Nghiên cứu khí động học buồng lửa cho công nghệ cháy sạch than antraxit Việt Nam

Nghiên cứu khí động học buồng lửa đốt than bột, đề xuất giải pháp công nghệ cháy sạch than antraxit Việt Nam giúp tối ưu hiệu suất và giảm phát thải.

• Tác giả: Đào Đức Phúc
• Người hướng dẫn: Ts. Lê Đức Dũng
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Nhiệt Lạnh
• Đề tài: Nghiên cứu khí động học của buồng lửa đốt than bột ứng dụng vào công nghệ cháy sạch than antraxit Việt Nam
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khí động học buồng lửa và tầm quan trọng trong cháy sạch than antraxit

Khí động học buồng lửa là yếu tố then chốt trong việc tối ưu hóa quá trình cháy than antraxit hiện đại. Việc nghiên cứu sâu về khí động học giúp cải thiện hiệu suất đốt than, giảm thiểu phát thải khí ô nhiễm và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu. Than antraxit Việt Nam có đặc tính khó cháy, do đó cần tối ưu hóa cấu trúc và dạng buồng lửa để đạt được cháy sạch than. Công nghệ cháy sạch than (CNTS) không chỉ giúp tăng hiệu suất năng lượng mà còn góp phần bảo vệ môi trường toàn cầu. Việc áp dụng các nguyên lý khí động học tiên tiến vào thiết kế buồng lửa đốt than bột sẽ giải quyết những thách thức lâu dài trong ngành điện lực Việt Nam.

1.1. Vai trò của khí động học trong quá trình đốt than bột

Khí động học buồng lửa điều khiển sự phân bố nhiệt, tốc độ phản ứng cháy và hiệu suất chung của hệ thống. Dòng không khí trong buồng lửa phải được thiết kế tối ưu để tạo điều kiện cháy sạch và hiệu quả cao. Các vòi phun than bột cần được sắp xếp theo quy tắc khí động học để đảm bảo sự trộn lẫn đồng đều giữa nhiên liệu và oxygen. Việc kiểm soát tốc độ gió, hướng dòng chảy và áp suất trong buồng lửa giúp ngăn chặn hình thành các vùng cháy không hoàn toàn, từ đó giảm phát thải NOx, SO2 và các chất ô nhiễm khác.

1.2. Thách thức với than antraxit Việt Nam

Than antraxit Việt Nam có hàm lượng tro cao và độ khó cháy lớn, đòi hỏi buồng lửa phải có khí động học đặc biệt. Vấn đề đóng xỉ và ăn mòn nhiệt độ cao thường xảy ra khi cháy than antraxit không được tối ưu. Để đạt cháy sạch than antraxit, cần thiết kế lại cấu trúc buồng lửa với các giải pháp công nghệ tiên tiến như kiểm soát NOx, xử lý SO2 và quản lý xỉ khô.

II. Tối ưu hóa cấu trúc khí động học buồng lửa đốt than bột

Tối ưu hóa khí động học buồng lửa đốt than bột là quá trình phức tạp yêu cầu kết hợp lý thuyết cơ học chất lỏng với thực tế vận hành. Buồng lửa dạng W được công nhận là một trong những thiết kế hiệu quả nhất cho cháy than antraxit sạch. Việc sắp xếp các vòi phun theo hình học đặc biệt, kiểm soát nhiệt độ buồng lửa và quản lý dòng khí thứ cấp là những yếu tố quan trọng. Nghiên cứu khí động học chi tiết giúp xác định vị trí tối ưu cho các vòi phun, tốc độ gió sơ cấp và thứ cấp, cũng như thiết kế bề mặt buồng lửa để giảm tổn thất nhiệt.

2.1. Dạng buồng lửa W và ứng dụng cho than antraxit

Buồng lửa dạng W sử dụng khí động học kiểm soát tốt, với các vòi phun sắp xếp theo hình W để tạo vùng cháy hình ổn định. Thiết kế này giúp cháy than antraxit đạt hiệu suất cao và giảm phát thải NOx hiệu quả. Dòng khí trong buồng lửa W tạo ra vùng tuần hoàn nhiệt độ cao, giúp bột than cháy hoàn toàn. Giải pháp này đã được áp dụng thành công tại các nhà máy nhiệt điện Hải Phòng 1 và Phả Lại 2 với công suất 300MW.

