Mô Phỏng Quá Trình Cháy Kết Hợp Giữa Than và Sinh Khối

Chuyên khảo phân tích Mô phỏng quá trình cháy kết hợp giữa than và sinh khối, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Nguyễn Tiến Anh
• Người hướng dẫn: TS. Lê Kiều Hiệp
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
• Đề tài: Mô Phỏng Quá Trình Cháy Kết Hợp Giữa Than Và Sinh Khối
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐỐT THAN PHUN VÀ ĐỒNG ĐỐT THAN – SINH KHỐI
• 1.1. Cấu trúc và tính chất của nhiên liệu rắn
• 1.2. So sánh quá trình cháy than và cháy sinh khối
• 1.3. Đặc tính cháy
• 1.4. Quá trình biến đổi nhiệt hóa học của nhiên liệu rắn
• 1.5. Quá trình oxy hóa cốc (phản ứng dị thể)
• 1.6. Một số nghiên cứu về công nghệ đồng đốt than và sinh khối
• 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU
• 2.1. Mô hình hình học
• 2.2. Nhiên liệu và đặc tính của nhiên liệu
• 2.3. Các trường hợp mô phỏng
• 2.4. Các điều kiện biên
• 2.5. Chia lưới và độ hội tụ của lưới
• 3. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY THAN PHUN TRONG BUỒNG ĐỐT THỰC NGHIỆM
• 3.1. Quá trình thoát chất bốc trong buồng đốt
• 3.2. Phân bố nhiệt độ trong buồng đốt
• 3.3. Nồng độ các sản phẩm cháy trong buồng đốt
• 4. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐỒNG ĐỐT THAN VÀ SINH KHỐI TRONG BUỒNG ĐỐT THỰC NGHIỆM
• 4.1. Quá trình thoát chất bốc trong buồng đốt
• 4.2. Phân bố nhiệt độ trong buồng đốt
• 4.3. Nồng độ các sản phẩm cháy trong buồng đốt
• 5. Hướng phát triển của luận văn trong tương lai
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan về Mô Phỏng Cháy Than và Sinh Khối Hiện Nay

Ngày nay, đồng đốt than với sinh khối đang được thúc đẩy mạnh mẽ như một giải pháp thay thế cho nhiên liệu hóa thạch, giảm sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng truyền thống. Giải pháp này được ưu tiên vì không làm thay đổi quá nhiều đến chế độ nhiệt của lò. Sinh khối, có nguồn gốc từ sản xuất nông nghiệp hoặc công nghiệp, là nhiên liệu đốt sạch, đóng góp một lượng đáng kể năng lượng cần thiết ở các nước phát triển và đang phát triển. Hơn nữa, đồng đốt than với sinh khối có thể giảm đáng kể phát thải khí nhà kính, cũng như phát thải NOx và SOx, góp phần bảo vệ môi trường. Tại Việt Nam, việc nghiên cứu áp dụng công nghệ đồng đốt than sinh khối đang được triển khai ở các nhà máy nhiệt điện. Do việc thí nghiệm trực tiếp trên các lò hơi của nhà máy nhiệt điện mang nhiều rủi ro và tốn kém về mặt chi phí, việc xây dựng buồng đốt thí nghiệm và sử dụng công cụ mô phỏng CFD được đề xuất.

1.1. Lợi ích của năng lượng sạch từ sinh khối trong phát điện

Năng lượng sạch từ sinh khối mang lại nhiều lợi ích. Theo nghiên cứu của Đại học Bách Khoa Hà Nội, sinh khối giúp giảm phát thải khí nhà kính và các chất ô nhiễm khác so với đốt than truyền thống. Việc sử dụng sinh khối còn góp phần đa dạng hóa nguồn cung năng lượng, tăng cường an ninh năng lượng quốc gia và thúc đẩy phát triển kinh tế nông thôn.

