Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nhiên liệu hóa thạch truyền thống như dầu mỏ và khí đốt đang đối mặt với sự cạn kiệt tài nguyên cùng mức giá thành biến động cao. Tại Việt Nam, một quốc gia có nền kinh tế nông nghiệp phát triển, khối lượng phụ phẩm nông - lâm nghiệp thải ra hàng năm là rất lớn nhưng chưa được khai thác hiệu quả làm nguồn năng lượng. Các loại nhiên liệu rắn chất lượng thấp như than bùn, than nâu, than có hàm lượng lưu huỳnh và độ tro cao (điển hình như mỏ than Nông Sơn tại Quảng Nam), cùng các nguồn sinh khối như trấu, mùn cưa, vỏ cà phê, rơm rạ và bã mía khi đốt trong các buồng lửa truyền thống thường gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và hiệu suất nhiệt thấp.

Trấu là loại phế phẩm sau thu hoạch có trữ lượng dồi dào tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long và miền Trung. Khi được xử lý nhiệt trong buồng lửa tầng sôi nền cát ở nhiệt độ trên $850^\circ\text{C}$, nhiên liệu được vùi trong lớp cát nóng và có thời gian lưu dài, giúp quá trình cháy diễn ra triệt để với hiệu suất buồng đốt đạt trên 90%. Đồng thời, lượng tro thải sinh ra có tỷ lệ $\text{SiO}_2$ lên đến 91% ở dạng vô định hình, là nguồn phụ gia có giá trị kinh tế cao để sản xuất vật liệu xây dựng (gạch chịu lửa, xi măng, tấm cách âm, vật liệu composite).

Đồ án tốt nghiệp tập trung vào việc thiết kế kỹ thuật hệ thống lò hơi công nghiệp ứng dụng công nghệ buồng lửa tầng sôi tuần hoàn (Circulating Fluidized Bed - CFB) sử dụng nhiên liệu trấu nhằm giải quyết bài toán xử lý phế thải nông nghiệp, tận dụng nguồn năng lượng tái tạo và giảm thiểu ô nhiễm khí thải.

Mục tiêu và các nhiệm vụ thiết kế cụ thể được xác lập bao gồm:

  1. Tổng quan tính cấp thiết của đề tài và tình hình phát triển công nghệ lò hơi.
  2. Xây dựng cơ sở lý thuyết thủy động lực học của tầng sôi.
  3. Phân tích cơ chế hình thành và đề xuất giải pháp kỹ thuật kiểm soát các khí phát thải $\text{NO}_x$, $\text{N}_2\text{O}$ và $\text{SO}_x$.
  4. Tính toán cân bằng nhiệt và tiêu hao nhiên liệu của lò hơi.
  5. Tính toán trao đổi nhiệt các bề mặt truyền nhiệt (buồng lửa, buồng lắng, dàn đối lưu, bộ hâm nước).
  6. Tính toán khí động học toàn lò và lựa chọn quạt gió, quạt khói.
  7. Thiết kế thiết bị làm sạch khí thải bằng buồng lọc bụi xyclon chùm.
  8. Xây dựng quy trình vận hành lò hơi tầng sôi.
  9. Thực hiện hệ thống 6 bản vẽ kỹ thuật: Mặt bằng bố trí lò hơi, sơ đồ cấu tạo lò hơi tầng sôi, cấu tạo buồng đốt, cấu tạo cụm đối lưu, cấu tạo balon (bao hơi) và sơ đồ cấu tạo xiclon chùm.

