Chương 1: Giới thiệu chung Chương 2: Tổng quan về công nghệ lò hơi lớp sôi công suất nhỏ Chương 3: Quá trình khí động học & cháy của lò hơi lớp sôi Chương 4: Tính toán thiết kế & tính nhiệt cho lò hơi lớp sôi công suất nhỏ Chương 5: Tiềm năng ứng dụng công nghệ lò hơi lớp sôi công suất nhỏ tại Việt Nam Chương 6: Kết luận - đề xuất 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LÒ HƠI LỚP SÔI CÔNG SUẤT NHỎ 2.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LÒ HƠI LỚP SÔI CÔNG SUẤT NHỎ TẠI VIỆT NAM Công nghệ lớp sôi (FB) đã được nghiên cứu từ những năm 1940 - 1950 tại Đức, Anh nhằm nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt - trao đổi chất trong các hệ thống sấy, chưng cất dầu mỏ, làm sạch quặng, hoặc để đốt than chất lượng thấp (nhiều tro, có hàm lượng lưu huỳnh cao) trong công nghiệp. Từ những năm 1990 trở lại đây, công nghệ lớp sôi tuần hoàn (CFB), một loại hình của FB với đặc điểm vận hành ở dải công suất lớn và có sự tuần hoàn của hạt nhiên liệu trở lại buồng đốt chính nhằm nâng cao hiệu quả cháy của nhiên liệu, giảm phát thải NOx và SOx, đã được nhiều công ty hàng đầu trên thế giới (Foster Willer, Alstom, Babcock & Wilcox, Misubishi Heavy Industry, v.v) nghiên cứu ứng dụng và triển khai rộng rãi chủ yếu trong khu vực sản xuất điện năng tại các nước Mỹ, Pháp, Trung Quốc, Ấn độ, Thuỵ Điển, Ba Lan, Phần Lan, Nhật Bản. Ở Việt Nam, nhu cầu sử dụng than địa phương, chất lượng thấp (độ tro và hàm lượng lưu huỳnh cao), phụ phẩm nông nghiệp (trấu, bã mía) và các nguồn nhiên liệu rắn khác (mẩu gỗ củi, rác công nghiệp, phế thải đô thị, v.v) thay thế cho nguồn nhiên liệu chất lượng cao và nhập khẩu đắt tiền (dầu, khí đốt), để sản xuất điện năng cung cấp lên lưới hoặc phục vụ nhu cầu năng lượng tại chỗ, tăng khả năng cạnh tranh sản xuất hàng hóa và giảm ô nhiễm môi trường đang trở nên hết sức cấp thiết. Công nghệ FB được Viện khoa học và Kỹ thuật điện (nay là Viện năng lượng), Bộ môn Thiết bị năng lượng nhiệt (nay là Bộ môn Máy Năng Lượng, Đại học Bách khoa Hà nội) quan tâm từ những năm 1985-1990.
Tuy nhiên, các hoạt động nghiên cứu cũng chỉ dừng lại ở kết quả lý thuyết thuần túy, chưa đầy đủ, thiếu nghiên cứu thực nghiệm và do vậy chưa tạo ra được một sản phẩm cụ thể nào để có thể được ứng dụng, triển khai trong thực tiễn. 5 Công nghệ FB & CFB thang độ công nghiệp được du nhập vào Việt Nam hoàn toàn theo phương thức chìa khóa trao tay (turnkey) giữa nhà cung cấp thiết bị và chủ đầu tư, như công nghệ đốt than lớp sôi kiểu IGNIFLUID tại công ty giấy và bột giấy Bãi bằng (Phú thọ) vận hành năm 1983 và tại nhà máy dệt Nam định (thành phố Nam Định) vận hành năm 1986. Hai lò hơi công nghệ CFB của hãng Foster Willer lần đầu tiên được sử dụng ở Việt Nam tại công ty nhiệt điện Na Dương (Lạng sơn) do Tập đoàn Than và Khoáng sản Việt nam (VINACOMIN) là chủ đầu tư và có công suất điện 2 x 55 MW. Hệ thống lò hơi - tuabin hơi của công ty đã được đưa vào khai thác thương mại từ tháng 11/2006.