1.2. Ứng dụng mô hình hóa quá trình cháy trong ngành nhiệt điện

Mô hình hóa quá trình cháy, đặc biệt là sử dụng động lực học chất lỏng tính toán (CFD), đóng vai trò quan trọng trong thiết kế và vận hành lò hơi. Mô hình giúp dự đoán hiệu suất cháy, phân bố nhiệt độ và nồng độ các chất ô nhiễm, từ đó tối ưu hóa quá trình đốt và giảm thiểu phát thải. Các nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam đang dần ứng dụng phần mềm mô phỏng cháy để nâng cao hiệu quả hoạt động.

1.3. Tổng quan về nhiên liệu than và sinh khối

Nhiên liệu than đá và sinh khối được phân loại và đánh giá dựa trên các đặc tính vật lý và hóa học, bao gồm thành phần công nghệ (độ ẩm, chất bốc, carbon cố định, tro) và thành phần hóa học (carbon, hydro, oxy, nitơ, lưu huỳnh). Thành phần này ảnh hưởng đến tốc độ cháy, đặc tính cháy và sự hình thành khí thải trong quá trình đốt.

II. Thách Thức Giảm Phát Thải Từ Đốt Than Mô Phỏng Giải Pháp

Mặc dù than vẫn là nguồn năng lượng quan trọng, việc đốt than gây ra nhiều vấn đề về môi trường, đặc biệt là phát thải khí nhà kính và các chất ô nhiễm khác. Do đó, việc tìm kiếm các giải pháp giảm phát thải là vô cùng cấp thiết. Mô phỏng quá trình cháy đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ đốt than sạch, bao gồm công nghệ đốt than hiệu suất cao, công nghệ đồng đốt than sinh khối, và công nghệ thu giữ carbon (CCS). Nghiên cứu của Nguyễn Tiến Anh tại Đại học Bách Khoa Hà Nội cho thấy mô phỏng CFD có thể giúp tối ưu hóa các thông số vận hành lò hơi để giảm thiểu phát thải NOx và SOx.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả đốt than và phát thải

Hiệu quả đốt than và lượng phát thải phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm loại than, thiết kế lò hơi, chế độ vận hành, và công nghệ xử lý khí thải. Mô phỏng có thể giúp xác định ảnh hưởng của từng yếu tố đến quá trình cháy và đưa ra các giải pháp tối ưu hóa. Ví dụ, việc tăng góc xoáy của dòng không khí cấp 2 có thể ảnh hưởng đến hình dạng ngọn lửa và nồng độ các chất ô nhiễm.

2.2. Giải pháp giảm phát thải từ đốt than Từ lý thuyết đến mô phỏng

Các giải pháp giảm phát thải từ đốt than bao gồm sử dụng than chất lượng cao, cải tiến thiết kế lò hơi, áp dụng công nghệ đồng đốt than sinh khối, và lắp đặt các hệ thống xử lý khí thải như lọc bụi tĩnh điện, khử NOx, và khử SOx. Mô phỏng giúp đánh giá hiệu quả và chi phí của từng giải pháp trước khi triển khai thực tế. Nghiên cứu cho thấy đồng đốt than với sinh khối có thể giúp giảm phát thải khí nhà kính đáng kể.

2.3. Phân tích thành phần công nghệ và hóa học

Phân tích thành phần công nghệ (độ ẩm, chất bốc, carbon cố định, tro) và thành phần hóa học (carbon, hydro, oxy, nitơ, lưu huỳnh) của nhiên liệu là rất quan trọng trong đánh giá đặc tính cháy. Các phép đo này cung cấp số liệu ban đầu để tính toán quá trình cháy và xác định hàm lượng oxy cần thiết.