Đối tượng nghiên cứu là lò hơi tầng sôi tuần hoàn sinh hơi bão hòa công suất 3000 kW (3 MW), áp suất làm việc 10 bar, sử dụng nhiên liệu đốt là trấu rời. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở các tính toán thiết kế nhiệt học, khí động học, cơ khí thiết bị và quy trình công nghệ vận hành tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng trong giai đoạn từ tháng 02/2010 đến tháng 05/2010.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý nhiệt động học, truyền nhiệt và thủy động lực học hai pha khí - rắn trong lò hơi công nghiệp:

  • Lý thuyết thủy động tầng sôi: Khảo sát trạng thái giả lỏng của lớp hạt rắn (cát, tro) khi có dòng không khí thổi qua ghi từ dưới lên. Trạng thái sôi được duy trì khi vận tốc dòng khí nằm trong khoảng từ vận tốc bắt đầu sôi (vận tốc tới hạn $w_s$) đến vận tốc cuốn theo ($w_c$). Sự chuyển động của lớp hạt được mô tả qua các tiêu chuẩn không thứ nguyên: tiêu chuẩn Archimedes ($Ar$), tiêu chuẩn Reynolds ($Re$), tiêu chuẩn Fedorov ($Fe$) và phương trình giảm áp suất dọc thân lò Ergun.
  • Lý thuyết động học phản ứng cháy và tạo phát thải: Cơ chế nhiệt hóa tạo $\text{NO}_x$ nhiệt (phản ứng ở nhiệt độ $>1500^\circ\text{C}$), $\text{NO}_x$ nhiên liệu (chuyển hóa từ nitơ chất bốc và nitơ cốc ở $800\div1000^\circ\text{C}$) và $\text{NO}_x$ tức thời; cơ chế tạo và phân hủy $\text{N}_2\text{O}$ trên bề mặt hạt chất rắn; cơ chế oxy hóa lưu huỳnh thành $\text{SO}_2, \text{SO}_3$ và phản ứng khử $\text{SO}_2$ trực tiếp bằng chất hấp phụ đá vôi ($\text{CaCO}_3$) và dolomite ($\text{CaCO}_3\cdot\text{MgCO}_3$) trong vùng nhiệt độ $800\div900^\circ\text{C}$.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai:

  • Phương pháp tính toán nhiệt lò hơi tiêu chuẩn: Thiết lập phương trình cân bằng vật chất để xác định thể tích không khí lý thuyết, thể tích khói thực tế, entanpy của dòng sản phẩm cháy và tổn thất nhiệt đối với 1 kg nhiên liệu trấu.
  • Phương pháp tính toán trao đổi nhiệt giải tích: Xác định hệ số truyền nhiệt đối lưu và bức xạ qua các vách ống sinh hơi buồng lửa, buồng lắng, chùm ống đối lưu và bộ hâm nước.
  • Phương pháp tính toán thủy lực và khí động: Xác định trở lực của tầng sôi, trở lực ma sát và trở lực cục bộ trên toàn bộ đường dẫn không khí và khói thải để tính chọn thông số cột áp và lưu lượng của quạt ly tâm.

Nguồn dữ liệu sử dụng:

  • Thành phần hóa học và đặc tính nhiệt trị của trấu làm việc ($A^{lv}, W^{lv}, C^{lv}, H^{lv}, O^{lv}, N^{lv}, S^{lv}, Q_t^{lv}$) cung cấp trong nhiệm vụ thiết kế.
  • Bảng tra thông số nhiệt vật lý, nhiệt dung riêng của khí và khói thải tra cứu từ giáo trình "Thiết bị lò hơi (Tập 1)" của GS. Trương Duy Nghĩa.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh theo quy chuẩn kỹ thuật nhiệt với các thông số ban đầu và cấu trúc cụm thiết bị:

Thông số thiết kế Giá trị Đơn vị
Công suất nhiệt của buồng lửa ($Q$) 3000 (3) kW (MW)
Áp suất hơi bão hòa ($P$) 10 bar
Nhiệt trị thấp làm việc của trấu ($Q_t^{lv}$) 14000 kJ/kg
Khối lượng riêng xốp của trấu ($\rho$) 100 kg/m³
Hệ số không khí thừa buồng lửa ($\alpha_{bl}$) 1,25 -
Nhiệt độ không khí lạnh cấp vào ($t_{kkl}$) 30 °C
Nhiệt độ nước cấp vào bộ hâm ($t'_{bhn}$) 25 °C
Nhiệt độ nước ra khỏi bộ hâm ($t''_{bhn}$) 170 °C
Nhiệt độ khói vào bộ hâm nước ($t'_k$) 282 °C
Nhiệt độ khói thải ra khỏi bộ hâm ($t''_k$) 160 °C