2.2. Vòi phun và sắp xếp trong buồng lửa

Các vòi phun bột than phải được thiết kế và bố trí theo nguyên lý khí động học chính xác. Cấu tạo vòi phun bao gồm ống trục, lò xoáy tạo hướng xoáy cho dòng khí và than bột. Vị trí vòi phun trên tường buồng lửa ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả cháy sạch. Sắp xếp các vòi phun ở các tầng khác nhau với góc nghiêng phù hợp giúp tối ưu hóa sự trộn lẫn và quá trình cháy.

III. Giải pháp giảm phát thải NOx và SO2 trong cháy than

Giảm phát thải NOx và SO2 là mục tiêu chính của cháy sạch than antraxit Việt Nam. Phát thải NOx sinh ra từ quá trình oxy hóa ni tơ ở nhiệt độ cao trong buồng lửa. SO2 phát sinh từ sự oxy hóa lưu huỳnh có trong than. Các giải pháp kỹ thuật chủ yếu bao gồm kiểm soát khí động học buồng lửa, giảm nhiệt độ cháy cục bộ, sử dụng công nghệ xun phun hai mức khí, và xử lý khí thải. Tối ưu hóa khí động học giúp kiểm soát quá trình cháy, tránh cháy tại nhiệt độ quá cao, từ đó giảm đáng kể phát thải khí độc hại.

3.1. Cơ chế hình thành và kiểm soát NOx

NOx hình thành chủ yếu thông qua cơ chế Zeldovich ở nhiệt độ trên 1800K. Kiểm soát khí động học buồng lửa để duy trì vùng cháy ở nhiệt độ phù hợp là chiến lược hiệu quả. Công nghệ xun phun giai đoạn giúp giảm nồng độ oxygen cục bộ, từ đó giảm NOx 30-50%. Kết hợp với các biện pháp hậu xử lý như kính xun phun ammonia (SCR), có thể giảm NOx đến 90%.

3.2. Xử lý SO2 từ quá trình cháy than antraxit

SO2 được kiểm soát bằng cách tiêm hóa chất hấp thụ như đá vôi (CaCO3) vào buồng lửa. Phương pháp này hiệu quả cho cháy than có hàm lượng lưu huỳnh cao. Khí động học phải đảm bảo hóa chất hấp thụ được phân tán đều trong buồng lửa. Thải xỉ khô là phương pháp hiện đại, kết hợp với xử lý khí, giúp giảm SO2 phát thải lên tới 95% trong quá trình cháy sạch than.

IV. Ứng dụng và triển vọng công nghệ cháy sạch than antraxit

Các nhà máy nhiệt điện hiện đại ở Việt Nam như Hải Phòng 1, Phả Lại 2 đã áp dụng thành công công nghệ cháy sạch than với khí động học buồng lửa tối ưu. Những kinh nghiệm từ các nhà máy này cung cấp dữ liệu quý giá cho việc nâng cấp các nhà máy cũ. Triển vọng phát triển công nghệ cháy sạch than antraxit Việt Nam là tăng hiệu suất cháy từ 85% lên trên 92%, đồng thời giảm phát thải NOx và SO2 lần lượt xuống dưới 200 mg/m³ và 50 mg/m³. Việt Nam có tiềm năng trở thành trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ than sạch trong khu vực Đông Nam Á.

4.1. Kinh nghiệm từ các nhà máy nhiệt điện hiện đại

Nhà máy Hải Phòng 1 (2x300MW) và Phả Lại 2 (2x300MW) sử dụng công nghệ phun than bột với khí động học buồng lửa dạng W tiên tiến. Các nhà máy này đạt hiệu suất cháy cao, phát thải NOx thấp và SO2 được kiểm soát. Dữ liệu vận hành từ những nhà máy này cho thấy thiết kế buồng lửa tối ưu có thể giảm phát thải 40-50% so với công nghệ cũ. Kinh nghiệm quản lý xỉ khô và bảo dưỡng thiết bị cũng rất quan trọng để duy trì hiệu suất dài hạn.