III. Phương Pháp Mô Phỏng Quá Trình Cháy CFD và Ứng Dụng Thực Tiễn

Động lực học chất lỏng tính toán (CFD) là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng quá trình cháy phức tạp trong lò hơi. Mô phỏng CFD cho phép các kỹ sư hình dung dòng chảy, nhiệt độ, nồng độ các chất trong lò, từ đó hiểu rõ hơn về quá trình cháy và tối ưu hóa thiết kế lò hơi. Phần mềm Ansys Fluent là một trong những phần mềm mô phỏng cháy phổ biến nhất, được sử dụng rộng rãi trong ngành nhiệt điện. Nghiên cứu của Nguyễn Tiến Anh đã sử dụng Ansys Fluent để mô phỏng quá trình cháy than phun và đồng đốt than sinh khối trong lò đốt thí nghiệm.

3.1. Ưu điểm của mô hình CFD so với thí nghiệm thực tế

Mô hình CFD có nhiều ưu điểm so với thí nghiệm thực tế, bao gồm chi phí thấp hơn, thời gian thực hiện nhanh hơn, và khả năng phân tích chi tiết các thông số trong lò. Mô phỏng cũng cho phép thử nghiệm các điều kiện vận hành khác nhau mà không gây rủi ro cho thiết bị và con người.

3.2. Các bước cơ bản trong mô phỏng CFD quá trình cháy

Các bước cơ bản trong mô phỏng CFD quá trình cháy bao gồm xây dựng mô hình hình học, thiết lập các điều kiện biên, chia lưới, chọn mô hình toán học phù hợp (ví dụ: mô hình rối k-epsilon), và giải phương trình. Kết quả mô phỏng cần được kiểm chứng bằng dữ liệu thực nghiệm để đảm bảo độ chính xác.

3.3. Xây dựng mô hình nghiên cứu

Để nghiên cứu quá trình đốt than phun, mô hình CFD của buồng đốt hình trụ với vòi phun xoáy và nhiên liệu là than được xây dựng. Mô hình bao gồm không khí cấp 1 (vận chuyển than bụi) và không khí cấp 2 (đi vào buồng đốt thông qua bộ tạo xoáy hướng trục) để kiểm tra ảnh hưởng của góc xoáy đến đặc tính ngọn lửa.

IV. Mô Phỏng Đồng Đốt Than và Sinh Khối Tối Ưu Tỷ Lệ và Kích Thước Hạt

Đồng đốt than và sinh khối là một giải pháp tiềm năng để giảm phát thải khí nhà kính và các chất ô nhiễm khác. Tuy nhiên, tỷ lệ đồng đốt và kích thước hạt sinh khối có thể ảnh hưởng lớn đến quá trình cháy và hiệu suất lò hơi. Mô phỏng giúp xác định tỷ lệ đồng đốt tối ưu và kích thước hạt sinh khối phù hợp để đạt được hiệu quả cao nhất. Nghiên cứu của Nguyễn Tiến Anh cho thấy việc thay đổi tỷ lệ đồng đốt không làm ảnh hưởng xấu đến quá trình cháy, nhưng nồng độ các chất trong lò có sự thay đổi do thành phần hóa học của than và sinh khối khác nhau. Kích thước hạt sinh khối ảnh hưởng đáng kể đến thời gian cháy.

4.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ đồng đốt đến hiệu quả cháy và phát thải

Tỷ lệ đồng đốt ảnh hưởng đến hiệu quả cháy, nhiệt độ trong lò, và nồng độ các chất ô nhiễm. Việc tăng tỷ lệ sinh khối có thể làm giảm nhiệt độ trong lò, nhưng cũng có thể giảm phát thải NOx và SOx. Mô phỏng giúp đánh giá tác động của tỷ lệ đồng đốt đến các thông số này và tìm ra tỷ lệ tối ưu.

4.2. Vai trò của kích thước hạt sinh khối trong quá trình đồng đốt

Kích thước hạt sinh khối ảnh hưởng đến thời gian cháy và phân bố nhiệt độ trong lò. Hạt sinh khối lớn hơn có thời gian cháy lâu hơn, có thể dẫn đến cháy không hoàn toàn và tăng phát thải CO. Mô phỏng giúp xác định kích thước hạt sinh khối phù hợp để đảm bảo cháy hoàn toàn và giảm thiểu phát thải.

