Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật nhiệt: Nghiên cứu một số giải pháp nâng cao hiệu suất cháy antraxit Việt Nam trong buồng đốt than phun nhà máy nhiệt điện

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

66
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án là: Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm quá trình cháy, xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy bột than antraxit Việt Nam trong buồng đốt lò hơi nhà máy nhiệt điện; Tổng hợp phân tích kết quả thu được, đề xuất và lựa chọn giải pháp nâng cao hiệu suất cháy antraxit Việt Nam trong buồng đốt than phun nhà máy nhiệt điện.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật nhiệt: Nghiên cứu một số giải pháp nâng cao hiệu suất cháy antraxit Việt Nam trong buồng đốt than phun nhà máy nhiệt điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN CHIẾN THẮNG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT CHÁY ANTRAXIT VIỆT NAM TRONG BUỒNG ĐỐT THAN PHUN NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN Chuyên ngành: Kỹ thuật Nhiệt Mã số: 62520115 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT Hà Nội - 2017
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Trần Gia Mỹ 2. GS. TSKH. Nguyễn Sĩ Mão Phản biện 1: PGS. TS. Lê Công Cát Phản biện 2: PGS. TS. Vũ Duy Trường Phản biện 3: PGS. TS. Trương Ngọc Tuấn Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án Tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi giờ, ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Theo quy hoạch điện VII hiệu chỉnh tháng 3 năm 2016 của Việt Nam, giai đoạn 2015-2030 điện năng sản xuất từ nhiệt điện than luôn tăng và chiếm tỷ trọng lớn nhất trong cơ cấu nguồn điện. Các lò hơi đốt than phun đã được thiết kế chế tạo đốt than ổn định, song hiệu suất còn thấp, tỷ lệ cacbon chưa cháy hết trong tro còn cao. Đặc biệt là đối với các lò đốt than antraxit Việt Nam, loại than cháy ít khói, hàm lượng các bon (C) trong than cao, song chất bốc (V) hàm lượng tro (A) cao nên khó bắt cháy và khó cháy kiệt. Chính vì vậy, hiện nay, thành phần các bon còn lại trong tro ở các nhà máy nhiệt điện cũ đều rất cao như: Phả Lại: 12-18%, Ninh Bình: 15 -35%, Uông Bí cũ: 30 - 40%, ...); Các nhà máy mới xây dựng như Phả Lại 2, Uông Bí mở rộng 1, ... vẫn chưa khắc phục được các nhược điểm trên của than antraxit Việt Nam, hàm lượng C còn lại trong tro vẫn cao (trên 12%). Kinh nghiệm nghiên cứu, thiết kế, chế tạo lò hơi NMNĐ đốt than sử dụng than antraxit có chất bốc thấp ở mức dưới 8% như than Việt Nam chưa nhiều. Việc nâng cao hiệu suất cháy than trong các NMNĐ hiện vẫn đang thực hiện ở mức trung, đại tu thiết bị và những cải tiến mang tính nhỏ, lẻ. Các nghiên cứu lý thuyết cháy ứng dụng đã chỉ ra rằng, để nâng cao hiệu hiệu quả sử dụng than ít chất bốc cần phải giải quyết các vấn đề kĩ thuật cơ bản sau: Bảo đảm bắt lửa sớm, ổn định; Bảo đảm hiệu suất cháy cao, cháy kiệt; Hạn chế và loại bỏ đóng xỉ buồng lửa; Đề phòng ăn mòn nhiệt độ cao; Giảm chất phát thải khí và các thành phần ô nhiễm khác. Đây là những vấn đề kĩ thuật phức tạp mâu thuẫn lẫn nhau, phải nghiên cứu và chọn lựa các giải pháp phù hợp, tối ưu. Từ những trình bày trên đây có thể nhận thấy, vấn đề nâng cao độ tin cậy trong vận hành và đặc biệt là hiệu suất cháy than antraxit Việt Nam là vấn đề cấp thiết và cấp bách hiện nay. Để giải quyết vấn đề đặt ra cần nghiên cứu bằng lý thuyết và thực nghiệm quá trình cháy bột than, xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy, tạo cơ sở tin cậy cho việc lựa chọn một số giải pháp nâng cao hiệu suất cháy antraxit trong buồng đốt than phun nhà máy nhiệt điện Việt Nam. Với lý do trình bày trên đây có thể nhận thấy, việc lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu một số giải pháp nâng cao hiệu suất cháy antraxit Việt Nam trong buồng đốt than phun nhà máy nhiệt điện” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 2. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của luận án là: Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm quá trình cháy, xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy bột than antraxit Việt Nam trong buồng đốt lò hơi nhà máy nhiệt điện; Tổng hợp phân tích kết quả thu được, đề xuất và lựa chọn giải pháp nâng cao hiệu suất cháy antraxit Việt Nam trong buồng đốt than phun nhà máy nhiệt điện. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là buồng đốt than phun nhà máy nhiệt điện và phạm vi nghiên cứu là ảnh hưởng của một số yếu tố đến hiệu suất cháy 4. Phương pháp nghiên cứu Luận án được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô hình thực nghiệm, mô phỏng và thực tiễn.
2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu Về mặt khoa học: Đề tài đã làm sáng tỏ được một số yếu tố ảnh hưởng của nồng độ dòng bột than/ gió sơ cấp, ảnh hưởng của tỷ lệ gió sơ cấp/ thứ cấp đến hiệu suất cháy bột than antraxit trên mô hình thí nghiệm. Ảnh hưởng của một số điều kiện vận hành lò hơi nhà máy điện đến hiệu suất lò hơi, các vấn đề này đã thể hiện rõ ý nghĩa khoa học của công trình nghiên cứu. Về mặt thực tiễn: Những đóng góp của đề tài có ý nghĩa thực tiễn khá rõ rệt là đã nghiên cứu thành công một số yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất cháy bột than, đã nâng cao được hiệu suất này lên từ 3 đến 5 % so với trước đó. 6. Điểm mới của luận án - Đã xác định được các giá trị vận tốc gió cấp 1 hợp lý, nồng độ than/gió hợp lý, hệ số không khí thừa hợp lý trên mô hình thực nghiệm, là tư liệu nghiên cứu quan trọng có thể ứng dụng trong quá trình thí nghiệm hiệu chỉnh lò hơi nhà máy nhiệt điện đốt than phun trong thực tế. - Đã xây dựng được mối quan hệ giữa nồng độ dòng bột than hợp lý, tốc độ gió cấp 1 (dòng bột than) hợp lý, hệ số không khí thừa đầu ra buồng đốt hợp lý, hiệu suất cháy và hiệu suất lò hơi với hàm lượng chất bốc trong nhiên liệu bằng phương pháp thí nghiệm trên lò hơi nhà máy nhiệt điện thực tế. - Đã xây dựng được mô hình mô phỏng quá trình cháy trong buồng đốt than phun bằng phương pháp mô phỏng số CFD với kết quả có ý nghĩa thực tiễn. 7. Bố cục của luận án Phần thuyết minh luận án gồm 134 trang với các phần: Mở đầu (04 trang); Chương 1 - Tổng quan (33 trang); Chương 2 - Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ dòng than phun đến hiệu suất cháy (23 trang); Chương 3 - Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất bốc đến hiệu suất cháy (28 trang); Chương 4 - Kết quả nghiên cứu và thảo luận (37 trang); Kết luận và kiến nghị (2 trang); Danh mục công trình của luận án (04 công trình); Tài liệu tham khảo (93 tài liệu); Luận án có 32 bảng và 45 hình vẽ. Phần phụ lục của luận án gồm 65 trang với Phụ lục A: Mô hình thí nghiệm có 3 phụ lục nhỏ, phụ lục 1: Bản tính thiết kế mô hình; phụ lục 2: Bảng tính và bảng thông số các kết quả thí nghiệm trên mô hình; phụ lục 3: Kết quả phân tích mẫu than thí nghiệm; Phụ lục B: Thí nghiệm đốt than trộn có 3 phụ lục nhỏ, phụ lục 1: Nhiên liệu dùng trong thí nghiệm; phụ lục 2: Bảng tính các chế độ thí nghiệm trên lò hơi thực tế tại NMNĐ Ninh Bình, phụ lục 3: Điều kiện đầu vào và điều kiện biên cho mô phỏng CFD sau thí nghiệm trên lò hơi thực tế tại NMNĐ Ninh Bình. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHÁY THAN TRONG BUỒNG ĐỐT THAN PHUN NMNĐ VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.1. Vai trò của các NMNĐ đốt than trong sản xuất điện năng Giới thiệu tổng quan về công suất, điện năng sản xuất, tỷ trọng của các NMNĐ đốt than trong sản xuất điện năng trên thế giới, ở Việt Nam và khả năng cung ứng than cho sản xuất điện. 1.2. Công nghệ đốt than antraxit trong NMNĐ ở Việt Nam Hiện nay, đốt than antraxit trong lò hơi tại các NMNĐ của Việt Nam bao gồm hai phương pháp là sử dụng công nghệ lò hơi đốt than phun (Pulverize Coal - PC) và công nghệ lò hơi đốt tầng sôi tuần hoàn (Circulating Fluidized Bed - CFB).