4.2. Hướng phát triển tương lai cho than antraxit Việt Nam

Phát triển công nghệ cháy sạch than antraxit đòi hỏi tiếp tục nghiên cứu khí động học chi tiết, tối ưu hóa vòi phun, và áp dụng trí tuệ nhân tạo vào kiểm soát quá trình cháy. Nâng cấp các nhà máy cũ lên công nghệ mới sẽ giảm ô nhiễm và tăng hiệu suất năng lượng. Hợp tác quốc tế với các nước tiên tiến trong công nghệ than sạch sẽ giúp Việt Nam đạt mục tiêu phát triển bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Nhu cầu năng lượng điện Ngày 18 tháng 7 năm 2007 Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2006-2015 có xét đến triển vọng 2025 (gọi tắt là Quy hoạch điện VI) với các mục tiêu quan trọng: Đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội của cả nước với mức tăng GDP khoảng 8,5%-9% /năm giai đoạn 2006-2015 và cao hơn, dự báo nhu cầu điện nước ta tăng ở mức 17%/năm (phương án cơ sở), 20%/năm (phương án cao) trong giai đoạn 2006-2015, trong đó xác định phương án cao là phương án điều hành, chuẩn bị phương án 22%/năm cho trường hợp tăng trưởng đột biến. Phát triển nguồn điện phải đáp ứng nhu cầu phụ tải trên. Đảm bảo thực hiện tiến độ xây dựng các nhà máy thủy điện có các lợi ích tổng hợp: chống lũ, cấp nước, sản xuất điện, phát triển hợp lí có hiệu qủa các nguồn nhiệt điện khí, đẩy mạnh xây dựng nhiệt điện than, phát triển thuỷ điện nhỏ, năng lượng mới và tái tạo cho các vùng sâu, vùng xa, miền núi, hải đảo; chủ động trao đổi điện năng có hiệu qủa với các nước trong khu vực ; đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia và phát triển bền vững.

Hoàn thành giai đoạn chuẩn bị đầu tư Dự án nhà máy điện hạt nhân. Phát triển phù hợp cảc trung tâm điện lực ở các khu vực trong cả nước nhắm đảm bảo tin cậy cung cấp điện tại chỗ và giảm tổn thất kĩ thuật trên hệ thống điện quốc gia cũng như đảm bảo tính kinh tế của các dự án, góp phần phát triển kinh tế -xã hội cho từng vùng và cả nước. Phát triển nguồn điện mới phải tính toán với các phương án đầu tư chiều sâu và đổi mới công nghệ các nhà máy đang vận hành; đáp ứng tiêu chuẩn môi trường; sử dụng công nghệ hiện đại đối với các nhà máy điện mới… Trên cơ sở các kịch bản phát triển kinh tế - xã hội, nhu cầu điện Việt Nam được dự báo theo 3 phương án (PA) sau: PA phụ tải thấp dự báo theo tốc độ tăng trưởng GDP của kịch bản tăng trưởng chậm: tăng trưởng điện sản xuất bình quân 13%/năm giai đoạn 2011-2015, tăng 6 8,9%/năm giai đoạn 2016-2020, giai đoạn 2021-2025 tăng bình quân 7,4%/năm và giai đoạn 2026-2030 tăng 7,0%/năm. PA phụ tải cơ sở dự báo theo tốc độ tăng trưởng GDP của kịch bản tăng trưởng cơ sở: tăng trưởng điện sản xuất bình quân 14,2%/năm giai đoạn 2011-2015, giảm xuống 11,1%/năm giai đoạn 2016-2020, giai đoạn 2021-2025 tăng bình quân 8,2%/năm và giai đoạn 2026-2030 tăng 7,8%/năm.

PA phụ tải cao dự báo theo tốc độ tăng trưởng GDP của kịch bản tăng trưởng nhanh: nhịp tăng phụ tải giai đoạn 2011-2015 là 16,1%/năm, giai đoạn 2016-2020 là 11,4%/năm, giai đoạn 2021-2025 là 9,2%/năm và giai đoạn 2026-2030 là 8,7%/năm. Điện năng sản xuất dự báo theo 3 PA (tỷ kWh) 2010 2015 2020 2025 2030 PA thấp 183,926 282,091 402,702 556,123 PA cơ sở 100,007 194,304 329,412 489,621 695,147 PA cao 210,852 361,945 561,506 833,817 Chương trình phát triển nguồn điện Chương trình phát triển nguồn điện được tính toán trên cơ sở tối ưu hóa kinh tế - kỹ thuật có tính tới tiến độ cập nhật thực tế và khả năng đưa vào vận hành các nguồn giai đoạn 2011-2015 và 2016-2020, đảm bảo đủ nguồn cung cấp và có dự phòng. Cụ thể, chương trình phát triển nguồn điện sẽ thực hiện đáp ứng theo Quyết định số 1208/QĐ-TTg về việc phê duyệt quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến năm 2030 của Thủ tướng Chính phủ ngày 21/7/2011 như sau: 7 Bảng 2. Tổng hợp cơ cấu nguồn điện giai đoạn 2011-2030 Cơ cấu nguồn điện Đến năm 2020(%) Đến năm 2030(%) Nhiệt điện than 48 51,6 Nhiệt điện khí 16,5 11,8 Điện hạt nhân 1,3 6,6 Thủy điện 23,1 11,8 Thủy điện tích năng 2,4 3,9 Năng lượng tái tạo 5,6 9,4 Nhập khẩu 3,1 4,9 Tổng công suất (MW) 75.800 Qua bảng trên có thể nhận thấy, nguồn phát triển trong giai đoạn tới chủ yếu là nhiệt điện than.