Cấu trúc hệ thống lò hơi tầng sôi tuần hoàn bao gồm:

  1. Buồng đốt tầng sôi: Trang bị ghi phân phối gió dạng nấm, hệ thống cấp gió cấp 1 (dưới ghi) và cấp 2 (trên tầng sôi), vách buồng đốt bố trí các ống sinh hơi tiếp nhiệt bức xạ trực tiếp từ lớp sôi cát - trấu ($800\div900^\circ\text{C}$).
  2. Hệ thống phân ly và tuần hoàn hạt rắn: Bộ xyclon phân ly nhiệt độ cao đặt tại cửa ra buồng lửa giữ lại các hạt than trấu chưa cháy kiệt và hạt cát mang nhiệt để hồi lưu cưỡng bức về đáy buồng lửa qua van hồi liệu.
  3. Balon (Bao hơi): Đặt nằm ngang, có chức năng phân tách pha hơi nước bão hòa ra khỏi nước sôi tuần hoàn tự nhiên trong các dàn ống.
  4. Cụm bề mặt đối lưu: Bao gồm buồng lắng tro xỉ, chùm ống trao đổi nhiệt đối lưu và bộ hâm nước dạng ống thép xếp zic-zac nhằm hạ nhiệt độ khói từ $282^\circ\text{C}$ xuống $160^\circ\text{C}$.
  5. Hệ thống xử lý bụi và thông gió: Buồng lọc bụi xyclon chùm đa lốc xử lý tro bay mịn trước khi khói đi vào quạt hút khói và thoát ra ống khói; hệ thống quạt gió ly tâm cao áp cung cấp áp lực thắng trở lực ghi và tầng sôi.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tính cấp thiết của đề tài

Chương này tổng quan về vai trò của thiết bị sinh hơi trong công nghiệp và phân tích các chủng loại lò hơi theo tiến trình công nghệ:

  • Lò hơi ống lò: Cấu tạo đơn giản, thể tích chứa nước lớn, nhưng diện tích truyền nhiệt hạn chế, hơi sinh ra là hơi bão hòa công suất nhỏ.
  • Lò hơi ống lửa: Tăng diện tích truyền nhiệt bằng chùm ống nhỏ ($50\div150\text{ mm}$), giảm tiêu hao kim loại nhưng vẫn giới hạn về áp suất và sản lượng hơi.
  • Lò hơi ống nước tuần hoàn tự nhiên (ống đứng, kiểu KP, kiểu KB, lò đốt than bột): Thay thế ống lửa bằng chùm ống nước đường kính $40\div100\text{ mm}$, nâng cao áp suất và sản lượng hơi.
  • Lò hơi trực lưu và lò hơi đặc biệt: Môi chất chuyển động cưỡng bức một chiều, không dùng bao hơi, yêu cầu chất lượng nước cấp khắt khe.

Phần thực trạng chỉ ra các nguồn nhiên liệu chất lượng kém tại Việt Nam (than Nông Sơn hàm lượng lưu huỳnh và tro cao, than bùn, phế phẩm nông nghiệp trấu, mùn cưa, vỏ cà phê). Tác giả làm rõ lợi thế của công nghệ tầng sôi nền cát: đốt kiệt nhiên liệu có độ ẩm và tro cao ($30\div40%$), hiệu suất buồng đốt $>90%$, tạo sản phẩm phụ là tro trấu chứa 91% $\text{SiO}_2$ vô định hình có giá trị kinh tế.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết tầng sôi

Chương này trình bày bản chất vật lý của kỹ thuật tầng sôi từ phát minh của Fritz Winkler (1921), ứng dụng cracking dầu mỏ thập niên 1950, đến các công trình phát triển lò hơi của Douglas Elliott thập niên 1960. Tác giả phân loại hai dạng: lò tầng sôi bọt (sôi nhẹ) và lò tầng sôi tuần hoàn (sôi mạnh).