3 1.3. Nghiên cứu cháy antraxit trong buồng lửa than phun Phân tích lý thuyết về các yếu tố ảnh hưởng chính tới nhiệt lượng bắt lửa: lưu lượng và tốc độ gió cấp 1, nhiệt độ gió nóng và nhiệt độ khói vùng bắt lửa, độ mịn của bột than, nhiệt độ bắt cháy của dòng bột than, nồng độ dòng bột than, trường khí động trong buồng lửa. Chúng tôi cũng phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình cháy: vòi đốt, buồng đốt, các phương pháp bố trí vòi phun trên buồng đốt, buồng đốt ngọn lửa hình W. 1.4. Tổng quan các kết quả nghiên cứu về cháy than antraxit 1.4.1. Các kết quả nghiên cứu ở nước ngoài Nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng than và giảm thiểu ô nhiễm môi trường, các tổ chức nghiên cứu đốt than trên thế giới đã nghiên cứu phát triển công nghệ đốt than phun trong lò hơi nhà máy nhiệt điện chủ yếu đi theo hai hướng chính là nghiên cứu điều chỉnh các đặc tính hoá lý của than và nghiên cứu cải thiện chế độ khí động quá trình cháy. Theo đó, các nước Tây Âu đã đi theo hướng kết hợp sử dụng hiệu quả tăng cường phản ứng hoá học quá trình bén lửa và bốc cháy của than bằng giải pháp sử dụng thiết bị phân ly than có khả năng điều chỉnh để tăng độ mịn, nhằm giảm tổn thất không cháy hết của nhiên liệu; Ngoài ra, còn sử dụng hỗn hợp than khó cháy antraxit với than có chất bốc cao dễ cháy như bitum hoặc á bitum; Về khí động của quá trình cháy đã nghiên cứu đưa vào sử dụng công nghệ đốt than ngọn lửa hình W, kiểu buồng đốt “có vai”; Sử dụng vòi đốt có khả năng sấy bột than và hoà trộn than bột - gió nóng (cho dòng đậm đặc); Bổ sung thêm một tầng gió nóng ở phía trên vai lò (OFA) và đưa vòi loãng lên tầng gió OFA; Nâng cao hiệu suất lò hơi và giảm phát thải NOX nhờ hệ thống giám sát và điều khiển tại chỗ các điều kiện cháy 45. Ngoài ra, còn có một số biện pháp khác như: Áp dụng công nghệ thải xỉ khô và tận dụng lượng nhiệt của tro xỉ để gia nhiệt không khí quay lại buồng đốt; Sử dụng băng tải đệm khí cho hệ thống vận chuyển than; Áp dụng hệ thống giám sát tự động quá trình cháy tiên tiến OPTICOM để cải thiện hiệu suất lò hơi trong nhà máy điện đốt than; Áp dụng phương pháp INPUT/LOSS Method (phương pháp thí nghiệm và đánh giá vận hành nhà máy bằng mô phỏng trên máy tính) 48. Liên Xô cũ là nước có rất nhiều kinh nghiệm trong việc đốt than antraxit trong các lò hơi nhà máy nhiệt điện, họ sử dụng các giải pháp như nghiền than mịn, nâng cao nhiệt độ gió nóng, vận tải than bột nồng độ cao 84, 85. Trung Quốc lựa chọn hệ thống chế biến than có phễu than trung gian với sơ đồ nguyên lý hệ thống chế biến than kiểu hở, dùng khói lò trộn với không khí làm môi chất sấy, sau khi làm việc được khử bụi than trong các bộ khử bụi và thải ra ngoài trời áp dụng cho than có độ ẩm cao 64, 65. Ngoài ra còn có các nghiên cứu khác của các học giả trên thế giới như: nghiên cứu về độ mịn của bột than 80,8275,58, nghiên cứu so sánh các loại than 61,55, nghiên cứu về bổ sung chất xúc tác 51,78, nghiên cứu về than trộn 60,71, nghiên cứu về giảm thiểu phát thải NOx79,54, nghiên cứu về khí động 59,72. 1.4.2. Các kết quả nghiên cứu ở Việt Nam Ở Việt Nam có rất nhiều tác giả nghiên cứu về nâng cao hiệu suất cháy theo các hướng như: lựa chọn phương pháp đốt 23,33, tăng cường khả năng cháy kiệt 14,
4 15, 18, 29, 37, trộn với than chất bốc cao hơn 25, 37. Tuy nhiên, nghiên cứu về nồng độ dòng bột than hợp lý cho buồng đốt ngọn lửa hình W và nghiên cứu ảnh hưởng của thay đổi chất bốc trong nhiên liệu khi trộn than antraxit nội địa với than nhập khẩu có chất bốc cao thì chưa được đề cập đến. 1.4.3. Nghiên cứu trên mô hình mô phỏng CFD CFD (Computational Fluid Dynamics) là lĩnh vực khoa học sử dụng các phương pháp số kết hợp với công nghệ mô phỏng trên máy tính để giải quyết các bài toán có sự chuyển động của lưu chất. Với những tính năng ưu việt của công cụ CFD, lĩnh vực mô phỏng quá trình cháy than trên thế giới đã được phát triển từ lâu và đã gặt hái được nhiều thành quả có thể kể đến như: nghiên cứu về quá trình cháy hạt đơn 40,73, 49, nghiên cứu về quá trình cháy chùm hạt 63. Ở Việt Nam, nghiên cứu quá trình cháy bằng CFD mới chỉ đang bắt đầu, cụ thể là mới có công trình nghiên cứu về mô phỏng cháy than trên lò hơi Phả Lại 2 và Vũng Áng 1 với các loại than khác nhau với sự hỗ trợ của Nhật Bản 47. Tuy nhiên, nghiên cứu này chưa chỉ ra được sự thay đổi của hiệu suất cháy với các tỷ lệ trộn khác nhau cũng như chưa so sánh đánh giá với bất kỳ số liệu thực nghiệm nào để kiểm tra độ chính xác của lời giải . 1.5. Luận cứ về nội dung nghiên cứu của luận án Các nghiên cứu nêu trên đã chỉ ra rằng, để lò hơi than phun, đốt than antraxit làm việc ổn định, tin cậy, hiệu suất cao thì thiết kế lò hơi cần phải đáp ứng các yêu cầu sau: Tốc độ hỗn hợp than - không khí ra khỏi miệng vòi đốt thấp; Quãng đường chuyển dịch của hạt than phải dài; Nghiền than mịn; Cung cấp không khí theo tầng. Điều đó làm tăng hiệu quả sấy hạt than (trong buồng đốt) và bắt cháy; Nhiệt độ trong vùng bắt cháy cao để sấy dòng hỗn hợp nhanh; Nồng độ bột than trong hỗn hợp cao; Nhiệt độ hỗn hợp than-gió và nhiệt độ gió nóng cao; Phân bố than và gió đồng đều theo các vòi đốt để đảm bảo trường khí động trong buồng đốt ổn định, than bắt cháy sớm đồng thời ngọn lửa không bị táp tường; Lưu lượng dòng hồi lưu khói nóng đến miệng vòi đốt lớn để đảm bảo quá trình sấy hỗn hợp than - gió tốt 15, 33, 34. Để nâng cao hiệu quả sử dụng than ít chất bốc cần bảo đảm: bắt lửa sớm, ổn định; hiệu suất cháy cao, cháy kiệt; hạn chế và loại bỏ đóng xỉ buồng lửa; đề phòng ăn mòn nhiệt độ cao; giảm phát thải khí và các thành phần ô nhiễm khác. Đây là những vấn đề kĩ thuật phức tạp mâu thuẫn lẫn nhau, cần phải nghiên cứu cả về lý thuyết và thực tiễn làm cơ sở cho việc lựa chọn một số giải pháp có tính khả thi cao mang lại hiệu quả kinh tế và phù hợp với đặc tính đặc thù của than antraxit Việt Nam. Từ các phân tích trên đây, để đạt được mục tiêu nâng cao hiệu suất cháy than antraxit Việt Nam, đề tài chọn hai hướng nghiên cứu chính là: (i) Nâng cao nồng độ bột than đến giá trị tối ưu trong dòng hỗn hợp gió cấp 1 và (ii) Nâng cao hàm lượng chất bốc trong nhiên liệu sử dụng bằng giải pháp trộn than antraxit chất bốc thấp với than bitum hoặc á bitum nhập khẩu chất bốc cao – giải pháp có tính khả thi và hiệu quả cao, phù hợp với điều kiện Việt Nam hiện nay. Để đạt được mục đích nghiên cứu, luận án cần phải thực hiện các nội dung chính sau: - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến cháy hạt than trong buồng lửa than phun.
