trình bày.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Mô phỏng nồng độ phát thải quá trình đốt than trên hệ thống tầng sôi tuần hoàn

Hội nghị Khoa học trẻ lần 4 năm 2022 (YSC2022) – IUH Ngày 14/10/2022 ISBN: 978-604-920-156-1 YSC4F.314 MÔ PHỎNG NỒNG ĐỘ PHÁT THẢI QUÁ TRÌNH ĐỐT THAN TRÊN HỆ THỐNG TẦNG SÔI TUẦN HOÀN NGUYỄN HOÀNG KHÔI, BÙI TRUNG THÀNH Khoa Công nghệ Nhiệt lạnh, Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh nguyenhoangkhoi@iuh.edu.vn, buitrungthanh@iuh.edu.vn Tóm tắt. Công nghệ đốt nhiên liệu rắn kiểu tầng sôi tuần hoàn là công nghệ tiềm năng, giúp giảm thiểu phát thải khí ô nhiễm (NOx, SOx) từ quá trình cháy trong các lò đốt công nghiệp hoặc các nhà máy nhiệt điện. Nội dung bài báo này trình bày mô hình dự đoán nồng độ và tính chất khí thải cho quá trình đốt than kiểu tầng sôi tuần hoàn công suất 10 MWth, sử dụng nguyên lý bảo toàn khối lượng và độ chuyển hóa khí. Nồng độ và lưu lượng khí thải gồm CO2, O2, CO, SO2, NOx đã được dự đoán tốt. Đồng thời, ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu lên thành phần khí thải cũng được trình bày. Mô hình đề xuất này có thể được sử dụng như là công cụ mô phỏng số phục vụ cho việc thiết kế và đánh giá vận hành hệ thống đốt tầng sôi tuần hoàn quy mô thương mại. Từ khóa. quá trình cháy, tầng sôi tuần hoàn, khí thải, nhiên liệu rắn, than, mô phỏng. SIMULATION FOR FLUE GAS CONCENTRATION DURING COAL COMBUSTION IN A CIRCULATING FLUIDIZED BED COMBUSTOR Abstract. Circulating fluidized bed combustion (CFBC) is a promising technology to reduce pollutant emissions (SOx, NOx) from industrial combustors and thermal power stations. This paper presents a model to predict behavior and flue gas concentration during coal combustion in 10MWth CFBC systems, using mass balance and gas conversion. The concentration and flow rate of CO2, O2, CO, SO2, and NOx were well-predicted. In addition, the effects of fuel properties on flue gas content were estimated. The proposed model can be used as a numerical tool for the design and operating evaluation of large-scale circulating fluidized bed combustors. Keywords. combustion, circulating fluidized bed, flue gas, solid fuels, than, simulation. 1 GIỚI THIỆU Quá trình cháy cho việc sản xuất nhiệt năng và điện năng cần được kiểm soát vận hành một cách hiệu quả, mang lại lợi ích về mặt sử dụng nhiên liệu, sinh hơi, phát điện và đồng thời đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về môi trường [1]. Hiệu suất lò hơi có thể được xác định thông qua sản phẩm quá trình cháy, quá trình cháy hoàn toàn giảm thiểu phát sinh CO sẽ giúp tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu [1]. Tầng sôi tuần hoàn là công nghệ tiềm năng để đốt nhiên liệu rắn cho quá trình sản xuất năng lượng, với ưu điểm giảm phát thải khí ô nhiễm, và sử dụng linh hoạt các loại nhiên liệu rắn thấp cấp [2], [3]. Khi buồng đốt tại chế độ ổn định, các tham số ảnh hưởng đến quá trình cháy (nhiệt độ, hệ số không khí thừa, độ phân bố oxy) có thể được điều chỉnh để đạt được hiệu suất cháy cao nhất trong buồng đốt [1]. Cho đến nay, đã có các mô hình lý thuyết được xây dựng cho hệ thống đốt than tầng sôi tuần hoàn với hướng tiếp cận 1D, 1.5D, 2D hoặc 3D [4], [5]. Mô tả tổng quan về quá trình cháy của than cũng đã được trình bày trong tài liệu [6], với mô hình đơn giản 1D theo kiểu dòng đẩy. 118  2022 Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh
