Tổng quan nghiên cứu

Theo Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến năm 2030 (Quyết định số 1208/QĐ-TTg), nhiệt điện than giữ vai trò xương sống trong hệ thống năng lượng Việt Nam với tỷ trọng công suất dự kiến tăng từ 48% vào năm 2020 lên 51,6% vào năm 2030. Nhu cầu than cho sản xuất điện theo phương án cơ sở ước tính tăng mạnh từ 77,7 triệu tấn lên 190,7 triệu tấn vào năm 2030. Tuy nhiên, nguồn than nội địa phục vụ phát điện chủ yếu là than antraxit vùng Quảng Ninh (chiếm hơn 4,3 tỷ tấn trữ lượng dự báo), đặc trưng bởi hàm lượng chất bốc rất thấp (2% - 10%), độ tro cao với tổng hàm lượng oxit silic và oxit nhôm ($SiO_2 + Al_2O_3$) vượt quá 80%, cùng nhiệt độ bắt cháy cao trên $1000^\circ\text{C}$.

Thực trạng chất lượng than tốt cạn kiệt buộc các nhà máy nhiệt điện phải chuyển sang sử dụng than cám 5, cám 6 khó cháy, làm gia tăng tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn ($q_3, q_4$), gây đóng xỉ và phát thải nghiêm trọng các khí ô nhiễm như $NO_x, SO_2, CO_2$. Trước bối cảnh cả nước có 16 nhà máy nhiệt điện đốt than vận hành và khoảng 28 đến 30 dự án đang xây dựng hoặc chuẩn bị đầu tư, việc làm chủ khí động học buồng lửa là nhiệm vụ then chốt. Luận văn hướng tới mục tiêu tối ưu hóa cấu trúc khí động học buồng lửa và hệ thống vòi phun, giải quyết triệt để bài toán bắt cháy sớm, duy trì ngọn lửa ổn định, cháy kiệt nhiên liệu và cắt giảm 15% đến 50% lượng phát thải độc hại ra môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng đồng thời lý thuyết khí động học dòng xoáy, động học phản ứng cháy than bột và cơ chế hình thành phát thải trong lò hơi công nghiệp. Quá trình bắt cháy của than antraxit được định lượng thông qua chỉ số hoạt tính $T_{15}$ biểu diễn theo hàm lượng chất bốc:

$$T_{15} = 229,7 - 0,5(V_c)^3$$

Khi chỉ số $T_{15} > 280$, than thuộc nhóm cực kỳ khó bắt lửa, đòi hỏi ngọn lửa duy trì nhiệt độ trung tâm từ $1500^\circ\text{C}$ đến $1600^\circ\text{C}$ với chiều dài hành trình cháy lên đến 14 mét.

Về mặt môi trường, nghiên cứu dựa trên cơ chế Zeldovich mở rộng để mô hình hóa quá trình hình thành $NO_x$ nhiệt với năng lượng hoạt hóa lên tới $542\text{ kJ/mol}$, giải thích sự bùng phát $NO_x$ khi nhiệt độ buồng lửa vượt mốc $1500^\circ\text{C}$. Đồng thời, lý thuyết cháy phân cấp (nhiên liệu và không khí) cùng cơ chế hoàn nguyên $NO_x$ bởi các gốc hydrocarbon tự do ($CH_i$) và khí $CO$ được khai thác triệt để nhằm hạ thấp nồng độ phát thải mà vẫn bảo toàn hiệu suất truyền nhiệt.

       +-------------------------------------------------------------+
       |               Cơ chế hình thành phát thải NOx               |
       +-------------------------------------------------------------+
                                      |
         +----------------------------+----------------------------+
         |                                                         |
         v                                                         v
+-------------------------------+                         +-------------------------------+
|     NOx nhiên liệu (Fuel)     |                         |       NOx nhiệt (Thermal)     |
|   - Chiếm 60% - 80% tổng NOx  |                         |   - Chiếm 20% - 30% tổng NOx  |
|   - Phụ thuộc Nito trong than |                         |   - Cơ chế Zeldovich mở rộng  |
|   - Hình thành ở vùng cháy sớm|                         |   - Bùng phát khi T > 1500°C  |
+-------------------------------+                         +-------------------------------+

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả sử dụng phương pháp khảo sát thực chứng kết hợp giải tích nhiệt - khí động học trên mẫu nghiên cứu toàn diện gồm 16 nhà máy nhiệt điện đang vận hành và 15 dự án nhà máy điện mới tại Việt Nam. Cỡ mẫu bao phủ 100% các công nghệ lò hơi đốt than bột tiêu biểu:

  • Buồng lửa thế hệ cũ: Nhà máy Nhiệt điện Ninh Bình (công suất $100\text{ MW}$), Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại 1 ($4 \times 110\text{ MW}$).
  • Buồng lửa thế hệ mới: Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại 2 ($2 \times 300\text{ MW}$), Nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng 1 ($2 \times 300\text{ MW}$).

Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được lựa chọn nhằm so sánh đa chiều giữa buồng đốt ngọn lửa chữ W, buồng đốt tiếp tuyến và buồng đốt đối đầu. Dữ liệu vận hành thực tế được đối chiếu với các mô hình toán học cân bằng vật chất và năng lượng theo tiêu chuẩn rây phân tích cỡ hạt ($R_{75}, R_{90}, R_{120}, R_{200}$), thực hiện trong khung thời gian nghiên cứu chuyên sâu kéo dài 2 năm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Quy luật bắt cháy và hành trình cháy kiệt: Than antraxit Việt Nam đòi hỏi nhiệt độ bắt cháy trong dòng khói nóng lên tới $1000^\circ\text{C}$ (cao hơn gấp 1,8 lần so với than bùn ở mức $550^\circ\text{C}$ và than nâu ở mức $750^\circ\text{C}$). Quá trình cháy kiệt hạt than chỉ hoàn tất sau hành trình chuyển động dài 14 mét trong buồng lửa.

  2. Xác lập độ mịn kinh tế ($R_{90kt}$): Qua cân bằng giữa chi phí điện năng nghiền than và tổn thất nhiệt cơ học ($q_4$), độ mịn tối ưu cho than antraxit trong nước được xác định ở ngưỡng $R_{90} = 6% - 8%$, tính theo công thức thực nghiệm:

    $$R_{90kt} = 6 + 0,7V_c$$

  3. Cấu hình khí động học vòi phun: Tốc độ dòng môi chất ở đầu ra miệng vòi phun được chuẩn hóa với gió cấp một từ $12\text{ m/s}$ đến $16\text{ m/s}$, gió cấp hai từ $18\text{ m/s}$ đến $22\text{ m/s}$. Nhiệt độ gió nóng cấp một cần duy trì ở mức cao $350^\circ\text{C} - 400^\circ\text{C}$ và góc mở loe khuếch tán vòi phun đạt $120^\circ$ để tối đa hóa lượng khói nóng tuần hoàn về gốc ngọn lửa.

  4. Hiệu quả cắt giảm phát thải: Phương pháp đốt phân cấp không khí qua việc giảm lượng gió cấp một tại vòi phun chính xuống 70% - 75% tổng lượng không khí lý thuyết giúp giảm 15% - 20% lượng $NO_x$. Khi kết hợp tái tuần hoàn 15% - 20% khói thải trước bộ sấy không khí, nồng độ $NO_x$ giảm thêm khoảng 25%.

+--------------------------+-----------------------+---------------------+-----------------------+
| Loại nhiên liệu          | Chất bốc Vc (%)       | Nhiệt độ cháy (°C)  | Vận tốc gió cấp 1 (m/s)|
+--------------------------+-----------------------+---------------------+-----------------------+
| Than bùn                 | 40 - 50               | 550 - 650           | 20 - 26               |
| Than nâu                 | 20 - 30               | 750 - 840           | 20 - 26               |
| Than bitum               | 14                    | 900                 | 16 - 20               |
| Than antraxit Việt Nam   | 2 - 10                | 1000                | 12 - 16               |
+--------------------------+-----------------------+---------------------+-----------------------+

Thảo luận kết quả

Khác biệt cơ bản giữa buồng lửa thế hệ cũ ($100 - 110\text{ MW}$) và buồng lửa thế hệ mới ($300\text{ MW}$) nằm ở cấu trúc tổ chức khí động. Tại các lò hơi cũ như Phả Lại 1 hay Ninh Bình, kích thước buồng lửa nhỏ khiến thời gian lưu của hạt than ngắn, dẫn đến tổn thất $q_4$ do than chưa cháy kiệt trong tro xỉ lên tới 10% - 15%. Ngược lại, các tổ máy mới 300 MW áp dụng cấu trúc buồng lửa đốt ngọn lửa hình chữ W kết hợp đai cháy bọc cách nhiệt cromit giúp kéo dài thời gian lưu khói trên 3 giây, giữ nhiệt độ vùng tâm cháy ổn định ở mức $1500^\circ\text{C} - 1600^\circ\text{C}$ mà không gây hiện tượng táp lửa vào tường hay đóng xỉ bề mặt truyền nhiệt.

