Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nhu cầu năng lượng ngày càng tăng và áp lực giảm phát thải khí nhà kính, việc đồng đốt than với sinh khối được xem là giải pháp tiềm năng nhằm thay thế nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Theo báo cáo của ngành, sinh khối là nguồn nhiên liệu tái tạo có khả năng giảm phát thải CO2, NOx và SOx, đồng thời duy trì hiệu suất cháy ổn định trong các lò đốt than phun. Luận văn tập trung nghiên cứu mô phỏng quá trình cháy kết hợp giữa than và sinh khối trong buồng đốt thí nghiệm công suất 100 kW, sử dụng phần mềm Ansys Fluent để phân tích ảnh hưởng của góc xoáy dòng không khí cấp 2, tỷ lệ đồng đốt và kích thước hạt sinh khối đến đặc tính cháy và phát thải khí.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là xây dựng mô hình CFD mô phỏng quá trình đốt than phun và đồng đốt than với sinh khối, từ đó đánh giá hiệu quả cháy, phân bố nhiệt độ và nồng độ các khí thải trong buồng đốt. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 3/2022 đến tháng 3/2023 tại Khoa Năng lượng Nhiệt, Trường Cơ khí, Đại học Bách khoa Hà Nội, với phạm vi tập trung vào buồng đốt thí nghiệm và mô hình hóa quá trình cháy trong điều kiện thực tế tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ đồng đốt than sinh khối, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu trong các nhà máy nhiệt điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về quá trình cháy nhiên liệu rắn, bao gồm:

  • Lý thuyết cháy nhiên liệu rắn: Quá trình cháy được chia thành các giai đoạn chính như thoát chất bốc (phân hủy nhiệt), cháy chất bốc trong pha khí và oxy hóa cốc (phản ứng dị thể). Các cơ chế hóa học và vật lý trong quá trình này được mô tả chi tiết, bao gồm ảnh hưởng của nhiệt độ, kích thước hạt và thành phần nhiên liệu đến tốc độ cháy và phát thải khí.
  • Mô hình CFD (Computational Fluid Dynamics): Sử dụng phần mềm Ansys Fluent để mô phỏng dòng chảy, truyền nhiệt và phản ứng cháy trong buồng đốt. Mô hình áp dụng mô hình k-ε và mô hình dòng rối bậc hai để tính toán dòng xoáy, đồng thời mô phỏng phân bố nhiệt độ và nồng độ các khí O2, CO2, CO, NOx, SO2.
  • Khái niệm chính: Thành phần công nghệ và hóa học của nhiên liệu (độ ẩm, chất bốc, carbon cố định, tro, hàm lượng C, H, O), tỷ lệ đồng đốt, kích thước hạt nhiên liệu, góc xoáy dòng không khí cấp 2, hiệu suất cháy, phát thải khí nhà kính.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực nghiệm từ buồng đốt thí nghiệm công suất 100 kW, mô hình hình học buồng đốt hình trụ đường kính 600 mm, chiều cao 1500 mm, với mỏ đốt có bộ tạo xoáy điều chỉnh góc xoáy từ 0° đến 15°. Nhiên liệu gồm than 5a.1 và viên nén sinh khối gỗ với kích thước hạt từ 50 μm đến 500 μm.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình CFD được xây dựng với 684,990 phần tử lưới, đã được kiểm tra tính độc lập lưới qua các mật độ khác nhau để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả tính toán.
  • Phương pháp phân tích: Mô phỏng các trường hợp đốt than đơn thuần với các góc xoáy khác nhau (0°, 5°, 10°, 15°) để xác định góc xoáy tối ưu. Tiếp đó, mô phỏng đồng đốt than với sinh khối ở các tỷ lệ 10%, 20%, 30% và kích thước hạt sinh khối đa dạng để đánh giá ảnh hưởng đến nhiệt độ, hình dạng ngọn lửa và nồng độ khí thải.
  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 3/2022 đến tháng 3/2023, bao gồm giai đoạn xây dựng mô hình, chạy mô phỏng, phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của góc xoáy dòng không khí cấp 2: Khi tăng góc xoáy từ 0° đến 15°, vùng cháy chính dịch chuyển gần mỏ đốt hơn và lan rộng về phía vách lò. Nhiệt độ cực đại trong buồng đốt giảm từ khoảng 2064 K xuống còn 1833 K, tuy nhiên nhiệt độ khói ra không thay đổi đáng kể. Hàm lượng O2 tiêu thụ nhanh hơn khi góc xoáy tăng, cho thấy sự hòa trộn nhiên liệu và không khí được cải thiện.
  2. Tác động của tỷ lệ đồng đốt sinh khối: Tăng tỷ lệ sinh khối từ 10% lên 30% làm giảm nhẹ trường nhiệt độ trong buồng đốt, nhiệt độ đỉnh dao động trong khoảng 1707 K đến 1857 K. Việc đồng đốt không làm thay đổi chế độ nhiệt độ tổng thể của lò, đồng thời không ảnh hưởng xấu đến quá trình cháy.
  3. Ảnh hưởng của kích thước hạt sinh khối: Kích thước hạt sinh khối tăng từ 50 μm đến 500 μm làm thời gian cháy sinh khối kéo dài, vùng thoát chất bốc dịch chuyển xa mỏ đốt hơn và lan rộng về phía vách lò. Kích thước hạt lớn làm thay đổi đáng kể hình dạng ngọn lửa và phân bố nhiệt độ trong buồng đốt.
  4. Phân bố nồng độ khí thải: Nồng độ CO và NOx trong buồng đốt giảm khi tăng góc xoáy và tỷ lệ sinh khối đồng đốt. Nồng độ SO2 thấp nhất ghi nhận ở góc xoáy 10°, tỷ lệ sinh khối 30%. Nồng độ CO thấp nhất tương ứng với trường hợp có nhiệt độ đỉnh cao nhất, cho thấy hiệu quả cháy được cải thiện.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy góc xoáy dòng không khí cấp 2 là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt độ và hiệu quả cháy trong buồng đốt. Việc tăng góc xoáy làm tăng khả năng hòa trộn nhiên liệu và không khí, giảm vùng thiếu khí, từ đó giảm phát thải CO và NOx. So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả này phù hợp với báo cáo của Abbas và cộng sự về ảnh hưởng của chế độ phun nhiên liệu đến hiệu quả cháy và khí thải.