Các quy luật thủy động lực học được cụ thể hóa:

  • Quan hệ giữa tốc độ dòng khí $\omega$ với trở lực $\Delta p$ và chiều cao lớp sôi $h$.
  • Xác định vận tốc cân bằng $w_{cb}$ và vận tốc lôi cuốn $w_c$ thông qua tiêu chuẩn Archimedes ($Ar$), Fedorov ($Fe$) và Reynolds ($Re$). Vận tốc làm việc tối ưu được xác lập trong dải: $$\omega = (2 \div 3)w_s$$
  • Công thức Ergun xác định độ giảm áp suất $\Delta p$ dọc theo chiều cao buồng lửa $h$: $$\frac{\Delta p}{h} = 150 \frac{(1-\epsilon)^2}{\epsilon^3} \frac{\mu_g U}{(\Phi d_p)^2} + 1,75 \frac{1-\epsilon}{\epsilon^3} \frac{\rho_g U^2}{\Phi d_p}$$

So sánh ưu thế của buồng lửa CFB với buồng lửa than bột (PC) và buồng lửa ghi xích cho thấy CFB duy trì nhiệt độ đồng đều $800\div900^\circ\text{C}$, diện tích tiếp xúc khí - rắn lớn, không cần hệ thống nghiền than phức tạp, giảm ăn mòn ống đối lưu do tro ở dạng xốp không chảy loãng.

Chương 3: Sự hình thành NOx và SOx trong khói khi cháy và các giải pháp kỹ thuật của lò tầng sôi

Tác giả phân tích cơ chế phản ứng và giải pháp giảm thiểu chất ô nhiễm:

  • Cơ chế $\text{NO}_x$: $\text{NO}_x$ nhiệt chỉ hình thành mạnh khi nhiệt độ $>1500^\circ\text{C}$ (và rất nhanh ở $>2000^\circ\text{C}$). Trong buồng đốt tầng sôi ($800\div900^\circ\text{C}$), $\text{NO}_x$ nhiệt hầu như không xuất hiện; $\text{NO}_x$ nhiên liệu chiếm $70\div90%$ tổng phát thải, bắt đầu sinh ra khi $10\div15%$ chất bốc thoát ra; $\text{NO}_x$ tức thời chỉ chiếm $\sim5%$. Nồng độ $\text{NO}_x$ lò tầng sôi thấp, đạt mức $100\div300\text{ ppm}$.
  • Cơ chế $\text{N}_2\text{O}$: Trong buồng lửa CFB, $70%$ lượng $\text{N}_2\text{O}$ hình thành từ nitơ cốc chuyển hóa khi bay lên qua lớp sôi. Quá trình phân hủy $\text{N}_2\text{O}$ diễn ra trên bề mặt chất rắn xúc tác $\text{CaO}$ và $\text{CaSO}_4$. Nâng nhiệt độ từ $850^\circ\text{C}$ lên $950^\circ\text{C}$ giúp giảm $50%$ $\text{N}_2\text{O}$, nhưng sẽ làm giảm hiệu suất khử lưu huỳnh.
  • Cơ chế $\text{SO}_2$ và khử lưu huỳnh: Lưu huỳnh trong nhiên liệu cháy tạo thành $\text{SO}_2$, một phần nhỏ ($0,5\div2%$) thành $\text{SO}_3$. Khử lưu huỳnh trực tiếp trong buồng lửa bằng bột đá vôi $\text{CaCO}_3$ hoặc dolomite $\text{CaCO}_3\cdot\text{MgCO}_3$ diễn ra hiệu quả nhất ở nhiệt độ $820\div850^\circ\text{C}$ theo phản ứng: $$\text{CaCO}_3 \rightarrow \text{CaO} + \text{CO}_2$$ $$\text{CaO} + \text{SO}_2 + \frac{1}{2}\text{O}_2 \rightarrow \text{CaSO}_4$$ Khi nhiệt độ vượt quá $1200^\circ\text{C}$, $\text{CaO}$ bị thiêu kết (tái kết tinh) làm bít kín mao quản, triệt tiêu phản ứng. Tỷ số mol $\text{Ca/S}$ tối ưu cho lò CFB được xác định từ $1,7\div2$, kích thước hạt đá vôi $<70\ \mu\text{m}$ (trong đó lượng hạt $<11\ \mu\text{m}$ chiếm $>50%$), cho hiệu suất giữ lại $\text{SO}_2$ đạt trên $90%$.