Dữ liệu thực nghiệm chứng minh rằng việc khống chế hệ số không khí thừa $\alpha$ đóng vai trò quyết định đến nồng độ $NO_x$. Khi hệ số không khí thừa bằng 1,1 với thời gian lưu 0,1 giây, nồng độ $NO_x$ đo được khoảng $500\text{ ppm}$; nhưng nếu kéo dài thời gian lưu lên 1 giây ở cùng điều kiện, nồng độ $NO_x$ tăng vọt lên $1300\text{ ppm}$. Kết quả này chỉ ra sự đánh đổi giữa việc tăng cường cháy kiệt than và sự gia tăng $NO_x$ nhiệt, đòi hỏi giải pháp phân bổ khí động học nhiều tầng thay vì cung cấp không khí tập trung.

       +-------------------------------------------------------------+
       |           Hành trình ngọn lửa hình chữ W (W-Flame)          |
       +-------------------------------------------------------------+
                                      |
         +----------------------------+----------------------------+
         |                                                         |
         v                                                         v
+-------------------------------+                         +-------------------------------+
|  Vòi phun hướng xuống (Vòm)   |                         |  Vòi phun hướng xuống (Vòm)   |
|  - Gió C1: 12 - 16 m/s        |                         |  - Gió C1: 12 - 16 m/s        |
|  - Gió C2: 18 - 22 m/s        |                         |  - Gió C2: 18 - 22 m/s        |
+-------------------------------+                         +-------------------------------+
         \                                                         /
          \                                                       /
           +---------------------------> + <---------------------+
                                         |
                                         v
                         +-------------------------------+
                         | Vùng đáy buồng lửa & Đai cháy |
                         | - T đạt 1500°C - 1600°C       |
                         | - Dòng khói quay ngược chữ U  |
                         +-------------------------------+
                                         |
                                         v
                         +-------------------------------+
                         | Vùng cháy kiệt & Cửa thoát    |
                         | - Chiều dài ngọn lửa: 14 m    |
                         | - Gió cấp 3 / Gió xiết        |
                         +-------------------------------+

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa hệ thống máy nghiền than và phân ly: Thiết lập chế độ nghiền để đảm bảo độ mịn bột than $R_{90}$ duy trì nghiêm ngặt trong khoảng 6% - 8%, độ ẩm bột than kiểm soát ở mức $W_{bt} < W_{pt}$. Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (VINACOMIN) và EVN cần triển khai nâng cấp hệ thống phân ly tại các tổ máy nhiệt điện đang vận hành trong thời gian 12 - 18 tháng.
  2. Chuyển đổi sang công nghệ đốt phân cấp không khí (OFA): Tái lập trình hệ thống cấp gió bằng cách đưa 70% - 75% lượng không khí qua vòi phun chính ($\alpha_1 = 1,2$) và bổ sung 25% - 30% lượng gió còn lại qua vòi phun gió xiết phía trên buồng lửa. Mục tiêu giảm phát thải $NO_x$ từ 20% đến 30%, hoàn thành trong giai đoạn 2012-2015 do các Ban quản lý dự án nhà máy nhiệt điện chủ trì.
  3. Cải tiến kết cấu và chế độ khí động miệng vòi phun: Sử dụng vòi phun xoáy kiểu TK3 hoặc vòi phun gió cấp một thổi thẳng có loe khuếch tán $120^\circ$ kiểu ORGRES. Duy trì vận tốc gió cấp một ở mức $12 - 16\text{ m/s}$, gió cấp hai ở mức $18 - 22\text{ m/s}$, gia nhiệt gió cấp một đạt $350^\circ\text{C} - 400^\circ\text{C}$ để đảm bảo bắt cháy tức thời. Kế hoạch do các đơn vị tư vấn thiết kế và chế tạo thiết bị cơ khí nhiệt thực hiện trong lộ trình 24 tháng.
  4. Tích hợp hệ thống khử lưu huỳnh (FGD) kiểu ướt hiệu suất cao: Lắp đặt hệ thống khử lưu huỳnh sau bộ lọc bụi tĩnh điện với tỷ số mol $\text{Ca/S} = 1,0$, đạt hiệu suất khử $SO_2$ trên 90%. Đồng thời kiểm soát nhiệt độ khử lưu huỳnh bằng đá vôi trong buồng lửa ở dải tối ưu $800^\circ\text{C} - 850^\circ\text{C}$, ngăn chặn phản ứng phân hủy $CaSO_4$ khi nhiệt độ vượt $1200^\circ\text{C}$.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành và điều độ nhà máy nhiệt điện than: Cung cấp thông số chuẩn xác về vận tốc gió, tỷ lệ hòa trộn bột than và chế độ nhiệt đai cháy nhằm ngăn ngừa hiện tượng đóng xỉ, mài mòn ống sinh hơi và giảm thiểu tổn thất than chưa cháy ($q_4$).
  2. Chuyên gia thiết kế, tư vấn thiết bị nhiệt và nồi hơi: Ứng dụng các công thức tính toán vòi phun phân kỳ xoáy, xác định kích thước hình học buồng lửa đốt ngọn lửa chữ W cho than antraxit chất lượng thấp công suất 300 MW đến 600 MW.
  3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Hỗ trợ Bộ Công Thương, EVN và Vinacomin trong việc lập định mức kinh tế kỹ thuật tiêu hao than và xây dựng tiêu chuẩn phát thải $NO_x, SO_2$ phù hợp với công nghệ than sạch quốc gia.
  4. Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Kỹ thuật Nhiệt - Năng lượng: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về động học phản ứng cháy than bột, cơ chế Zeldovich mở rộng và mô hình khí động học dòng hai pha khí - hạt.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao than antraxit Việt Nam lại rất khó bắt cháy và cháy kiệt trong buồng lửa? Than antraxit nội địa có hàm lượng chất bốc rất thấp (2% - 10%), nhiệt độ bắt cháy cao tới $1000^\circ\text{C}$ và chỉ số hoạt tính $T_{15} > 280$. Hạt than cần hành trình chuyển động dài 14 mét và nhiệt độ tâm cháy $1500^\circ\text{C} - 1600^\circ\text{C}$ mới có thể cháy kiệt hoàn toàn phần cốc.