5 - Nghiên cứu thực nghiệm nồng độ dòng bột than ảnh hưởng đến cháy hạt than antraxit Việt Nam trong buồng lửa than phun có ngọn lửa hình W. - Nghiên cứu ảnh hưởng của thay đổi chất bốc trong nhiên liệu khi trộn than antraxit nội địa với than nhập khẩu có chất bốc cao hơn bằng thực nghiệm và mô phỏng số. 1.6. Kết luận chương 1 Đã xác định được vấn đề cần giải quyết và các nội dung cần thực hiện trong luận án là: + Xây dựng mô hình thực nghiệm với loại vòi phun/buồng đốt, bố trí vòi phun trong buồng đốt hợp lý và xác định/điều chỉnh các thông số ảnh hưởng để quá trình cháy hiệu quả phù hợp với than antraxit Việt Nam; + Khắc phục nhược điểm cố hữu của than antraxit Việt Nam là chất bốc thấp, tăng hàm lượng chất bốc trong than bằng cách trộn thêm than nhập khẩu có chất bốc cao và tiến hành thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của sự thay đổi này đối với hiệu quả quá trình cháy trên lò hơi thực tế; + Kết hợp nghiên cứu trên lò hơi thực tế với xây dựng mô hình mô phỏng CFD để tiến tới làm chủ lĩnh vực nghiên cứu tiềm năng này. CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ DÒNG THAN PHUN ĐẾN HIỆU SUẤT CHÁY 2.1. Mục đích và phương pháp nghiên cứu Các lò hơi đốt than phun sử dụng than antraxit tại Việt Nam mới vận hành và đang được xây dựng với tổ máy công suất từ 300 MW trở lên đều được các nhà chế tạo sử dụng lò hơi với buồng đốt có ngọn lửa hình W. Tuy nhiên, qua quá trình vận hành ban đầu, các lò hơi vẫn gặp phải các nhược điểm như tổn thất cháy không hết về cơ học lớn (các bon còn lại trong tro thường > 12%), lò hơi dễ đóng xỉ 34. Đây là vấn đề gây khó khăn không chỉ cho đội ngũ quản lý, vận hành mà còn cả với các nhà sản xuất lò hơi vốn có kinh nghiệm với than antraxit trên thế giới. Để khắc phục vấn đề này cần có các nghiên cứu về cải tạo, thay đổi chế độ vận hành đối với các lò hơi đang sản xuất và thay đổi/bổ sung thiết kế đối với các lò hơi sử dụng than antraxit trong tương lai. Một trong những thông số quan trọng cần tiếp tục nghiên cứu là nồng độ dòng bột than trong vòi đốt. Việc nghiên cứu tìm nồng độ dòng bột than phù hợp với than antraxit Việt Nam nếu thực hiện trên lò thực công suất lớn sẽ gặp phải nhiều khó khăn vì những lý do như: ảnh hưởng đến an toàn, chế độ làm việc tin cậy, điều độ hệ thống, lãng phí tài nguyên, ...Ngoài ra, phần lớn các lò hơi công suất lớn có ngọn lửa hình W đưa vào vận hành gần đây còn vướng mắc đến vấn đề bảo hành, nghiệm thu. Vì vậy, cần thiết có nghiên cứu về tìm nồng độ dòng bột than phù hợp với buồng đốt ngọn lửa hình W trên mô hình thực nghiệm. Xuất phát từ mục đích trên, chúng tôi xây dựng mô hình thực nghiệm có cấu trúc buồng đốt ngọn lửa hình W và tiến hành thí nghiệm trên đó nhằm tìm được giá trị nồng độ dòng bột than phù hợp với than antraxit. Kết quả của nghiên cứu có thể dùng để tham khảo, ứng dụng trên lò hơi than phun NMNĐ sử dụng than antraxit Việt Nam với cấu trúc buồng đốt ngọn lửa hình W và hệ thống chế biến than có phễu than bột trung gian.
6 2.2. Thiết bị thực nghiệm và thiết bị đo Thiết bị thực nghiệm là mô hình có cấu tạo bao gồm: Hệ thống cấp nhiên liệu: phễu than đã nghiền, máy cấp than có điều chỉnh, bộ mồi lửa sấy buồng đốt, bình ga,…; Vòi đốt than bột (02 bộ), vòi gió cấp 2 (02 bộ); Thân buồng đốt: buồng đốt dưới, buồng đốt trên, đường khói, bộ làm mát, bộ sấy không khí cấp 1, cấp 2; Hệ thống đường ống gió cấp 1, cấp 2; Bộ dập bụi và đường dẫn khói, ống khói; Hệ thống cung cấp nước làm mát; Hệ thống phụ trợ: điện động lực, điện đo lường điều khiển, quạt gió cấp 1, cấp 2, quạt khói, động cơ máy cấp than bột, động cơ bơm nước; Hệ thống đo lường: can đo nhiệt độ, nhiệt kế thuỷ ngân, cân, đồng hồ, thiết bị đo lưu lượng gió, thiết bị đo nhiệt độ buồng đốt, thiết bị đo thành phần khí thải trong khói thoát, lỗ xem lửa, điểm đo áp suất buồng đốt… Hệ thống đảm bảo đốt hai (02) vòi đốt, mỗi vòi công suất 6 - 9 kg than/giờ. Than thiết kế tương đương than cám 5A-TCVN (nhiên liệu là than bột sau nghiền lấy tại NMNĐ). Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý mô hình thí nghiệm Thiết bị đo sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm có thiết đo bố trí tại chỗ (gắn trên mô hình) và thiết bị đo cầm tay. Thiết bị đo tại chỗ bao gồm các can đo nhiệt độ, nhiệt kế thuỷ ngân, đồng hồ đo lưu lượng nước. Thiết bị cầm tay bao gồm hoả quang kế điện tử, vi áp kế xách tay, tổ hợp đo gió và phân tích khí thải TESTO. Công tác thử nghiệm hiệu chỉnh mô hình đã thực hiện gồm: hiệu chỉnh lắp đặt, thí nghiệm lạnh và thí nghiệm sơ bộ. 2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ dòng than phun đến hiệu suất cháy 2.3.1. Các chế độ và phương pháp thử nghiệm Thí nghiệm chính được thực hiện trong nghiên cứu thực nghiệm là thí nghiệm chế độ ảnh hưởng của nồng độ than/gió cấp 1 đến hiệu suất cháy. Trong chế độ thí nghiệm này giữ nguyên công suất máy cấp than bột cùng với lưu lượng gió cấp 2 hợp lý, thay đổi lưu lượng gió cấp 1 và đo đạc, xác định các thông số.