4.3. Kết quả mô phỏng và đánh giá

Kết quả cho thấy việc tăng góc xoáy dòng không khí cấp 2 làm vùng cháy chính dịch chuyển về phía gần mỏ đốt. Nhiệt độ cực đại trong buồng giảm khi tăng góc xoáy, nhưng nhiệt độ khói ra khỏi buồng không thay đổi đáng kể. Việc đồng đốt than và sinh khối với tỷ lệ và kích thước hạt thích hợp không làm thay đổi chế độ nhiệt độ của lò.

V. Ứng Dụng và Triển Vọng của Mô Phỏng Trong Năng Lượng Sạch

Việc ứng dụng mô phỏng trong lĩnh vực năng lượng sạch không chỉ giới hạn ở đốt than và sinh khối. Mô phỏng còn có thể được sử dụng để tối ưu hóa các hệ thống năng lượng tái tạo khác như điện gió, điện mặt trời, và địa nhiệt. Trong tương lai, mô phỏng sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng trong việc phát triển các giải pháp năng lượng sạch hiệu quả và bền vững. Các kết quả nghiên cứu của luận văn là tiền đề vững chắc để áp dụng thử nghiệm công nghệ đồng đốt ở quy mô phòng thí nghiệm, tiến dần đến việc áp dụng ở quy mô công nghiệp khi các điều kiện tài chính – kỹ thuật cho phép.

5.1. Tiềm năng của mô phỏng trong thiết kế lò hơi hiệu suất cao

Mô phỏng giúp thiết kế lò hơi có hiệu quả đốt cao hơn, giảm thiểu phát thải, và tiết kiệm nhiên liệu. Mô phỏng cũng cho phép thử nghiệm các vật liệu và công nghệ mới mà không cần xây dựng lò hơi thực tế.

5.2. Chính sách năng lượng và vai trò của mô phỏng trong quá trình ra quyết định

Mô phỏng có thể cung cấp thông tin quan trọng cho quá trình ra quyết định về chính sách năng lượng. Mô phỏng giúp đánh giá tác động của các chính sách khác nhau đến hiệu quả năng lượng, phát thải, và chi phí. Từ đó, các nhà hoạch định chính sách có thể đưa ra các quyết định sáng suốt hơn.

5.3. Hướng phát triển của luận văn trong tương lai

Nghiên cứu đề xuất hướng phát triển trong tương lai là mở rộng mô hình để bao gồm các quá trình phức tạp hơn như sự hình thành tro và tương tác giữa tro và thành lò. Cần tiến hành thêm các thí nghiệm để xác nhận và cải thiện độ chính xác của mô hình. Nghiên cứu cũng có thể mở rộng sang các loại sinh khối khác nhau và các cấu hình lò đốt khác nhau.

Nội dung chính

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐỐT THAN PHUN VÀ ĐỒNG ĐỐT THAN – SINH KHỐI Trong chương này, nghiên cứu tổng quan về quá trình đốt cháy nhiên liệu rắn sẽ được trình bày. Đầu tiên, tính chất của than và sinh khối sẽ được trình bày mô tả. Sau đó, luận văn trình bày sơ lược về các quá trình cháy và ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau như nhiệt độ, kích thước hạt, tốc độ tỏa nhiệt đối với các quá trình này.

Cuối cùng, phần thảo luận tổng quan về các nghiên cứu và các mô hình được sử dụng để mô hình hóa các quá trình đốt cháy sẽ được trình bày.1 Cấu trúc và tính chất của nhiên liệu rắn Các công nghệ đốt như đốt lớp chặt, đốt tầng sôi và đốt nhiên liệu bụi áp dụng cho nhiều loại nhiên liệu rắn cacbon từ nhiên liệu cấp thấp đến nhiên liệu cấp cao [1]. Nhiên liệu rắn dùng trong quá trình đốt cháy và khí hóa được phân thành hai loại chính sau: 1. Nhiên liệu hóa thạch, đại diện bởi than đá (nhiên liệu cấp cao như bitum và than antraxit và cấp thấp như than subbitum, than nâu và than bùn). Nhiên liệu tái tạo được như sinh khối, biogas, … (nhiên liệu cấp thấp).