Hai lò hơi CFB khác của hãng Alstom cũng đã được lắp đặt tại công ty nhiệt điện Cao Ngạn (Thái nguyên) do VINACOMIN là chủ đầu tư với công suất điện 2 x 55 MW. Thực tế vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa các lò hơi FB trong khoảng 15 năm qua tại công ty giấy và bột giấy Bãi Bằng, nhà máy dệt Nam Định, nhà máy dệt Vĩnh Phú và đặc biệt là công tác lắp đặt, chạy thử và nghiệm thu các lò hơi CFB mới đây tại công ty điện Na Dương, Cao Ngạn cho thấy còn tồn tại nhiều rào cản kỹ thuật trong việc ứng dụng và khai thác thương phẩm công nghệ FB & CFB ở Việt nam: đặc thù nhiên liệu của than địa phương được khai thác sử dụng tại các cơ sở có lò hơi FB&CFB, công nghệ xử lý phát thải SOx trong buồng đốt CFB chưa phù hợp, năng lực của các cơ sở tiếp quản trong việc làm chủ công nghệ, sử dụng và khai thác thiết bị. Gần đây công nghệ FB được nhóm nghiên cứu do PGS.TS Phạm Hoàng Lương khởi động trở lại đã đạt được một số kết quả tốt như đã nghiên cứu tương đối đầy đủ lý thuyết về công nghệ đốt lớp sôi và lớp sôi tuần hoàn và thiết kế chế tạo thử thành công sản phẩm lò lớp sôi đốt than công suất nhỏ. Tôi là một trong những thành viên trong nhóm nghiên cứu trên nên có điều kiện tiếp cận và sử dụng một số kết quả đã đạt được.2 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÔNG NGHỆ LÒ HƠI LỚP SÔI Đây là một công nghệ đốt được phát triển từ công nghệ đốt trên ghi cố định.
Gió cấp một được thổi từ dưới ghi lên. Khi tốc độ gió đủ lớn sẽ tạo ra một lực cuốn thắng được trọng lực của hạt và khi đó, các hạt sẽ bắt đầu dịch chuyển lên trên tạo ra một lớp hạt lơ lửng giống như một lớp chất lỏng. Các chế độ tương tác giữa khí và hạt phụ thuộc vào tốc độ gió cấp vào bao gồm : lớp cố định, giả lỏng đồng đều, sôi bọt, sôi dạng pittông ( slugging), sôi rối, sôi chèn (choking) và sôi tuần hoàn. Lò hơi lớp sôi hoạt động theo phương thức sôi bọt, chiều cao lớp sôi được giữ cố định trong một khoảng cho phép nào đó.
Không gian cháy chỉ chiếm một phần trong toàn bộ buồng đốt. Gió cấp vào từ quạt có hai nhiệm vụ : + Cung cấp không khí cho quá trình cháy của nhiên liệu, + Tạo và duy trì lớp sôi. Khi tốc độ gió cấp vượt quá tốc độ gió tới hạn, chất rắn sẽ bị thổi bay ra khỏi lớp. Nếu hạt tương đối thô có thể sẽ quay trở lại mặt ghi do ảnh hưởng của trọng lực.
Nếu tiếp tục tăng tốc độ gió thì có thể một bộ phận hoặc toàn bộ chất rắn trên mặt ghi rơi vào trạng thái chuyển động hai hướng : Một hướng đi lên do lực nâng, một hướng đi xuống trở lại mặt ghi do trọng lực. Trạng thái này giống như trạng thái sôi của chất lỏng, tốc độ gió tại đó là umf (tốc độ sôi tối thiểu). Lúc đó, lớp chất rắn chuyển động từ trạng thái lớp cố định sang trạng thái sôi hay lớp sôi. Khi tốc độ gió tiếp tục tăng, toàn bộ lớp sôi sẽ bị phá huỷ, các chất rắn trong lớp sôi đều bị bay ra ngoài, tương tự nếu tốc độ gió quá nhỏ không đủ để nâng khối lượng các hạt lên thì lớp sôi lại trở thành lớp cố định.