7 Bên cạnh thí nghiệm chính, tiến hành các thí nghiệm chế độ phụ trợ: ảnh hưởng của tốc độ gió cấp 1; Tỉ lệ tốc độ gió cấp 2/cấp 1 tối ưu; ảnh hưởng của hệ số không khí thừa. Thí nghiệm về ảnh hưởng của tốc độ gió cấp 1 được tiến hành đồng thời cùng với thí nghiệm về ảnh hưởng của nồng độ than/gió cấp 1. Thí nghiệm về tỉ lệ tốc độ gió cấp 2/cấp 1 tối ưu được tiến hành đồng thời cùng với thí nghiệm về ảnh hưởng của hệ số không khí thừa. Trong chế độ thí nghiệm này giữ nguyên công suất máy cấp than bột và lưu lượng gió cấp 1 hợp lý, thay đổi lưu lượng gió cấp 2 và đo đạc, xác định các thông số. 2.3.2. Phương pháp thu thập và xử lý số liệu thực nghiệm Trong mục này chúng tôi trình bày về phương pháp thu thập số liệu, phương pháp xử lý số liệu và phương pháp tính đối với các đại lượng/thông số thực nghiệm. 2.3.3. Kết quả thực nghiệm trên mô hình Kết quả hiệu chỉnh mô hình: Trình bày kết quả kiểm tra máy cấp than, kết quả cân bằng gió, than, hiệu suất phân ly dòng bột than gió cấp 1 và thí nghiệm sơ bộ.Kết quả thí nghiệm lạnh rất tốt, kết quả thí nghiệm sơ bộ cho thấy mô hình hoạt động tốt nhất ở công suất thiết kế lớn nhất (18 kg/h). Kết quả thí nghiệm chế độ: các thông số được cụ thể hoá dưới dạng bảng biểu. 2.5. Kết luận chương 2 - Đã xác định mục tiêu và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình vật lý nhằm đánh giá ảnh hưởng của nồng độ dòng than phun antraxit. - Đã tính toán thiết kế chế tạo lắp đặt và hiệu chỉnh được mô hình thí nghiệm và hệ thống thiết bị đo để tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ dòng than phun đến hiệu suất cháy và các thí nghiệm liên quan. - Đã thí nghiệm lạnh, thí nghiệm sơ bộ và thí nghiệm các chế độ trên mô hình phục vụ công tác nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ của dòng than phun. CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG CHẤT BỐC ĐẾN HIỆU SUẤT CHÁY 3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất bốc đến hiệu suất cháy trên mô hình mô phỏng 3.1.1. Lựa chọn và thiết lập mô hình 3.1.1.1. Lựa chọn mô hình và miền tính toán Ở Việt Nam lĩnh vực nghiên cứu quá trình cháy bằng công cụ mô phỏng số CFD đang được hình thành. Sự hạn chế về cơ sở vật chất cũng như nhân lực chuyên sâu về công nghệ mô phỏng quá trình cháy than đang là một rào cản lớn. Với mong muốn lĩnh vực mô phỏng quá trình cháy than ở Việt Nam sẽ phát triển mạnh trong thời gian tới, nhóm nghiên cứu đã tiên phong tiếp cận phần mềm với mục đích đưa ra phương pháp tiếp cận và trình tự giải quyết bài toán cháy than trộn có sử dụng phần mềm mô phỏng. Bên cạnh nghiên cứu đảm bảo an toàn khi đốt than trộn, việc xác định sự thay đổi các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy và chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của lò hơi khi thay đổi hàm lượng chất bốc trong nhiên liệu là hết sức cần thiết. Cùng với việc xác định sự thay đổi các yếu tố ảnh hưởng, trong nghiên cứu mô phỏng cũng thực hiện
8 mô phỏng kiểm tra một số thí nghiệm đã triển khai trên thực tế, từ đó rút ra so sánh và các nhận định về công tác nghiên cứu mô phỏng. Lò hơi thực tế sử dụng để thí nghiệm trong nghiên cứu là lò hơi số 1 của Công ty Cổ phần nhiệt điện Ninh Bình, mã hiệu SG 130-40-450. Miền tính toán là buồng đốt của lò hơi SG 130-40-450. 3.1.1.2. Các phương trình mô phỏng bằng phương pháp số CFD Các phương trình chủ đạo trong mô phỏng số CFD bao gồm hệ phương trình động lực học chất lưu và phương trình trạng thái. 3.1.1.3. Thiết lập mô hình toán học và mô phỏng số lò hơi Mô hình mô phỏng quá trình cháy than phun được thiết lập trên cơ sở mô hình dòng chảy rối, mô hình cháy bột than và mô hình bức xạ. 3.1.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất bốc đến hiệu suất cháy trên mô hình mô phỏng số 3.1.2.1. Dữ liệu đầu vào và điều kiện biên Dữ liệu đầu vào và điều kiện biên để mô phỏng quá trình cháy than phun bao gồm các kích thước của buồng đốt, vòi phun, lưu lượng và nhiệt độ gió các loại, lượng than tiêu thụ, thành phần than. Đối với các kích thước hình học lấy theo thiết kế của lò hơi, buồng đốt, vòi phun, các thông số động học lấy theo thông số vận hành thực tế của lò hơi 3.1.2.2. Kết quả nghiên cứu hiệu chỉnh mô hình Mô hình buồng đốt 3D được xây dựng theo các thông số thực tế của lò hơi nhà máy nhiệt điện Ninh Bình. Mô hình buồng đốt được chia lưới bằng công cụ ANSYS Meshing. Các phần tử lưới được chia theo kiểu tứ diện (Tetrahedron), chất lượng lưới của mô hình đạt kết quả tốt. 3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất bốc đến hiệu suất cháy trên lò hơi thực tế 3.2.1. Thiết bị thực nghiệm và thiết bị đo Thiết bị thực nghiệm là lò hơi SG 130-40-450 (mục 3.1). Thiết bị đo sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm có thiết đo bố trí tại chỗ (bảng điều khiển lò hơi) và thiết bị đo cầm tay. Thiết bị đo tại chỗ bao gồm các đồng hồ đo nhiệt độ, lưu lượng, áp suất, tốc độ vòng quay, dòng điện, công suất. Thiết bị cầm tay bao gồm hoả quang kế điện tử, vi áp kế xách tay, tổ hợp đo gió và phân tích khí thải TESTO. Ngoài ra còn có thiết bị phân tích mẫu than, tro xỉ bố trí tại phân xưởng hoá của nhà máy. 3.2.2. Phương pháp tiến hành thực nghiệm 3.2.2.1. Nội dung thí nghiệm Nghiên cứu ảnh hưỏng của hàm lượng chất bốc đến quá trình cháy và hiệu suất cháy bao gồm các nội dung cần xác định: Nồng độ dòng bột than; Tốc độ gió cấp 1; Tỷ lệ tốc độ gió cấp 2/cấp 1 và tổng lượng gió cấp vào lò; Hệ số không khí thừa; Hiệu suất (hiệu suất cháy và hiệu suất lò hơi). Để có thể xác định được các thông số nêu trên cần tiến hành các thí nghiệm: Thí nghiệm năng lực thiết bị của lò hơi; Thí nghiệm sơ bộ khi đốt than trộn; ảnh hưởng của việc đốt than trộn tới khả năng đóng xỉ và nồng độ phát thải của lò; ảnh hưởng của đốt than trộn tới chế độ cháy của lò, xác định chế độ vận hành tối ưu khi đốt than