Tỷ lệ đồng đốt sinh khối trong khoảng 10-30% không làm thay đổi đáng kể chế độ nhiệt độ, phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy đồng đốt sinh khối giúp giảm phát thải khí nhà kính mà không ảnh hưởng đến hiệu suất lò. Kích thước hạt sinh khối là yếu tố quyết định thời gian cháy và vị trí thoát chất bốc, ảnh hưởng đến thiết kế và vận hành buồng đốt. Kết quả này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kiểm soát kích thước hạt sinh khối để tối ưu hóa quá trình đồng đốt.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố nhiệt độ dọc trục buồng đốt, hình dạng ngọn lửa với các góc xoáy khác nhau, và bảng so sánh nồng độ khí thải theo tỷ lệ đồng đốt và kích thước hạt sinh khối, giúp minh họa rõ ràng ảnh hưởng của các yếu tố nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa góc xoáy dòng không khí cấp 2: Khuyến nghị sử dụng góc xoáy khoảng 10° để cân bằng giữa hiệu quả cháy và giảm phát thải khí độc hại. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư vận hành lò hơi, thời gian áp dụng trong vòng 6 tháng.
  2. Kiểm soát tỷ lệ đồng đốt sinh khối: Đề xuất duy trì tỷ lệ sinh khối đồng đốt trong khoảng 10-30% để đảm bảo hiệu suất cháy và giảm phát thải. Các nhà quản lý năng lượng và kỹ thuật nhiệt cần phối hợp triển khai trong kế hoạch vận hành hàng năm.
  3. Quản lý kích thước hạt sinh khối: Cần thiết lập tiêu chuẩn kích thước hạt sinh khối dưới 150 μm để đảm bảo thời gian cháy phù hợp và ổn định quá trình đốt. Các nhà cung cấp nguyên liệu và phòng thí nghiệm nên phối hợp kiểm soát chất lượng trong vòng 3 tháng.
  4. Phát triển mô hình mô phỏng CFD mở rộng: Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục mở rộng mô hình CFD cho quy mô công nghiệp, bao gồm đánh giá tải nhiệt và xử lý khí thải. Các viện nghiên cứu và doanh nghiệp nhiệt điện nên hợp tác thực hiện trong 1-2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành nhà máy nhiệt điện: Nắm bắt các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả cháy và phát thải khí, áp dụng tối ưu hóa vận hành lò đốt than sinh khối.
  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật nhiệt: Tham khảo phương pháp mô phỏng CFD và các kết quả nghiên cứu về đồng đốt nhiên liệu rắn, phục vụ phát triển đề tài và luận văn.
  3. Chuyên gia môi trường và quản lý năng lượng: Hiểu rõ tác động của đồng đốt sinh khối đến phát thải khí nhà kính và các khí độc hại, từ đó đề xuất chính sách và giải pháp giảm thiểu ô nhiễm.
  4. Nhà cung cấp nguyên liệu sinh khối và than: Định hướng kiểm soát chất lượng nguyên liệu, đặc biệt về kích thước hạt và thành phần hóa học để phù hợp với yêu cầu vận hành lò đốt.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải sử dụng mô hình CFD trong nghiên cứu đồng đốt than và sinh khối?
    Mô hình CFD giúp mô phỏng chi tiết dòng chảy, truyền nhiệt và phản ứng cháy trong buồng đốt, giảm chi phí và rủi ro so với thí nghiệm thực tế. Ví dụ, mô hình cho phép đánh giá ảnh hưởng của góc xoáy và kích thước hạt đến hiệu quả cháy.