Chương 4: Tính cân bằng nhiệt lò hơi

Xác lập bảng thành phần làm việc của nhiên liệu trấu: $A^{lv} = 19,52%$, $W^{lv} = 9,95%$, $C^{lv} = 34,61%$, $H^{lv} = 3,79%$, $O^{lv} = 41,58%$, $N^{lv} = 0,44%$, $S^{lv} = 0,06%$.

Kết quả tính toán thể tích không khí và sản phẩm cháy đối với 1 kg trấu:

  • Lượng không khí lý thuyết: $V_{kk}^0 = 2,7\text{ m}^3\text{tc/kg}$.
  • Thể tích khí ba nguyên tử: $V_{RO_2}^0 = 0,646\text{ m}^3\text{tc/kg}$.
  • Thể tích nitơ: $V_{N_2}^0 = 2,136\text{ m}^3\text{tc/kg}$.
  • Thể tích hơi nước lý thuyết: $V_{H_2O}^0 = 0,59\text{ m}^3\text{tc/kg}$.
  • Thể tích khói khô lý thuyết: $V_{kkkho}^0 = 2,782\text{ m}^3\text{tc/kg}$.
  • Tổng thể tích khói lý thuyết: $V_k^0 = 3,372\text{ m}^3\text{tc/kg}$.

Với hệ số không khí thừa buồng lửa $\alpha_{bl} = 1,25$:

  • Thể tích không khí thực cấp: $V_{kk} = 3,375\text{ m}^3\text{tc/kg}$.
  • Thể tích khói thực tế: $V_k = 4,057\text{ m}^3\text{tc/kg}$.
  • Phân thể tích hơi nước: $r_{H_2O} = 0,148$; phân thể tích khí ba nguyên tử: $r_{RO_2} = 0,16$.
  • Nồng độ tro bay trong khói: $\mu = 43,3\text{ g/m}^3\text{tc}$.
  • Cân bằng nhiệt xác định: tổn thất do xỉ đáy buồng lửa $q_6 = 0%$ (do chế độ tầng sôi không tạo xỉ cục); tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh $q_5 = 3%$; hệ số bảo ôn buồng lò $\phi = 0,97$.

Chương 5: Tính toán trao đổi nhiệt lò tầng sôi

Tính toán chi tiết truyền nhiệt bức xạ và đối lưu qua từng bề mặt:

  • Tính nhiệt buồng lửa tầng sôi (diện tích hấp thụ nhiệt của dàn ống vách nước xung quanh buồng sôi và vùng huyền phù).
  • Tính nhiệt buồng lắng tro nhằm hạ nhiệt độ khói và tách một phần hạt thô trước khi vào dàn đối lưu.
  • Tính nhiệt chùm ống đối lưu bốc hơi.
  • Tính toán bề mặt bộ hâm nước: hạ nhiệt độ dòng khói từ $t'_k = 282^\circ\text{C}$ xuống $t''_k = 160^\circ\text{C}$, gia nhiệt nước cấp từ $25^\circ\text{C}$ lên $170^\circ\text{C}$.

Chương 6: Tính khí động lò hơi

Xác định tổng tổn thất áp suất trên đường gió và đường khói:

  • Tính toán trở lực qua bộ phân phối gió ghi nấm và trở lực lớp sôi vật liệu rắn ($\Delta p$).
  • Tính trở lực ma sát và cục bộ qua chùm ống đối lưu, bộ hâm nước và hệ thống kênh dẫn khói.
  • Tính toán lựa chọn quạt gió ly tâm cao áp đáp ứng đủ lưu lượng thể tích $V_{kk}$ và cột áp để duy trì tầng sôi.
  • Tính toán chọn quạt hút khói đảm bảo duy trì độ chân không buồng lửa và khắc phục trở lực các cụm trao đổi nhiệt cùng thiết bị lọc bụi.