9 trộn; hệ số không khí thừa tối ưu và thí nghiệm cân bằng ở các phụ tải của lò hơi tương ứng với nhiên liệu than antraxit nội địa và các mẫu than trộn; phân tích các mẫu than bột, than nguyên, tro, xỉ phục vụ thí nghiệm tại hiện trường. 3.2.2.2. Phương pháp thí nghiệm Trong mục này chúng tôi trình bày về các phương pháp đo, xác định thông số. 3.2.3. Phương pháp xử lý số liệu Trong mục này chúng tôi trình bày về xử lý số liệu, tính hiệu suất cháy, lò hơi theo phương pháp cân bằng nghịch. 3.2.4. Kết quả thực nghiệm 3.2.4.1. Năng lực thiết bị của lò hơi Kết quả thí nghiệm xác định lò hơi và thiết bị phụ đảm bảo đủ điều kiện để tiến hành các thí nghiệm như đã đề ra ở mục 3.2.2.1. 3.2.4.2. Thí nghiệm đốt than nội địa Thí nghiệm xác định chế độ cháy tối ưu Tại mỗi phụ tải của lò duy trì tốc độ gió cấp I ở giá trị tối ưu 18 - 19 m/s, giữ nguyên phụ tải nhiệt, thay đổi tổng lưu lượng gió vào lò để đạt được các chế độ hệ số không khí thừa khác nhau sau bộ hâm nước cấp II (αhn2 ). Đo tổng tổn thất q2+ q4 để xác định hệ số không khí thừa tối ưu. Bảng 3.2. Kết quả thí nghiệm hệ số không khí thừa tối ưu khi đốt than nội địa Giá trị ở các phụ tải lò hơi STT Tên đại lượng Đơn vị 130 t/h 120 t/h 110 t/h 100 t/h 90 t/h - 1 Hệ số không khí thừa tối ưu 1,185 1,193 1,195 1,2 1,21 2 q2 + q4 % 17,82 16,84 15,99 16,56 17,02 3 lh % 81,53 82,5 83,24 82,61 82,07 4 c % 87,95 88,31 88,82 88,38 87,93 Thí nghiệm cơ bản và cân bằng Qua các thí nghiệm cân bằng đã xây dựng đặc tuyến kinh tế kỹ thuật của lò hơi số 1 và đặc tuyến hiệu suất cháy thể hiện trong đồ thị hình 3.9. 84.00 H iệu su ấ t lò h ơ i (% ) 89 H iệu su ấ t c h á y (% ) 83.50 83.00 88.7 82.50 88.4 82.00 88.1 81.50 87.8 81.00 85.00 90.00 95.00 100.00 105.00 110.00 115.00 120.00 125.00 130.00 135.00 87.5 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 D (Tấn /giờ) D (Tấn /giờ) a) Đặc tuyến kinh tế kỹ thuật lò hơi số 1, Công ty CP Nhiệt điện Ninh Bình (đốt 100% than nội địa) b) Đặc tuyến hiệu suất cháy lò hơi số 1, Công ty CP Nhiệt điện Ninh Bình (đốt 100% than nội địa) Hình 3.9. Đặc tuyến kinh tế kỹ thuật và hiệu suất cháy của lò hơi thí nghiệm khi đốt than nội địa 3.2.4.3. Thí nghiệm đốt than trộn Trong mục này trình bày về kết quả thí nghiệm đốt than trộn trong đó có:
10 Đánh giá quá trình và kết quả sơ bộ: Quá trình thí nghiệm đốt than trộn được thực hiện tuần tự theo các tỷ lệ trộn 5%, 10%, 15%, 20% và 30% than nhập khẩu. Các chế độ thí nghiệm sơ bộ đánh giá đạt yêu cầu. Trong suốt quá trình thí nghiệm, buồng lửa lò hơi đảm bảo ổn định, điền đầy, không có vùng nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp. Nhiệt độ buồng lửa trung bình từ 1370 – 1420 oC, nhiệt độ cao nhất ghi nhận 1520 oC (đang trong quá trình chỉnh chế độ). Tại các cửa vệ sinh vòi đốt ở các góc lò, quan sát hiện tượng cháy ở các vòi đốt. Nhận thấy sự bắt cháy tốt, ngay sát đầu vòi phun (trong khi ở các vòi đốt 100% than nội địa, khoảng cách này là từ 20 – 40 cm).Trong quá trình thí nghiệm theo dõi tình trạng ra xỉ, xỉ xuống đều, ổn định, xỉ xốp, vít xỉ hoạt động bình thường. Theo dõi qua các cửa xem lửa, đôi khi có hiện tượng xỉ chảy nhỏ giọt (được xác định là do nhiệt độ biến mềm của tro than nhập khẩu có giá trị thấp), tuy nhiên, không xảy ra hiện tượng đóng xỉ, các giọt xỉ này rơi xuống vít xỉ với kích thước nhỏ (lớn nhất khoảng 10mm x 30mm). Sau khi ngừng lò, tiến hành kiểm tra xỉ. Kết quả trong buồng lửa sạch, không đóng bám xỉ, trên các dàn feston sạch, không đóng xỉ, các bên thống nhất sau khi ngừng lò, hiện tượng đóng bám xỉ ở buồng lửa và dàn feston của lò đốt thí nghiệm sạch hơn bình thường so với lò sử dụng 100% than nội địa. Về khói thải, theo dõi trong suốt quá trình thí nghiệm, chỉ tiêu SOx tương đương với các lò vận hành 100% than nội địa (có xu hướng nhỏ hơn). Riêng các chỉ tiêu NOx và CO thì nhỏ hơn rõ rệt, đạt mức từ 10 – 15%. Kết quả thí nghiệm các mẫu than trộn theo các tỷ lệ trộn 5%, 10%, 15%, 20% và 30% than nhập khẩu: Trình bày kết quả thí nghiệm chế độ cháy tối ưu và thí nghiệm cơ bản cân bằng tương tự như đối với than nội địa trình bày ở mục 3.2.4.2. Các kết quả chỉ ra đối với than trộn hệ số không khí thừa nhỏ hơn và hiệu suất cháy, hiệu suất lò hơi cao hơn khi đốt than nội địa. 3.3. Kết luận chương 3 - Xây dựng mô hình mô phỏng số CFD với các kết quả ban đầu về dựng mô hình hình học, chia lưới mô hình, xác định các điều kiện ban đầu và các bước tính toán. - Xác định nội dung thí nghiệm, phương pháp thí nghiệm và xử lý số liệu đối với phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên lò hơi thực tế. - Xác định năng lực của lò hơi và thiết bị phụ phục vụ thí nghiệm, hoàn tất/đánh giá công tác thí nghiệm sơ bộ cho trường hợp đốt các mẫu than trộn. - Thu được kết quả và xây dựng các đồ thị liên quan về thí nghiệm tối ưu, thí nghiệm cơ bản cân bằng cho trường hợp đốt than antraxit nội địa và các mẫu than trộn. Các đặc tuyến xây dựng được đều có độ chính xác rất cao. CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 4.1. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của nồng độ dòng than phun đến hiệu suất cháy 4.1.1. Ảnh hưởng của tốc độ và nồng độ than/gió vòi phun gió cấp 1 Kết quả tổng hợp thí nghiệm và đồ thị phản ánh sự ảnh hưởng được thể hiện ở hình 4.1, 4.2