Thành phần nhiên liệu có ảnh hưởng quyết định đến đặc tính, tốc độ đốt cháy nhiên liệu rắn và sự hình thành khí thải. Mô hình hóa quá trình đốt cháy hoặc khí hóa nhiên liệu rắn yêu cầu dữ liệu về các đặc tính vật lý và hóa học. Để đánh giá các đặc tính của than hoặc sinh khối có ảnh hưởng đến thiết kế và vận hành của các hệ thống đốt, một số loại phân tích được thực hiện bao gồm: • Phân tích thành phần công nghệ, bao gồm một loạt các thử nghiệm đốt nóng và đốt cháy nhiên liệu rắn, đồng thời xác định tỷ lệ phần trăm độ ẩm, chất bốc, carbon cố định và tro. • Phân tích thành phần hóa học, đưa ra phân tích hàm lượng các nguyên tố carbon, hydro, nitơ, lưu huỳnh và oxy.

• Xác định nhiệt trị bằng cách đốt cháy mẫu nhiên liệu trong bom nhiệt lượng. • Phân tích khả năng nghiền và xác định chỉ số trương nở. • Xác định phân bố kích cỡ hạt. Thành phần của bất kỳ nhiên liệu nào, trong phân tích nhiên liệu tiêu chuẩn, được xác định bằng thành phần công nghệ và thành phần hóa học.

Các phương pháp được sử dụng để phân tích như vậy được mô tả kỹ lưỡng trong [2, 3]. Nhiên liệu hóa thạch và tái tạo bao gồm hai phần: chất cháy và chất vô cơ trơ (chất khoáng). Phản ứng cháy của các chất cháy là nguyên nhân chính phát sinh nhiệt năng của nhiên liệu. Các chất vô cơ trơ tuy không tham gia phản ứng cháy nhưng là thành phần chính của tro, xỉ.

Bài toán về xử lý tro, xỉ chính là những bài toán kỹ thuật lớn liên quan đến thiết kế và vận hành lò. Hàm lượng các chất vô cơ trơ này thường được xác định bằng hàm lượng tro của nhiên liệu do quy trình xác định hàm lượng chất khoáng phức tạp hơn rất nhiều so với quy trình xác định hàm lượng tro. Các phép đo và phân tích thành phần công nghệ (độ ẩm, chất bốc, cacbon cố 1 định và tro) cung cấp các số liệu ban đầu phục vụ tính toán quá trình cháy nhiên liệu. Các nguyên tố hóa học chính trong hầu hết các nhiên liệu rắn, bao gồm carbon (C), hydro (H), oxy (O), lưu huỳnh (S) và nitơ (N).

Các thành phần khác nhau với số lượng khác nhau như clo (Cl), kali (K) và natri (Na) có thể có trong mẫu nhiên liệu. Phân tích thành phần hóa học đưa ra ước tính đầu tiên về thành phần sản phẩm cháy. Các tính toán quá trình cháy, hàm lượng oxy cần thiết, lượng khí thải và thành phần khí thải đều dựa trên thành phần hóa học của nhiên liệu. So với than đá, tỷ lệ hàm lượng hydro/carbon (H/C) và oxy/carbon (O/C) của sinh khối có giá trị cao hơn.