Nhu cầu than cho các nhà máy nhiệt điện than tại Việt Nam theo phương án cơ sở vào năm 2020 là 77,7 triệu tấn; năm 2030 là 190,7 triệu tấn. Căn cứ Chương trình phát triển nguồn điện nhận thấy rằng tỷ trọng nhiệt điện than tăng trưởng với tốc độ cao và nhiệt điện than sẽ đóng vai trò chủ lực trong hệ thống điện Việt Nam vào những năm 2020-2030. Để đảm bảo an ninh năng lượng, hỗ trợ phát triển kinh tế thì bên cạnh việc nâng cao khả năng khai thác than trong nước, xây dượng chương trình nhập khẩu than khả thi, cần thiết phải định hướng lựa chon những công nghệ sản xuất điện và bảo vệ môi trường cho các nhà máy nhiệt điện đôt than trong thời gian tới với mục tiêu an toàn, tin cậy, hiệu quả và phù hợp với điều kiện Việt Nam. Nguồn than Theo báo cáo mới nhất của TS.

Trần Xuân Hoà chủ tịch VINACOALMIN tại Hội nghị Quốc tế (Coaltrans 9/2010) thì nay đang có 54 mỏ than đang vận hành trong tập đoàn VINACOALMIN với tổng sản lượng khai thác là 46 Triệu tấn/năm. Trong đó: - 5 mỏ lớn khai thác lộ thiên với sản lượng là hơn 2 triệu tấn /năm đó là (Cao Sơn, Cọc 6, Đèo Nai, và Núi Béo) - 15 hầm bán lỗ thiên với sản lượng hàng năm khoảng 100 ngàn -700 ngàn tấn cho một hầm lò, và có một số hầm lò bán lỗ thiên nhỏ với sản lượng khai thác hàng năm nhỏ 100 ngàn tấn. - 30 hầm lò khai thác than trong đó có 9 hầm lò có sản lượng khai thác 1 triệu tấn/năm. Còn các hầm lò khác có sản lượng khai thác nhỏ hơn 1 triệu tấn/năm.

Hiện nay VINACOALMIN đang vận hành 3 nhà máy sàng tuyển than (Khoáng sàng) Hòn gai 2 triệu tấn /năm; Cửa ông 10 triệu tấn /năm, Vàng Danh 3 triệu tấn/ năm. Từ năm 2006 đến 2009 VINACOALMIN đã sản xuất được177 triệu tấn than nguyên khai. Năm 2010 sản xuất được 46-47 Triệu tấn than nguyên khai tương đương với 43-44 triệu tấn quy đổi/năm (Than thương phẩm). Dự kiến sẽ sản xuất than thương phẩm là: 58 triệu tấn 2015 và 73 triệu tấn vào năm 2020.

Sản lượng than khai thác từ 2006-đến 2010 STT Hạng mục Đơn vị 2006 2007 2008 2009 2010 1 Than nguyên khai 10 TOE/năm 6 40.470 Mỏ lộ thiên 106TOE/năm 24.450 Trong Dạng khác 106TOE/năm 1.330 đó Tỷ lệ lộ thiên so với % 60 58.2 tổng Vận chuyển than đi Triệu m3 192.49 3 Khối lượng vận 10m3 363.87 9 chuyển qua đường hầm Vận chuyển bằng xe 3 m/103t 22.3 m/10 t than Triêu tấn 4 Than thương phẩm 37.000 quy đổi Kế hoạch sản xuất than năm 2011 đến 2020 (Đv:1000 tấn) STT Vùng, mỏ 2011 2012 2013 2014 2015 2020 Tổng sản luợng 51.125 I Bể Đông Bắc 47.800 II Than nội địa 1.175 IV Bể Sông Hồng 13.500 Than thương phẩm 46.748 Từ các kết qủa thăm dò theo VINACOALMIN thì tổng tổng trữ lượng tiềm năng than tính đến tháng 1/2010 của Việt Nam là 49.8 tỷ tấn, trong đó: - Trữ lượng đã được xác minh là 7.6 tỷ tấn với các cấp độ A+B+C1 chiếm khoảng 33%, C2 là 39% và P là 28% - Trữ lượng nguồn than dự báo là 43.1 tỷ tấn, trong đó : + Quảng Ninh (An thraxít): 4.3 tỷ tấn + Bể sông Hồng (Bán than đá) sub-bituminous: 38.8 tỷ tấn (Tuy nhiên điều kiện địa lí, địa chất ở bể này rất phức tạp ) - Và có một số mỏ than béo ở Miền Bắc, và than bùn ở vùng sông Mê Kông - Bể than đồng bằng Sông Hồng (phần nội địa) Diện tích khai thác 932Km2 trữ lượng 30 tỷ tấn ở độ sâu -1700m 10 Khoái Châu –Hưng Yên TKTM 55Km2 trữ lượng 1124 triệu tấn Bình Minh –Khoái Châu TKTM 25Km2 trữ lượng 456 triệu tấn Phát triển nguồn than Á Bitum vùng đồng bằng Sông Hồng, Đây vùng than có trữ lượng rất lớn nhưng đây là vùng nông nghiệp, có điều kiện địa chất phức tạp khai thác than rất khó. Một dự án khai thác than dưới hầm bằng phương án khí hoá quy mô Pilot đã đặt tại Khoái châu 1 với tổng số tiền đầu tư là 6. Trong đó VINACOMIN 60%, Marubeni (Nhật bản) 20% và Linc Enery (Úc) 20%. Dự án sẽ thực hiện trong 2 năm sau khi dự án được phê chuẩn.