Hội nghị Khoa học trẻ lần 4 năm 2022 (YSC2022) – IUH Ngày 14/10/2022 ISBN: 978-604-920-156-1 Trong bài báo này, một mô hình dự đoán nồng độ thành phần khí thải ô nhiễm tại điều kiện ổn định trong buồng đốt được xây dựng dựa vào nguyên lý bảo toàn khối lượng và giả sử độ chuyển hóa của các nguyên tố cháy trong nhiên liệu, sử dụng mô hình 0D. Các thông số đầu ra được đánh giá bao gồm nồng độ và lưu lượng khí thải ô nhiễm sinh ra từ quá trình cháy cho hai loại nhiên liệu khác nhau là than antraxit và than cốc đã dự đoán. 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ QUY TRÌNH MÔ PHỎNG Trong bài báo này, thành phần khí thải từ quá trình cháy trong buồng đốt tầng sôi tuần hoàn được dự đoán với mô hình 0D, sử dụng phần mềm Matlab (R2018a). Nhiên liệu sử dụng cho mô hình hóa là hai loại than với thành phần khác nhau, có đặc tính kỹ thuật như mô tả trong Bảng 1. Chất rắn vào buồng đốt gồm có nhiên liệu than, và lớp cát trơ sôi. Không khí là chất oxi hóa được cấp vào lò phía dưới ghi phân phối khí. Bảng 1: Phân tích thành phần nhiên liệu sử dụng trong nghiên cứu [7] Thành phần Than antraxit Tây Ban Nha Than cốc Phân tích nguyên tố (wt.%, cơ sở khô) C 59,0 86,0 H 1,9 3,7 N 0,95 1,7 O 3,0 1,2 S 1,1 6,0 Phân tích thô (wt.%) Độ ẩm 8,3 6,6 Độ tro 34,05 1,4 Chất bốc 7,0 11,0 Nhiệt trị thấp (MJ/kg) 19,9 31,6 Thành phần các chất khí gồm có O2, N2, CO2, SO2, NO, và chất bốc. Phần khối lượng của các nguyên tố cháy trong nhiên liệu được xác định theo Bảng 1. Nhiên liệu đầu vào được chuyển hóa hoàn toàn gồm các thành phần như mô tả trong phương trình (1). Nhiên liệu → C + H + O + N + S + CO2 + H2O + Tro (1) Phương trình phản ứng của thành phần cốc (phản ứng dị thể) trong nhiên liệu được thể hiện qua công thức (2): C (rắn) + O2 (khí) → CO2 (khí) (2) Trong pha khí, các phản ứng hóa học đồng thể được xét đến qua các phương trình (3) - (7): C (khí) + ½ O2 (khí) → CO (khí) (3) H2 (khí) + ½ O2 (khí) → H2O (khí) (4) N + ½ O2 → NO (5) 2N + ½ O2 → N2O (6) S (khí) + O2 (khí) → SO2 (khí) (7) Phương trình phản ứng hóa học và độ chuyển hóa thành khí của các nguyên tố cháy được trong nhiên liệu như trình bày trong Bảng 2. Bảng 2: Phương trình phản ứng và độ chuyển hóa Phản ứng Phương trình Độ chuyển hóa (%) (1) Nhiên liệu → C + H + O + N + S + CO2 + H2O + Tro 100,0 (2) C + O2 → CO2 98,3 (3) C + O → CO 0,003 (4) H2 + ½ O2 → H2O 100,0  2022 Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 119