Tỷ lệ H/C và O/C của các loại nhiên liệu sinh khối, than bùn, than non, than đá và than antraxit được thể hiện trong Hình 1. Cấp độ của nhiên liệu tăng khi hàm lượng oxy giảm và hàm lượng carbon tăng, đồng nghĩa với tỷ lệ H/C và tỷ lệ O/C giảm như minh họa trong Hình 1.1 Thành phần hóa học của các loại nhiên liệu rắn [5].2 Cấp độ than theo tỷ lệ nguyên tử H/C và O/C [6]. Để đơn giản hóa trong nhiều mô hình đốt cháy, than được giả định chỉ bao gồm cacbon và thành phần nguyên tố của chất bốc được xác định từ thành phần công nghệ và thành phần hóa học của nhiên liệu rắn. Các tính chất khác của nhiên 2 liệu và các điều kiện của quá trình như tỷ lệ khối lượng không khí/nhiên liệu và nhiệt độ rất quan trọng trong quá trình đốt cháy.

Ngoài ra, kích thước hạt của nhiên liệu rắn trong các mô hình cháy có sự khác biệt, tùy thuộc vào kỹ thuật nghiền thành hạt và các mục đích sử dụng. Kích thước hạt đóng vai trò cơ bản trong quá trình đốt cháy và khí hóa nhiên liệu rắn. Do đó, khi các hạt nhiên liệu rắn được đưa vào buồng đốt hoặc thiết bị khí hóa, chúng có nhiều kích cỡ khác nhau và các hạt nhỏ hơn được dòng khí mang theo có xu hướng được tiêu thụ nhanh hơn và dễ dàng hơn những hạt lớn hơn. Do đó, khi thi ết kế hệ thống nhiên liệu cấp vào, cần phải xác định được phân bố kích thước hạt nhiên liệu.

Nhiên liệu hóa thạch (than đá) Than đá là loại nhiên liệu màu đen, không đồng nhất, được hình thành từ quá trình phân hủy một phần nguyên liệu thực vật. Nó được sử dụng chủ yếu làm nhiên liệu, vì vậy nhiệt trị của nó là thông số quan trọng nhất. Cấu trúc của than thay đổi tùy theo thời gian, phạm vi nhiệt độ. Thông thường, cấu trúc than bao gồm nhiều vòng thơm gồm 5 hoặc 6 nguyên tử cacbon liên kết với các nguyên tử chủ yếu là hydro, nitơ, lưu huỳnh và oxy [7].

Than là hỗn hợp của chất hữu cơ dễ cháy và chất khoáng. Quá trình địa chất chuyển đổi các nguyên liệu thực vật thành than, được thể hiện trong Hình 1.3, được gọi là quá trình hình thành than (coalification). Nó diễn ra theo từng giai đoạn để hình thành nên các loại than khác nhau. Nhiệt độ và áp suất tăng cao đã gây ra những thay đổi về vật lý và hóa học trong nguyên liệu thực vật ban đầu và kết quả là nó biến đổi thành than bùn đầu tiên, sau đó thành than non (than nâu) và cuối cùng thành than cứng.3 Quá trình hình thành than [8].

Trong quá trình hình thành than, cấp độ than tăng dần từ than non đến than antraxit. Như thể hiện trong Bảng 1.2, càng về cấp độ sau của quá trình hình thành than, hàm lượng oxy và hydro giảm xuống, đồng nghĩa với việc hàm lượng carbon tăng lên. Vì vậy, việc xác định đúng đặc tính của than và phân loại các loại than một cách hợp lý là rất cần thiết.1 Đặc tính nhiên liệu tăng dần độ than hóa (theo % khối lượng - DAF) [9]. Vật liệu Độ ẩm C (DAF) H (DAF) O (DAF) Gỗ 10-15 50 6.2 Tính chất của than theo bậc tăng dần (theo % khối lượng - DAF) [10] Loại than Ẩm Chất bốc C H O LHV Than non 31-70 42-65 62-73 4.9 Than bitum Lượng chất bốc cao 1-21 32-49 76-88 4.2 Lượng chất bốc vừa 1-4 20-32 84-91.2 Lượng chất bốc thấp 1-2 9-20 90.6 Về phân loại cấp than, một số công trình nghiên cứu đã tập trung phân tích về các thành phần của nhiên liệu.