Hiện nay Bộ Công Thương đã giao cho Các Công ty tư vấn của VINACOMIN chịu trách nhiệm thăm dò, khai thác và tận dụng bể than Sông Hồng từ 2020 đến 2030, mục tiêu là phát triển 5 mỏ ở Hưng Yên và Thái Bình với tổng sản lượng khai thác hàng năm 25 triệu tấn sau 2015. Kế hoạch phát triển khai thác than để đáp ứng nhu cầu than (triệu tấn). Tổng lượng than cung cấp 43 58 70/80 2. Tổng nhu cầu than 26 56/68 93/114 - Nhu cầu than khác 16 27 31 - Nhu cầu than cho phát điện 10 30/42 61/68 + Nội địa 10 27 40 + Nhập khẩu 3/15 21/40 Trong thời gian 2011 đến 2030 sẽ có 19 mỏ đóng cửa với tổng sản lượng 11 triệu tấn quy đổi mỗi năm, trong đó có 9 mỏ lộ thiên với tổng sản lượng 8,2 triệu tấn mỗi năm: Núi Béo (3,5 triệu); Hà Tu (1,65 triệu); Đá Mài (Đông Nam) (1,0 triệu); Đá Mài (Tây) (0,4 triệu); Bàng Nâu (0,55 triệu); Đông bắc Khe Tam (0,03 triệu); Khe Sim (1,05 triệu) Đông Khe Sim (0.05 triệu) và 10 mỏ lộ thiên nhỏ (2.

Xây dựng các mỏ mới: sẽ xây dựng được 19 mỏ mới với công suất 61 triệu tấn quy đổi mỗi năm. Trong đó 5 mỏ của ở Đông bắc với công suất 13 triệu tấn quy đổi /năm 9 mỏ mới ở Đông bắc với công suất 23.5 triệu tấn /năm 11 5 mỏ mới ở Hưng Yên, Thái Bình với tổng công suất 25 triệu tấn/năm Các mỏ cải tạo và nâng cấp: 25 mỏ của VINACOMIN với tổng công suất 50 triệu tấn/năm; 68 mỏ địa phương và than bùn với tổng công suất 10 triệu tấn /năm. Cơ sở hạ tầng trong khu vực khai khoáng: Bao gồm : Đường sắt; băng tải, đường bộ, kho than, và sân chứa than Đến 2015 có 6 khoáng sàng (xuởng sàng tuyển than) được xây dựng mới : Khe Chàm (15 triệu tấn/năm); Mông Dương (2 triệu tấn/năm); Lep My (6 triệu tấn/năm); Hà Lầm (10 triệu tấn /năm); Vàng Danh 2 (3.5 triệu tấn /năm); Khe Thần 1 (4 triệu tấn/năm). Nhu cầu than cho các nhà máy điện đã xây dựng và vận hành (sử dụng 15,96 triệu tấn than) Công suất Nhu cầu than Tên nhà máy Chủ sở hữu Loại than MW triệu T/năm 1 Nhiệt điện Phả Lại 1 440 EVN 1.5 Cám 5 2 Nhiệt điện Phả Lại 2 2x300 EVN 2.0 Cám 5 3 Nhiệt điệnUông Bí 1 110 EVN 0.4 Cám 5 4 Nhiệt điện Ninh Bình 100 EVN 0.3 Cám 5 5 Nhiệt điện Na Dương 110 VINACOMIN 0.