Hội nghị Khoa học trẻ lần 4 năm 2022 (YSC2022) – IUH Ngày 14/10/2022 ISBN: 978-604-920-156-1 (5) N + ½ O2 → NO 12,0 (6) 2N + ½ O2 → N2O 4,0 (7) S + O2 → SO2 30,0 Sơ đồ mô hình mô phỏng 0D buồng đốt được trình bày trong Hình 1. Hình 1: Sơ đồ mô hình mô phỏng 0D hệ thống đốt tầng sôi tuần hoàn Cân bằng tổng quát của các nguyên tố C, H, N, S, O trong buồng đốt được trình bày qua phương trình (8). 𝒅𝒏̈ 𝒊, 𝒓 𝟏𝟎 𝒅𝒕∗ = (𝒏̈ 𝒊, 𝒌𝒗 + 𝒏̈ 𝒊,𝒔𝒗 ) − (𝒏̈ 𝒊, 𝒌𝒓 + 𝒏̈ 𝒊, 𝒔𝒓 ) + ∑ 𝒋=𝟏 𝝂 𝒊,𝒋 𝝃 𝒊,𝒋 (8) Trong đó: 𝑛̈ : Lưu lượng mol (mol/s); t ∗ : Thời gian (-); 𝑉: Thể tích buồng đốt (m3); 𝑞: Lưu lượng thể tích (m3/s); ξ: Lưu lượng mol của phản ứng (mol/s); f: Độ chuyển hóa (-); ν: Hệ số tỉ lệ phản ứng cháy (-); v: vào, r: ra, k: pha khí; s: pha rắn, i,j: nguyên tố và phương trình phản ứng tương ứng. Các giả sử trong nghiên cứu: - Trong phạm vi nghiên cứu này, mô phỏng áp dụng nguyên lý bảo toàn khối lượng và giả sử độ chuyển hóa thành khí của các nguyên tố cháy trong nhiên liệu (Bảng 2). - Không khí là tác nhân oxi hóa nhiên liệu, giả sử thành phần O2, N2 và H2O lần lượt là 20,67 %, 77,76 %, và 1,57 %. - Hệ số không khí thừa trong quá trình cháy 1.2. - Hỗn hợp khí thải được xem xét như là khí lý tưởng. Bảng 3 trình bày kích thước hình học và thông số làm việc của buồng đốt nhiên liệu rắn công suất 10 MWth. Bảng 3: Thông số hình học và điều kiện làm việc của buồng đốt 10 MWth CFBC Thông số làm việc Giá trị Kích thước buồng đốt (m) 14,6 x 2,5 x 1,2 (L x W x D) Đường kính hạt than nhiên liệu (mm) 1,5 Áp suất làm việc (bar) 1,0 Nhiệt độ ban đầu của buồng đốt (°C) 780 Lưu lượng than nạp (kg/h) 1078 Hệ số không khí thừa (-) 1,2 120  2022 Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh
Hội nghị Khoa học trẻ lần 4 năm 2022 (YSC2022) – IUH Ngày 14/10/2022 ISBN: 978-604-920-156-1 3 KẾT QUẢ Nồng độ các chất khí thải (N2, O2, CO2, H2O) và các chất gây ô nhiễm (CO, NO, N2O, và SO2) của hai loại nhiên liệu được trình bày trong Hình 2 và Hình 3, tương ứng. Mặc dù thành phần nguyên tố cháy trong nhiên liệu là khác nhau, tuy nhiên, giá trị khí thải của N2, O2, CO2, H2O không quá khác biệt cho hai loại nhiên liệu. Đối với than antraxit, nồng độ khí N2, O2, H2O (theo phần trăm thể tích) lần lượt là 76,79; 6,63; và 4,01 %. Đối với than cốc thành phần khí N2, O2, H2O tương ứng là 76,51; 6,56; và 4,72%. Nồng độ CO2 dự đoán khi đốt than antraxit và than cốc lần lượt là 12,51 và 12,8%, tương ứng. Thông thường, quá trình cháy nhiên liệu than với không khí, nồng độ CO2 sinh ra nhỏ hơn 15% [8]. Trong khi đó, thành phần chất ô nhiễm (NO, N2O, và SO2) cho thấy sự khác biệt đáng kể giữa hai nhiên liệu. Sự khác biệt chính là do sự khác nhau của thành phần N, và S trong nhiên liệu. Bảng 1 cho thấy tỉ lệ nguyên tố N và S trong than antraxit lần lượt là 0,95 và 1,1%. Trong khi đó, thành phần N và S trong than cốc lần lượt là 1,7 và 6 %. Do đó, độ phát thải của NO, N2O, và SO2 khi đốt than cốc lớn hơn so với khi đốt than antraxit. Giá trị cho thấy khi đốt than antraxit, nồng độ NO, N2O, và SO2 là 210,8; 35,1; và 267 ppm tương ứng. Trong khi đó, sử dụng than cốc giá trị NO, N2O, và SO2 hình thành là 249,8; 41,6; và 964,4 ppm tương ứng. Hàm lượng S trong than cốc gấp 5,45 lần trong than antraxit, độ phát thải của SO2 khi đốt than cốc chỉ gấp 3,6 lần, so với đốt than antraxit. Điều này do sự khác biệt thể tích khói thải sinh ra, kết quả dự đoán cho thấy lưu lượng khói thải ra là 14070, và 9318 Nm3/h khi đốt than cốc và than antraxit. Do đó, mô hình có thể dự đoán nhanh các thông số cần tính toán để thiết kế hệ thống quá trình cháy các loại nhiên liệu rắn khác nhau. Hình 2: Nồng độ khí thải N2, O2, CO2, H2O ra khỏi buồng đốt Hình 3: Nồng độ khí thải ô nhiễm CO, NO, N2O, và SO2 ra khỏi buồng đốt  2022 Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 121