11 Hình 4.1. Sự phụ thuộc của hiệu suất Hình 4.2. Sự phụ thuộc của hiệu suất vào tốc độ vòi phun gió cấp 1 vào nồng độ than/gió vòi phun gió cấp1 Trong thí nghiệm xác định ảnh hưởng của tốc độ vòi phun gió cấp 1 cho kết quả tốt nhất nằm ở giá trị khoảng 13 m/s tương ứng với hiệu suất cháy 84%. Tương ứng với tốc độ gió cấp 1, kết quả nồng độ than/gió (kg/kg) tốt nhất trong thí nghiệm này nằm ở giá trị khoảng 0,95. Giá trị này nằm ở cận dưới so với những nghiên cứu trước đây của Alstom, MHI và Viện Năng lượng (0,8 - 1,2 và 0,9 - 1,1). 4.1.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ và tốc độ gió cấp 2/cấp 1 và hệ số không khí thừa Kết quả tổng hợp thí nghiệm và đồ thị phản ánh sự ảnh hưởng được thể hiện ở hình 4.3, 4.4. Hình 4.3. Sự phụ thuộc của hiệu suất vào Hình 4.4. Sự phụ thuộc của hiệu suất tỉ lệ tốc độ gió cấp 2/cấp 1 vào hệ số không khí thừa Trong thí nghiệm xác định ảnh hưởng tỷ lệ tốc độ vòi phun gió cấp 2/cấp1 cho kết quả tốt nhất nằm ở giá trị khoảng 0,96. Điều này có thể lý giải là tốc độ của hai loại gió có giá trị độ lớn gần nhau sẽ giúp cho chế độ khí động trong buồng lửa đạt được sự hài hoà tốt nhất. Trong thí nghiệm xác định ảnh hưởng hệ số không khí thừa cho kết quả tốt nhất nằm ở giá trị khoảng 1,27. Giá trị này cũng tương đối phù hợp (nằm ở cận dưới giá trị tối ưu) với thiết kế và vận hành thực tế cho các nhà máy điện có công nghệ tương tự sử dụng than antraxit (1,25 - 1,32). 4.2. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất bốc đến hiệu suất cháy trong lò hơi nhà máy nhiệt điện 4.2.1. Kết quả nghiên cứu thử nghiệm trên lò hơi thực tế 4.2.1.1. Nồng độ dòng bột than Từ kết quả của các thí nghiệm, ta xây dựng được ảnh hưởng của hàm lượng chất bốc trong nhiên liệu đến nồng độ hợp lý của dòng bột than ở các chế độ phụ tải. Sự thay đổi nồng độ dòng bột than hợp lý được thể hiện trên các đồ thị hình 4.5.
12 1.20 Than noi dia Than tron 5% 1.10 Nồng độ than/gió (kg/kg) 3 Than tron 10% 1.00 6 5 Than tron 15% Than tron 20% 4 0.90 Than tron 30% 1 1.Than noi dia 0.80 2.Than tron 5% 2 3.Than tron 10% 0.70 4.Than tron 15% 5.Than tron 20% 0.60 6.Than tron 30% 0.50 80.00 90.00 100.00 110.00 120.00 130.00 140.00 Phụ tải lò hơi (t/h) a) Nồng độ dòng bột than tối ưu ở các tỷ lệ trộn 1 1.00 Nồng độ than/gió (kg/kg) Nồng độ than/gió (kg/kg) 0.96 0.96 0.92 0.92 0.88 0.88 0.84 0.84 0.8 0.80 0 5 10 15 20 25 30 9.00 11.00 13.00 15.00 17.00 19.00 Tỷ lệ trộn (%) Hàm lượng chất bốc Vc(% ) b) Nồng độ dòng bột than tối ưu ở phụ tải kinh tế phụ thuộc các tỷ lệ trộn c) Nồng độ bột than tối ưu theo hàm lượng chất bốc Hình 4.5. Nồng độ bột than hợp lý theo hàm lượng chất bốc Nồng độ than/gió của dòng gió cấp 1 hợp lý ở các chế độ đốt than trộn nhỏ hơn so với chế độ đốt than nội địa, mức độ biến thiên nồng độ phù hợp với biến thiên tốc độ gió cấp 1 Điều này cũng phù hợp với lý thuyết và các nghiên cứu trước đây, khi tăng hàm lượng chất bốc thì nồng độ bột than hợp lý giảm dần. Tuy nhiên, đối với lò hơi NMĐ Ninh Bình được thiết kế để đốt nhiên liệu chất bốc thấp, khi hàm lượng chất bốc tăng vượt dải thiết kế, cần có những điều chỉnh cần thiết để lò hơi hoạt động ổn định. Vì vậy, Nồng độ dòng bột than không giảm tuyến tính khi tăng hàm lượng chất bốc mà tồn tại một giá trị hợp lý. Nồng độ bột than giảm dần khi tăng chất bốc (giá trị khoảng 0,94 khi đốt than nội địa) và đạt giá trị hợp lý tương ứng với chất bốc mẫu cháy khoảng 14 - 16% (giá trị khoảng 0,86). 4.2.1.2. Tốc độ gió cấp 1 Sự thay đổi tốc độ gió cấp 1 than hợp lý được thể hiện trên các đồ thị hình 4.6. 25.00 Than noi dia 24.00 Tốc độ gió cấp 1 (m/s) Than tron 5% Than tron 10% 23.00 5 Than tron 15% 22.00 Than tron 20% 4 21.00 6 Than tron 30% 2 3 1.Than noi dia 20.00 2.Than tron 5% 1 3.Than tron 10% 19.00 4.Than tron 15% 18.00 5.Than tron 20% 80.00 90.00 100.00 110.00 120.00 130.00 140.00 Phụ tải lò hơi (t/h) 6.Than tron 30% a) Tốc độ gió cấp 1 tối ưu ở các tỷ lệ trộn
13 23 23 Tốc độ gió cấp 1 tối ưu (m/s) T ố c đ ộ g i ó c ấ p 1 tố i ư u (m / s) x 22.5 22 22 21.5 21 21 20.5 20 20 19.5 19 19 9.00 11.00 13.00 15.00 17.00 19.00 0 5 10 15 20 25 30 Tỷ lệ trộn (%) Hàm lượng chất bốc Vc(%) b) Tốc độ gió cấp 1 tối ưu phụ thuộc các tỷ lệ trộn ở phụ tải định mức c) Tốc độ gió cấp 1 tối ưu theo hàm lượng chất bốc Hình 4.6. Tốc độ gió cấp 1 hợp lý theo hàm lượng chất bốc Tốc độ gió cấp 1 hợp lý ở các chế độ đốt than trộn cao hơn so với chế độ đốt than nội địa, phù hợp với lý thuyết và các nghiên cứu trước đây. Đối với tỷ lệ trộn 30%, khi tăng tốc độ gió cấp 1 lên cao, lò cháy mãnh liệt, nhiệt độ buồng lửa tăng cao, xuất hiện hiện tượng chảy xỉ lỏng nên phải điều chỉnh giảm để lò hơi vận hành an toàn, ổn định. Tốc độ gió cấp 1 hợp lý tăng dần khi tăng hàm lượng chất bốc và đạt giá trị ổn định ở khoảng 22 m/s. Tốc độ gió cấp 1 hợp lý phù hợp với nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm trước đây đối với than antraxit và đã tiệm cận với giá trị áp dụng cho than gầy. Tốc độ gió cấp 1 tăng không đều do điều chỉnh chống đóng xỉ buồng đốt. 4.2.1.3. Tỷ lệ tốc độ gió cấp 2/cấp 1 và tổng lượng gió cấp vào lò Sự thay đổi tỷ lệ tốc độ gió cấp 2/cấp 1 hợp lý và tổng lượng gió cấp vào lò được thể hiện trên các đồ thị hình 4.7. 