Chương 7: Thiết kế buồng lọc bụi xyclon chùm

Phân tích đặc tính tro trấu có tỷ lệ tro bay cao ($\mu = 43,3\text{ g/m}^3\text{tc}$). Tác giả lựa chọn giải pháp thiết bị lọc bụi cơ học kiểu xyclon chùm (tổ hợp nhiều đơn phân tử xyclon đường kính nhỏ ghép song song). Thiết kế xác định kích thước hình học, vận tốc xoáy tiếp tuyến, tổn thất áp suất và hiệu suất thu hồi hạt bụi mịn trước khi thải khói ra môi trường.

Chương 8: Vận hành lò tầng sôi

Xây dựng quy trình kỹ thuật vận hành lò hơi CFB:

  • Giai đoạn chuẩn bị: nạp cát thạch anh có kích thước hạt đồng đều lên mặt ghi phân phối gió.
  • Quy trình nhóm lò và sấy lò: sử dụng củi hoặc mồi lửa nâng nhiệt độ lớp cát lên trên nhiệt độ bắt lửa của trấu ($>500\div600^\circ\text{C}$).
  • Cấp trấu liên tục, điều chỉnh tỷ lệ gió cấp 1 và cấp 2 để duy trì nhiệt độ lớp sôi ổn định ở $800\div900^\circ\text{C}$.
  • Quy trình duy trì áp suất hơi bão hòa 10 bar, kiểm soát mức nước bao hơi, xả đáy định kỳ và xử lý các sự cố mất điện, tụt áp, tắc đường hồi liệu tro xyclon hoặc tắt lớp sôi.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán chính

Bảng tổng hợp các thông số sản phẩm cháy và cân bằng nhiệt tại Chương 4:

Đại lượng tính toán Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Thể tích không khí lý thuyết $V_{kk}^0$ 2,700 m³tc/kg
Thể tích khí 3 nguyên tử $V_{RO_2}^0$ 0,646 m³tc/kg
Thể tích khí Nitơ $V_{N_2}^0$ 2,136 m³tc/kg
Thể tích hơi nước lý thuyết $V_{H_2O}^0$ 0,590 m³tc/kg
Thể tích khói khô lý thuyết $V_{kkkho}^0$ 2,782 m³tc/kg
Thể tích khói lý thuyết $V_k^0$ 3,372 m³tc/kg
Thể tích không khí thực tế ($\alpha = 1,25$) $V_{kk}$ 3,375 m³tc/kg
Thể tích hơi nước thực tế $V_{H_2O}$ 0,600 m³tc/kg
Thể tích khói thực tế $V_k$ 4,057 m³tc/kg
Phân thể tích hơi nước $r_{H_2O}$ 0,148 -
Phân thể tích khí 3 nguyên tử $r_{RO_2}$ 0,160 -
Nồng độ tro bay trong khói $\mu$ 43,300 g/m³tc
Tổn thất nhiệt do xỉ $q_6$ 0,000 %
Tổn thất nhiệt ra môi trường $q_5$ 3,000 %
Hệ số bảo ôn buồng lò $\phi$ 0,970 -