  2. Ảnh hưởng của kích thước hạt sinh khối đến quá trình cháy như thế nào?
    Kích thước hạt lớn làm tăng thời gian cháy, dịch chuyển vùng thoát chất bốc xa mỏ đốt hơn, ảnh hưởng đến hình dạng ngọn lửa và phân bố nhiệt độ. Hạt nhỏ giúp cháy nhanh và đồng đều hơn.

  3. Tỷ lệ đồng đốt sinh khối tối ưu là bao nhiêu?
    Theo mô phỏng, tỷ lệ đồng đốt từ 10% đến 30% sinh khối không làm giảm hiệu suất cháy mà còn giúp giảm phát thải khí độc hại, phù hợp với điều kiện vận hành hiện tại.

  4. Góc xoáy dòng không khí cấp 2 ảnh hưởng thế nào đến quá trình cháy?
    Góc xoáy tăng làm tăng khả năng hòa trộn nhiên liệu và không khí, giảm vùng thiếu khí, từ đó giảm phát thải CO và NOx, đồng thời làm thay đổi hình dạng và vị trí ngọn lửa trong buồng đốt.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
    Kết quả mô phỏng cung cấp cơ sở khoa học để điều chỉnh thiết kế mỏ đốt, chế độ phun nhiên liệu và vận hành lò hơi, giúp các nhà máy nhiệt điện tối ưu hóa hiệu suất và giảm ô nhiễm môi trường.

Kết luận

  • Xây dựng thành công mô hình CFD mô phỏng quá trình cháy than phun và đồng đốt than với sinh khối trong buồng đốt thí nghiệm 100 kW.
  • Góc xoáy dòng không khí cấp 2 ảnh hưởng rõ rệt đến phân bố nhiệt độ, hình dạng ngọn lửa và hiệu quả cháy.
  • Tỷ lệ đồng đốt sinh khối từ 10-30% không làm thay đổi chế độ nhiệt độ tổng thể, đồng thời giảm phát thải khí độc hại.
  • Kích thước hạt sinh khối là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến thời gian cháy và vị trí thoát chất bốc, cần kiểm soát chặt chẽ trong vận hành.
  • Kết quả nghiên cứu là tiền đề vững chắc để triển khai thử nghiệm công nghệ đồng đốt ở quy mô phòng thí nghiệm và tiến tới ứng dụng công nghiệp.

Next steps: Mở rộng mô hình CFD cho quy mô công nghiệp, đánh giá tải nhiệt và xử lý khí thải; triển khai thử nghiệm thực tế tại nhà máy nhiệt điện.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư vận hành nên áp dụng kết quả nghiên cứu để tối ưu hóa công nghệ đồng đốt, góp phần phát triển năng lượng sạch và bền vững.