Trong số đó có công trình của Averit [11] và Hensel [12]. Than được phân cấp từ than bùn đến than antraxit và được tóm tắt dưới đây về hàm lượng của nhiên liệu trên cơ sở nhiên liệu khô và không có tro (wt. DAF): (1) Than Antraxit có tỷ lệ phần trăm chất bốc từ 1.8 - 10% và carbon từ 91 - 94. Tỷ lệ carbon/hydro (C/H) nằm trong khoảng từ 23.4 - 46 và entanpy đốt cháy nằm trong khoảng từ 34.

(2) Đối với than bitum, tỷ lệ này nằm trong khoảng từ 19 - 44.6% đối với chất bốc và từ 77.9% đối với carbon. Tỉ lệ C/H nằm trong khoảng từ 14.2, trong khi entanpy đốt cháy nằm trong khoảng từ 32 - 36. (3) Tỷ lệ phần trăm chất bốc của than á bitum là từ 44.7% và của carbon là từ 73. C/H nằm trong khoảng từ 14.6 và entanpy đốt cháy nằm trong khoảng từ 29 – 30.

(4) Hàm lượng cacbon và chất bốc của than bùn lần lượt là khoảng 47 và 71%. Tỉ lệ C/H và entanpy đốt cháy lần lượt là khoảng 14. Tại Hoa Kỳ, Hiệp hội Thử nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ (ASTM) sử dụng phương pháp phân loại dựa trên một số tham số thu được từ các thử nghiệm đối với hàm lượng carbon cố định cũng như các tính chất vật lý khác của nhiên liệu. Người ta phân biệt bốn loại than và mỗi loại lại được chia thành nhiều nhóm như trong Bảng 1.

Phương pháp này dựa trên phân tích thành phần công nghệ. Than chứa ít hơn 31% chất bốc trên cơ sở nhiên liệu không có chất khoáng được phân loại theo hàm lượng cacbon cố định. Tỷ lệ nhiên liệu, là tỷ lệ giữa cacbon cố định với chất bốc, dùng để phân loại cấp độ than. Nói chung, than có hạng cao có hàm lượng cacbon cố định cao và hàm lượng chất bốc thấp, dẫn đến tỷ lệ nhiên liệu tăng.3 Phân loại than antraxit và than bitum theo cấp bậc (ASTM D 388-05) [13].

Giới hạn carbon cố định Giới hạn chất bốc (Nhiên liệu khô và (Nhiên liệu khô và không có khoáng), % không có khoáng), % Giới hạn Giới hạn Giới hạn Giới hạn Cấp bậc trên dưới trên dưới Than meta-Anthracite 98 x x 2 Than Anthracite 92 98 2 8 Than Semi-anthracite 86 92 8 14 Than bitum (lượng chất bốc 78 86 14 22 thấp) Than bitum (lượng chất bốc 69 78 22 31 vừa) Than bitum (lượng chất bốc x 69 31 x cao loại A) Bảng 1.4 Phân loại than bitum, sub-bitum và than bùn theo cấp bậc (ASTM D 388-05) [13]. Giới hạn nhiệt trị cao (đối với nhiên liệu không có ẩm và bỏ khoáng) Btu/Ib MJ/kg Cấp bậc Giới hạn Giới hạn Giới hạn Giới hạn trên dưới trên dưới Than bitum A (lượng chất bốc 14000 n/a 32.557 n/a cao) Than bitum B (lượng chất bốc 13000 14000 30.557 cao) Than bitum C (lượng chất bốc 11500 13000 26.232 cao) Than sub-bitum A 10500 11500 24.743 Than sub-bitum B 9500 10500 22.418 Than sub-bitum C 8300 9500 19.65 Nhiên liệu tái tạo (sinh khối) Sinh khối bao gồm rất nhiều loại.