Giải pháp kỹ thuật và đóng góp của đề tài

  1. Thiết kế hoàn chỉnh hệ thống thiết bị: Cung cấp bộ hồ sơ tính toán nhiệt học, khí động và kết cấu cho lò hơi tầng sôi tuần hoàn 3 MW đốt 100% trấu rời, tạo cơ sở cho việc chế tạo thiết bị cơ khí trong nước.
  2. Giải pháp kiểm soát phát thải đồng thời trong buồng lửa:
    • Khống chế nhiệt độ cháy ở mức $800\div900^\circ\text{C}$ kết hợp phân cấp gió giúp giảm nồng độ $\text{NO}_x$ phát thải xuống dải $100\div300\text{ ppm}$ mà không cần hệ thống khử xúc tác đắt tiền.
    • Ứng dụng giải pháp trộn trực tiếp bột đá vôi ($\text{CaCO}_3$) với tỷ số mol $\text{Ca/S} = 1,7\div2$ vào buồng lửa, đạt hiệu suất hấp thụ $\text{SO}_2$ trên $90%$ ngay trong quá trình cháy.
  3. Giá trị kinh tế và môi trường của phụ phẩm: Đề xuất công nghệ tận dụng trấu phế phẩm nông nghiệp thay thế nhiên liệu hóa thạch, đồng thời thu hồi tro trấu chứa 91% $\text{SiO}_2$ vô định hình làm phụ gia sản xuất vật liệu composite và xi măng chịu lửa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế kỹ thuật nêu trong đồ án:
    • Lò tầng sôi tuần hoàn đòi hỏi quạt gió ly tâm công suất và cột áp lớn để thắng trở lực của bộ phân phối gió và khối lượng lớp cát sôi, làm tăng điện năng tự dùng của nhà máy.
    • Diện tích bề mặt tiếp xúc nhiệt ngoài của xyclon và đường ống hồi liệu lớn khiến tổn thất nhiệt tỏa ra môi trường xung quanh ($q_5$) cao hơn so với lò tầng sôi bọt (BFB) và lò than bột (PC).
    • Độ phức tạp trong việc chế tạo cơ khí buồng phân ly xyclon nhiệt độ cao và van hồi tro để tránh hiện tượng tắc nghẽn dòng tuần hoàn hạt rắn.
  • Hướng phát triển mở rộng:
    • Nghiên cứu chế tạo các chất xúc tác chi phí thấp để phân hủy triệt để $100%$ khí $\text{N}_2\text{O}$ trong khói thải ở vùng nhiệt độ $500^\circ\text{C}$.
    • Nghiên cứu khảo sát thực nghiệm tối ưu hóa tỷ lệ phân phối giữa dòng gió cấp 1 (dưới ghi) và gió cấp 2 (trên thân buồng lửa) đối với các loại nhiên liệu sinh khối hỗn hợp (trấu kết hợp mùn cưa, vỏ cà phê, bã mía).

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo kỹ thuật cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư chuyên ngành Công nghệ Nhiệt, Nhiệt điện lạnh, Kỹ thuật Năng lượng và Quản lý Môi trường công nghiệp.

Các nội dung có giá trị ứng dụng cao bao gồm:

  • Phương pháp tính toán cân bằng nhiệt và thể tích khói (Chương 4): Cung cấp biểu thức tính toán chuẩn mực cho nhiên liệu sinh khối trấu có độ ẩm và tro cao.
  • Cơ sở lý thuyết động học thủy động tầng sôi (Chương 2): Cung cấp phương pháp xác định các vận tốc tới hạn ($w_s, w_c, w_{opt}$) và phương trình Ergun tính trở lực phục vụ tính chọn thiết bị quạt.
  • Dữ liệu hóa học về kiểm soát $\text{NO}_x, \text{SO}_x$ (Chương 3): Cơ sở định lượng về khoảng nhiệt độ tối ưu ($820\div850^\circ\text{C}$) và tỷ số mol chất hấp phụ $\text{Ca/S}$ khi đốt nhiên liệu xấu.
  • Thiết kế hệ thống lọc bụi xyclon chùm (Chương 7): Hướng dẫn tính toán thiết bị tách tro bay bảo vệ môi trường cho các lò đốt sinh khối quy mô công nghiệp vừa và nhỏ.

Câu hỏi thường gặp

1. Thành phần hóa học và nhiệt trị làm việc của nhiên liệu trấu được sử dụng trong tính toán thiết kế là gì?

Thành phần làm việc của nhiên liệu trấu được xác lập trong Chương 4 gồm: hàm lượng tro $A^{lv} = 19,52%$, độ ẩm $W^{lv} = 9,95%$, carbon $C^{lv} = 34,61%$, hydro $H^{lv} = 3,79%$, oxy $O^{lv} = 41,58%$, nitơ $N^{lv} = 0,44%$ và lưu huỳnh $S^{lv} = 0,06%$. Nhiệt trị thấp làm việc của trấu đạt $Q_t^{lv} = 14.000\text{ kJ/kg}$, khối lượng riêng xốp là $\rho = 100\text{ kg/m}^3$.