Hội nghị Khoa học trẻ lần 4 năm 2022 (YSC2022) – IUH Ngày 14/10/2022 ISBN: 978-604-920-156-1 4 KẾT LUẬN Nồng độ khí thải và đặc tính khí thải từ quá trình cháy được dự đoán sử dụng nguyên lý cân bằng khối lượng và độ chuyển hóa khí trong buồng đốt tầng sôi tuần hoàn công suất nhiệt 10 MWth. Thông số cơ bản của quá trình cháy gồm nồng độ các chất khí thải và lưu lượng khói thải của than cốc và than antraxit Tây Ban Nha có đặc tính khác nhau đã được dự đoán tốt tại điều kiện quá trình cháy ổn định. Đối với than antraxit, nồng độ khí N2, O2, CO2, H2O lần lượt là 76,79; 6,63; 12,51; và 4,01 %, thành phần NO, N2O, và SO2 lần lượt là 210,8; 35,1; và 267 ppm. Trong khi đó, đốt than cốc sẽ phát sinh thành phần khí N2, O2, CO2, H2O lần lượt là 76,51; 6,56; 12,8; và 4,72%. Đồng thời hàm lượng NO, N2O, và SO2 sinh ra lần lượt là 249,8; 41,6; và 964,4 ppm. Lưu lượng khói thải sinh ra khi đốt than antraxit là 9318 Nm3/h và 14070 Nm3/h khi đốt than cốc. Từ các giá trị mô phỏng, cho thấy có thể dự đoán các thông số quá trình cháy cho một số loại nhiên liệu rắn khác nhau về thành phần. Do đó, mô hình có thể hỗ trợ được quá trình thiết kế ban đầu và đánh giá được quá trình vận hành tại điều kiện ổn định. Tuy nhiên, để dự đoán được chính xác hơn các thông số quá trình cháy, mô hình cần thiết kết hợp cân bằng năng lượng và các thông số động học phản ứng của các phương trình cháy cần được xét đến. Hơn nữa, các tham số ảnh hưởng đến quá trình cháy tại điều kiện ổn định cần được phát triển. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] G.Q. Fan and N.W. Rees. Furnace flue gas modelling and simulation, 13th Triennial world congress, San Francisco, USA, 1996. [2] P. Basu. Circulating fluidized bed boilers design, operation and maintenance, vol. 54, 2015. [3] Acharya, A review of some operation and maintenance issues of CFBC boilers, Appl Therm Eng, 2016;102:672- 694. [4] Afsin Gungor. One dimensional numerical simulation of small scale CFB combustors, Energy Conversion and Management, 2009;50:711–722. [5] J. Gu, W. Zhong, A. Yu. Three-dimensional simulation of oxy-fuel combustion in a circulating fluidized bed. Powder Technol., 2019; 351:16-27. [6] P. Basu. Combustion of coal in circulating fluidized-bed boilers: a review. Chem Eng Sci.,1999;54:5547–5557. [7] Jouni Ritvanen, Jeno Kovacs, Mikko Salo, Matias Hultgren, Antti Tourunen, Timo Hyppänen. 1-D dynamic simulation study of oxygen fired coal combustion in pilot and large scale CFB boilers, Coal Gen Europe, Warsaw, Poland, 2012. [8] Jyh-Cherng Chen, Zhen-Shu Liu, Jian-Sheng Huang. Emission characteristics of coal combustion in different O2/N2, O2/CO2 and O2/RFG atmosphere, Journal of Hazardous Materials, 2007;142: 266-271. 122  2022 Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.