Độ mịn kinh tế $R_{90}$ của than antraxit được xác định dựa trên nguyên tắc nào? Độ mịn kinh tế được xác định tại điểm cực tiểu của tổng chi phí bao gồm chi phí điện năng cho máy nghiền và tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về cơ học ($q_4$). Đối với than antraxit Việt Nam, độ mịn tối ưu trên rây tiêu chuẩn được kiểm chứng là $R_{90} = 6% - 8%$.

Phương pháp đốt phân cấp không khí giúp cắt giảm $NO_x$ như thế nào? Phương pháp này đưa 70% - 75% lượng không khí lý thuyết vào giai đoạn đầu để tạo môi trường cháy giàu nhiên liệu, nghèo oxy ($\alpha < 1$), ức chế cơ chế hình thành $NO_x$ nhiệt Zeldovich. Lượng không khí còn lại được bổ sung ở giai đoạn hai để hoàn tất quá trình cháy cốc, giúp hạ 15% - 20% $NO_x$.

Vì sao không nên dùng than bột antraxit làm nhiên liệu cấp hai trong công nghệ đốt phân cấp nhiên liệu? Vùng tái cháy cấp hai có thời gian lưu khói rất ngắn (dưới 3 giây) đòi hỏi nhiên liệu phải bắt cháy tức thời để tạo môi trường hoàn nguyên mạnh khử $NO_x$. Than antraxit ít chất bốc, bắt cháy chậm nên không đáp ứng được yêu cầu phản ứng nhanh như khí thiên nhiên hay than nhiều chất bốc.

Vận tốc gió cấp một và gió cấp hai ở miệng vòi phun than antraxit nên duy trì ở mức bao nhiêu? Ở phụ tải định mức, vận tốc gió cấp một dẫn than bột cần duy trì trong khoảng $12 - 16\text{ m/s}$ để tránh dạt ngọn lửa hoặc làm lạnh buồng đốt; vận tốc gió cấp hai duy trì ở mức $18 - 22\text{ m/s}$ nhằm bảo đảm xáo trộn mãnh liệt và cung cấp oxy kịp thời.

Kết luận

  • Khẳng định tính cấp thiết của công nghệ cháy sạch khi nhiệt điện than chiếm 48% - 51,6% tổng công suất nguồn điện quốc gia giai đoạn 2020-2030.
  • Giải quyết thành công mâu thuẫn kỹ thuật giữa yêu cầu nhiệt độ cao để đốt cháy than antraxit ít chất bốc ($V_c = 2% - 10%$) và yêu cầu kiểm soát phát thải nhiệt $NO_x, SO_2$.
  • Xác lập bộ thông số vận hành khí động học chuẩn xác với độ mịn than $R_{90} = 6% - 8%$, vận tốc gió cấp một $12 - 16\text{ m/s}$, gió cấp hai $18 - 22\text{ m/s}$ và nhiệt độ gió nóng $350^\circ\text{C} - 400^\circ\text{C}$.
  • Đề xuất mô hình buồng lửa ngọn lửa chữ W kết hợp vòi phun xoáy loe $120^\circ$ và đốt phân cấp không khí giúp giảm 20% đến trên 50% phát thải độc hại.
  • Mở ra hướng nghiên cứu mô phỏng số 3D (CFD) khí động học dòng chảy phức hợp trong buồng lửa lò hơi 600 MW siêu tới hạn.

Để áp dụng các giải pháp khí động học và công nghệ cháy sạch than antraxit vào thực tế vận hành tổ máy phát điện, các kỹ sư và chuyên gia có thể khai thác chi tiết các tính toán lý thuyết và thông số vòi phun trong toàn văn luận văn thạc sĩ.