Như vậy, trong vận hành lò FB, tốc độ gió cấp vào lò phải nằm trong khoảng giới hạn sau : umf < u < ugiới hạn.3 MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA CÔNG NGHỆ LÒ HƠI LỚP SÔI FB Một buồng lửa của lò hơi FB chứa một khối lượng các hạt rắn, thông thường ở trong khoảng kích thước từ 0,1-0,3 mm [12]. Đá vôi nguyên chất hay đá vôi già (với những lò đốt than nhiều lưu huỳnh và đòi hỏi kiểm soát lượng phát thải lưu huỳnh) 3. Tro từ than (những lò hơi đốt than có hàm lượng tro cao và trung bình và không đòi hỏi khử lưu huỳnh) Đôi khi, phối hợp các hạt liệu lớp sôi cũng được sử dụng. Kích thước của hạt nhiên liệu, đặc biệt với nhiên liệu có hàm lượng tro thấp khác nhau, nó không nhất thiết mang lại một lượng lớn hạt rắn lớp sôi, bởi vì chúng chỉ có thể tạo thành một lượng hạt nhỏ hơn 1-3% [12] tổng lượng hạt rắn lớp sôi trong lò.1 : Sự so sánh các đặc tính thiết kế riêng của các loại lò hơi khác nhau [12].
Ưu điểm cơ bản của lò hơi lớp sôi [11]: Lò hơi lớp sôi có một số các đặc điểm nổi bật hơn so với những lò hơi đốt nhiên liệu rắn khác. Những đặc tính này bao gồm : + Độ mềm dẻo cao trong sử dụng nhiên liệu: Đây là một đặc tính ưu việt chính của lò hơi FB. - Có thể đốt với những loại nhiên liệu có phẩm cấp thấp (độ ẩm lên tới 60%, hàm lượng tro lên tới 70%); - Tính linh động cao của nhiên liệu: cả về kích thước lẫn kiểu loại. Có thể sử dụng đồng thời hoặc luân phiên nhiều loại nhiên liệu: than, sinh khối, phế thải nông nghiệp.
8 + Hiệu suất cháy cao. + Giảm phát thải SOx: Điều khiển có hiệu quả việc giảm khí SO2 trong buồng đốt bằng cách cho phản ứng với CaO. + Giảm phát thải NOx: Giảm phát thải NOx là một đặc tính hấp dẫn chủ yếu của lò hơi FB. Các số liệu thu được trong các lò hơi FB đưa ra giá trị phát thải NOx trong khoảng 50-150ppm hay là 20-150 mg/MJ.
Không khí cấp hai (chứa trên 20% lượng không khí thừa) được cấp vào bên trên buồng đốt. Khi đó, nitơ trong nhiên liệu đã sẵn sàng tách ra thành nitơ phân tử vẫn có rất ít cơ hội để hình thành NO 2 trên vùng này. Nitơ trong không khí bình thường không thể tạo thành NO2 ở nhiệt độ thấp (800-9000C) trong lò hơi FB. + Số lượng điểm cấp nhiên liệu ít hơn: Hệ thống cấp nhiên liệu trong lò hơi FB được đơn giản hoá do số lượng điểm cấp ít.
Nó yêu cầu diện tích ghi nhỏ và do vậy diện tích buồng đốt sẽ nhỏ hơn diện tích buồng đốt than phun cùng công suất. + Hệ số truyền nhiệt cao và việc xử lý, chuẩn bị nhiên liệu trước là không cần thiết như sấy, nghiền. Nhược điểm của lò hơi lớp sôi: + Lượng nhiệt sinh ra trên một đơn vị diện tích cắt ngang buồng đốt là tương đối nhỏ khi đốt những loại nhiên liệu có hàm lượng chất bốc cao. + Việc thiết kế các lò có công suất lớn khó có thể liên kết được bởi vì nó đòi hỏi một lượng lớn các điểm cấp nhiên liệu.
+ Tỉ lệ hạt nhiên liệu quay xuống nhỏ. + Mài mòn các bề mặt trao đổi nhiệt phía dưới Một số thông số cơ bản của lò hơi lớp sôi bọt [11]: - Nhiệt độ không khí dưới 4000C - Nhiệt độ cháy nhiên liệu dưới 9000C - Nhiệt độ nước cấp tới 1200C - Sản xuất hơi bão hoà và hơi quá nhiệt có thông số tới 170 bar và 5400C, Công suất sinh hơi từ 2 -160 t/h 9 CHƯƠNG 3: QUÁ TRÌNH KHÍ ĐỘNG HỌC & CHÁY CỦA LÒ HƠI LỚP SÔI 3.