2. Tại sao lò hơi tầng sôi tuần hoàn có thể giảm phát thải khí NOx xuống mức 100–300 ppm?

Lượng $\text{NO}_x$ phát thải thấp là do nhiệt độ cháy trong buồng lửa tầng sôi được duy trì ổn định ở mức thấp ($800\div900^\circ\text{C}$), ngăn chặn hoàn toàn cơ chế hình thành $\text{NO}_x$ nhiệt (vốn chỉ xảy ra mạnh khi nhiệt độ $>1500^\circ\text{C}$). Ngoài ra, phương thức cấp gió phân tầng và sự hiện diện mật độ cao của các hạt chất rắn nóng trong buồng lửa đóng vai trò xúc tác hoàn nguyên $\text{NO}_x$ đã hình thành trở lại thành $\text{N}_2$.

3. Điều kiện kỹ thuật tối ưu để khử SO2 bằng đá vôi trực tiếp trong buồng lửa là gì?

Phản ứng khử $\text{SO}_2$ bằng $\text{CaCO}_3$ diễn ra đạt hiệu suất cao nhất ở nhiệt độ $820\div850^\circ\text{C}$. Tỷ số mol $\text{Ca/S}$ tối ưu được lựa chọn trong khoảng $1,7\div2$. Kích thước hạt đá vôi yêu cầu nhỏ hơn $70\ \mu\text{m}$, trong đó lượng hạt có kích thước dưới $11\ \mu\text{m}$ phải chiếm trên $50%$ để tối đa hóa diện tích tiếp xúc phản ứng.

4. Tại sao tổn thất nhiệt do xỉ ($q_6$) trong cân bằng nhiệt của lò tầng sôi đốt trấu được tính bằng 0?

Trong công nghệ lò hơi tầng sôi, nhiên liệu trấu được cấp vào và xáo trộn mãnh liệt trong lớp cát sôi, quá trình cháy diễn ra liên tục ở nhiệt độ $800\div900^\circ\text{C}$ (thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của tro trấu). Do đó, tro không bị nóng chảy đóng thành tảng xỉ đáy lò mà chủ yếu tồn tại ở dạng hạt tro xốp mịn bị dòng khói cuốn theo ra ngoài dưới dạng tro bay ($q_6 = 0%$).

5. Tro trấu thu hồi từ lò hơi tầng sôi có đặc tính gì và ứng dụng trong lĩnh vực nào?

Tro trấu sinh ra từ lò tầng sôi có hàm lượng $\text{SiO}_2$ lên đến $91%$ ở dạng cấu trúc vô định hình do không bị nhiệt độ cao làm biến tính tinh thể. Dạng tro xốp này là chất phụ gia hoạt tính cao dùng trong sản xuất vật liệu xây dựng như xi măng chịu lửa, gạch chịu lửa, tấm cách âm và vật liệu composite.

Kết luận

Thuyết minh đồ án tốt nghiệp của tác giả Tạ Thanh Phương đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật hệ thống lò hơi tầng sôi tuần hoàn công suất 3 MW sinh hơi bão hòa 10 bar sử dụng nhiên liệu trấu. Công trình đã giải quyết đồng bộ các bài toán nhiệt động học, thủy động lực học tầng sôi, tính toán cân bằng nhiệt, trao đổi nhiệt các bề mặt và thiết kế hệ thống xử lý khí thải theo tiêu chuẩn kỹ thuật. Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng công nghệ tầng sôi tuần hoàn để đốt kiệt nguồn sinh khối phế phẩm nông nghiệp, đồng thời kiểm soát hiệu quả các phát thải độc hại $\text{NO}_x$ và $\text{SO}_x$ ngay trong buồng đốt.