1.60 Than noi dia Than tron 5% 1.40 2 36 Tỷ lệ tốc độ gió cấp 2/cấp 1 1 4 Than tron 10% 1.20 Than tron 15% 5 Than tron 20% 1.00 Than tron 30% 1.Than noi dia 0.80 2.Than tron 5% 0.60 3.Than tron 10% 4.Than tron 15% 0.40 5.Than tron 20% 6.Than tron 30% 0.20 0.00 80.00 90.00 100.00 110.00 120.00 130.00 140.00 Phụ tải lò hơi (t/h) a) Tốc độ gió cấp 2/cấp 1 tối ưu ở các tỷ lệ trộn 120000 1.2 3 Than noi dia T ổn g lư ợ ng g ió vào lò (N m 3/h ) Tỷ lệ tốc độ cấp 2/cấp 1 110000 2 6 Than tron 5% 1.1 Than tron 10% 1 4 100000 Than tron 15% 1 5 Than tron 20% 90000 Than tron 30% 0.9 1.Than noi dia 80000 2.Than tron 5% 0.8 3.Than tron 10% 70000 4.Than tron 15% 0.7 5.Than tron 20% 60000 9.00 11.00 13.00 15.00 17.00 19.00 6.Than tron 30% 80.00 90.00 100.00 110.00 120.00 130.00 140.00 Hàm lượng chất bốc Vc(%) Phụ tải lò hơi (t/h) b) Tốc độ gió cấp 2/cấp 1 tối ưu theo hàm lượng chất bốc c) Tổng lượng gió tiêu chuẩn cấp vào lò ở các tỷ lệ đốt than trộn Hình 4.7. Tỷ lệ tốc độ gió cấp 2/cấp 1 hợp lý và tổng lượng gió cấp vào lò theo hàm lượng chất bốc
14 Kết quả về ảnh hưởng của tỉ lệ và tốc độ gió cấp 2/cấp 1 trong quá trình thí nghiệm là tương đồng nhau. Tỷ số tốc độ gió cấp 2/cấp 1 hợp lý không thay đổi rõ ràng trong các chế độ cháy nhiên liệu khác nhau. Tỷ số tốc độ gió cấp 2/cấp 1 hợp lý có xu hướng giảm nhưng không thay đổi rõ ràng trong các chế độ thí nghiệm, điều này được lý giải là đối với than hàm lượng chất bốc cao hơn, bên cạnh sự tăng lên của gió cấp 1, lượng không khí lý thuyết yêu cầu cao hơn, lượng gió cấp 2 cũng cao hơn. Đây cũng là sự hài hoà về chế độ khí động đối với một dạng buồng đốt, kể cả khi nhiên liệu thay đổi. Ở cùng dải công suất của lò hơi, đối với than trộn, lưu lượng gió cấp cần thiết cho quá trình cháy cao hơn. Khi tăng gió cấp 1 & 2 vào lò, nhiệt độ buồng lửa và đường khói sau quá nhiệt cũng tăng theo. Cùng với việc tăng lượng gió cấp 1, cấp 2 và giảm lượng gió cấp 3, tổng lượng gió cấp vào lò đáp ứng quá trình cháy của lò hơi của các chế độ than trộn so sánh với đốt 100% than nội địa ở các phụ tải tương ứng tăng. Về cơ bản, khi đốt than trộn, tổng lượng gió tiêu chuẩn cấp cho lò hơi cao hơn so với chế độ đốt than nội địa. Ở các tỷ lệ trộn 15% và 20%, lượng gió cấp vào lò có xu hướng thấp hơn so với chế độ đốt than nội địa, điều này có thể lý giải là ở các chế độ trộn trên, lò hơi đạt được hiệu suất cao nên tiết kiệm được nhiên liệu dẫn đến lượng gió yêu cầu giảm đi. 4.2.1.4. Hệ số không khí thừa Sự thay đổi hệ số không khí thừa hợp lý được thể hiện trên các đồ thị hình 4.8. 1.23 Than noi dia 1.22 Than tron 5% Hệ số không khí thừa 1.21 Than tron 10% Than tron 15% 1.2 Than tron 20% 1.19 1 Than tron 30% 1.18 3 6 2 1.Than noi dia 1.17 4 2.Than tron 5% 1.16 3.Than tron 10% 5 5.Than tron 20% 1.15 4.Than tron 15% 1.14 6.Than tron 30% 80 90 100 110 120 130 140 Phụ tải lò hơi (t/h) a) Hệ số không khí thừa ở các phụ tải phụ thuộc các chế độ trộn 1.21 1.21 1.205 Hệ số không khí thừa 1.205 Hệ số không khí thừa 1.2 1.2 1.195 1.195 1.19 1.19 1.185 1.185 1.18 1.18 1.175 1.175 1.17 0 5 10 15 20 25 30 1.17 9.00 11.00 13.00 15.00 17.00 19.00 Tỷ lệ trộn (%) Hàm lượng chất bốc Vc(%) b) Hệ số không khí thừa tối ưu ở phụ tải kinh tế phụ thuộc các tỷ lệ trộn c) Hệ số không khí thừa tối ưu ở phụ tải kinh tế phụ thuộc hàm lượng chất bốc Hình 4.8. Hệ số không khí thừa hợp lý theo hàm lượng chất bốc
15 Hệ số không khí thừa hợp lý ở các chế độ đốt than trộn nhỏ hơn so với chế độ đốt than nội địa. Điều nay cũng phù hợp với lý thuyết, đối với than antraxit nội địa khó bắt cháy và khó cháy kiệt, yêu cầu về hệ số không khí thừa sẽ cao hơn so với than nhập khẩu. Theo tính toán, lượng không khí lý thuyết cần thiết cung cấp cho cháy hoàn toàn nhiên liệu than nhập khẩu sẽ cao hơn so với nhiên liệu than nội địa. Thực tế lượng không khí cần thiết cấp cho lò hơi tăng không rõ rệt khi tăng hàm lượng chất bốc, điều này lý giải cho việc giảm hệ số không khí thừa hợp lý. Mặt khác, trong cả quá trình đốt than trộn ở các tỷ lệ, nhiệt độ gió nóng của lò luôn cao hơn khi đốt 100% than nội địa từ 10 đến 25 oC, do vậy việc sấy than tốt hơn, điều này cũng góp phần lý giải cho hiện tượng làm việc tốt hơn của hệ thống nghiền và giảm được lượng gió cấp 3 đưa vào lò. 4.2.1.5. Hiệu suất a. Đặc tuyến kinh tế kỹ thuật Từ kết quả của các thí nghiệm, ta đã xây dựng được các đường đặc tính kinh tế kỹ thuật của lò hơi ở chế độ đốt than nội địa và các chế độ đốt than trộn với tỷ lệ khác nhau. Để có thể so sánh tương quan trực tiếp sự thay đổi của các đường đặc tuyến này, tổ hợp các đường đặc tuyến được thể hiện trên đồ thị hình 4.9. 85.5 Than noi dia 85.0 Than tron 5% 84.5 4 Than tron 10% Hiệu suất (%) 84.0 Than tron 15% 6 Than tron 20% 83.5 Than tron 30% 83.0 2 5 1.Than noi dia 82.5 2.Than tron 5% 82.0 3.Than tron 10% 3 81.5 1 4.Than tron 15% 81.0 5.Than tron 20% 80 90 100 110 120 130 140 6.Than tron 30% Phụ tải lò hơi (t/h) Hình 4.9. Đặc tuyến kinh tế kỹ thuật lò hơi ở các tỷ lệ trộn b. Hiệu suất Từ kết quả của các thí nghiệm cân bằng và các đồ thị đã xây dựng, ta xây dựng được ảnh hưởng của hàm lượng chất bốc trong nhiên liệu đến hiệu suất (hiệu suất cháy và hiệu suất lò hơi) ở chế độ phụ tải kinh tế. Sự thay đổi hiệu suất được thể hiện trên các đồ thị hình 4.10. 92 86 91.5 85.5 Hiệu suất cháy (%) Hiệu suất lò hơi(%) 91 85 90.5 84.5 90 84 89.5 83.5 89 83 88.5 82.5 88 82 9.00 11.00 13.00 15.00 17.00 19.00 9.00 11.00 13.00 15.00 17.00 19.00 Hàm lượng chất bốc Vc(% ) Hàm lượng chất bốc Vc(%) a) Hiệu suất cháy ở phụ tải kinh tế theo hàm lượng chất bốc b) Hiệu suất lò hơi ở phụ tải kinh tế theo hàm lượng chất bốc Hình 4.10. Sự thay đổi hiệu suất theo hàm lượng chất bốc
16 Trong quá trình đốt than trộn, hiệu suất lò hơi xác định được cao hơn khi đốt 100% than nội địa. So sánh với giá trị hiệu suất cao nhất xác định được trong thí nghiệm, giá trị cao hơn được xác định từ 0,6% đến 2%. Tuy nhiên, đối với các chế độ đốt than trộn, hiệu suất chênh lệch giữa các phụ tải của lò hơi ít hơn, hiệu suất ở các phụ tải đồng đều hơn dẫn đến hiệu suất trung bình của lò hơi cao hơn. Hiệu suất trong thí nghiệm thay đổi về hàm lượng chất bốc nhiên liệu được thể hiện qua hiệu suất cháy (chỉ tính đến tổn thất cháy không hết về mặt hoá học, cơ học) và hiệu suất lò hơi (tính cả thêm tổn thất theo khói thoát, toả nhiệt ra môi trường và tổn thất nhiệt do tro xỉ). Hiệu suất cháy và hiệu suất lò hơi tăng theo hàm lượng chất bốc và đạt giá trị lớn nhất ở giá trị hàm lượng chất bốc mẫu cháy khoảng 14 - 16%. So sánh với chế độ đốt hoàn toàn than antraxit (chất bốc mẫu cháy 9%), hiệu suất cháy cao nhất tăng 3% và hiệu suất lò hơi tăng 2%. 4.2.2. Kết quả nghiên cứu mô phỏng số CFD ảnh hưởng của hàm lượng chất bốc đến quá trình và hiệu suất cháy 4.2.2.1. Giai đoạn trước khi thí nghiệm thực tế 1. Trường nhiệt độ trong buồng đốt a. Trường hợp sử dụng than antraxit nội địa Kết quả mô phỏng về quá trình phân bố ngọn lửa cũng như trường nhiệt độ trong buồng đốt lò hơi nhà máy điện Ninh Bình khi sử dụng than antraxit nội địa được thể hiện trên hình 4.11, 4.12 và bảng 4.8. Hình 4.11. Trường nhiệt độ trong buồng đốt Hình 4.12. Bề mặt ngọn lửa bên trong buồng đốt ở nhiệt độ 1500oC
17 Quan sát hình 4.11, theo chiều cao của buồng đốt, nhiệt độ có sự phân tầng rõ rệt. Nhiệt độ cao tập trung ở không gian giữa 2 mặt cắt A và D, về hai phía đáy lò và đỉnh lò nhiệt độ giảm dần. Số liệu trong bảng 4.8 cũng cho thấy, giá trị nhiệt độ trung bình trên các mặt trong vùng không gian giữa mặt A và D cao, cụ thể mặt A (1375oC), mặt B (1401oC), mặt C (1425oC). Điều này được giải thích là do tại vùng không gian này có vị trí của các vòi đốt, dẫn đến mật độ hỗn hợp của bột than và không khí nóng cao. Khi quá trình cháy xảy ra, nhiệt lượng tỏa ra do phản ứng cháy sẽ lớn. Mặt khác, cũng do sự hình thành dòng xoáy tại tâm buồng đốt nên khả năng hòa trộn của hỗn hợp bột than và không khí tăng lên, cũng tạo điều kiện cho quá trình cháy xảy ra tốt hơn, từ đó duy trì được nhiệt độ cao trong vùng không gian này. Cũng theo số liệu từ bảng 4.8, theo đường khói, giá trị nhiệt độ trung bình trên các mặt D, E, F giảm dần, tương ứng là 1323oC, 1282oC, 1105oC. Sự thay đổi này được giải thích bởi tổn thất nhiệt do quá trình trao đổi nhiệt bức xạ, trao đổi nhiệt đối lưu giữa không khí nóng và tường buồng lửa. Hình 4.11 cũng cho thấy, càng lên cao sự đồng đều về nhiệt độ trên các mặt cắt ngang của buồng đốt càng thể hiện rõ. Cụ thể với số liệu ở bảng 4.8, độ chênh nhiệt độ (∆T) giữa nhiệt độ min và max trên các mặt D, E, F giảm dần (553oC, 479oC, 432oC) tương ứng. Điều này là do sự phân bố trường tốc độ của không khí nóng và sản phẩm cháy trong buồng đốt cũng đồng đều và ổn định hơn khi càng lên cao. Bảng 4.8. Thông số nhiệt độ trên các mặt cắt ngang của buồng đốt Nhiệt độ (C) TB Max Min ∆T Mặt A 1375 1542 245 1297 Mặt B 1401 1632 245 1387 Mặt C 1425 1590 88 1502 Mặt D 1323 1491 938 553 Mặt E 1282 1384 905 479 Mặt F 1105 1242 810 432 Quan sát hình 4.12 cho thấy sự phân bố bề mặt ngọn lửa ở trường nhiệt độ 1500oC đã tạo được một quả cầu lửa tại tâm buồng đốt. Sự hình thành quả cầu lửa này do cấu trúc của buồng đốt than phun kiểu tiếp tuyến. b. Trường hợp sử dụng than trộn với các tỷ lệ khác nhau Các thông số đầu vào của mô hình được giữ nguyên như trong trường hợp mô phỏng quá trình cháy đối với than Antraxit nội địa, chỉ thay đổi thông số than đầu vào tương ứng với các tỷ lệ trộn. Các kết quả mô phỏng khi sử dụng than trộn được biểu diễn như trong hình 4.13 và 4.14. Ta có thể thấy rằng khi thay đổi tỷ lệ trộn thì nhiệt độ bên trong buồng đốt không thay đổi quá nhiều.
18 Hình 4.13. Trường phân bố nhiệt độ trên mặt cắt dọc của buồng đốt Hình 4.14. Bề mặt ngọn lửa 1500oC trong các trường hợp trộn khác nhau Để cụ thể hơn ta xét sự thay đổi nhiệt độ theo chiều cao buồng đốt như trong bảng 4.9. Ở đây ta chỉ xét một số trường hợp ví dụ như than antraxit nội địa, than trộn 5%, 10% và 20%. Có thể thấy rằng, so với trường hợp đốt than antraxit nội địa thì trong vùng cháy (mặt A, B, C) nhiệt độ trung tâm buồng đốt giảm khi tăng tỷ lệ trộn và nhiệt độ tăng khi ra khỏi vùng cháy (mặt D, E, F). 2. Trường tốc độ a. Than antraxit nội địa Trong chế độ đốt than antraxit nội địa, kết quả mô phỏng phân bố trường tốc độ bên trong lò được thể hiện trên hình 4.15 và hình 4.16. Hình 4.15. Véc tơ tốc độ tại các mặt cắt của buồng đốt