I. Tổng Quan Nghiên Cứu Giảm Khí Thải NOx từ Lò Hơi Chữ W
Bài viết này giới thiệu tổng quan về nghiên cứu giảm thiểu khí thải NOx trong lò hơi ngọn lửa hình chữ W. Việt Nam đang chứng kiến sự tăng trưởng mạnh mẽ của nhiệt điện than. Quy hoạch điện VII dự báo nhu cầu điện năng tăng trưởng liên tục, kéo theo sự gia tăng công suất của các nhà máy nhiệt điện đốt than (NĐĐT). Các NĐĐT đóng vai trò quan trọng trong đảm bảo an ninh năng lượng, nhưng cũng là nguồn phát thải NOx đáng kể. Việc nghiên cứu và ứng dụng các giải pháp công nghệ giảm NOx là vô cùng cấp thiết để bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng. Việc sử dụng nhiên liệu than với hiệu quả cao và giảm thiểu các tác động môi trường tiêu cực đang là một thách thức lớn. Theo Quy hoạch điện VII hiệu chỉnh tháng 3 năm 2016 của Việt Nam, giai đoạn 2015-2030, điện năng sản xuất từ nhiệt điện than luôn tăng và chiếm tỷ trọng lớn nhất trong cơ cấu nguồn điện.
1.1. Vai Trò Của Nhiệt Điện Than và Phát Thải NOx
Nhiệt điện than đóng vai trò quan trọng trong cơ cấu năng lượng của Việt Nam, nhưng cũng là nguồn phát thải khí thải NOx đáng kể. Việc giảm thiểu NOx từ các nhà máy nhiệt điện là vô cùng quan trọng để bảo vệ môi trường. Bảng 1.2 ước tính phát thải khí NOx hàng năm do đốt than. Cụ thể, năm 2011 lượng khí NOx là 35.428 tấn. Vấn đề giảm phát thải NOx là một vấn đề hết sức cấp bách hiện nay. Do đó cần có những biện pháp xử lý khí thải kịp thời.
1.2. Tác Động Của Khí Thải NOx Đến Môi Trường và Sức Khỏe
Khí thải NOx gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người. Nó góp phần vào ô nhiễm không khí, gây mưa axit và ảnh hưởng đến tầng ozone. Đối với sức khỏe, NOx có thể gây ra các bệnh về đường hô hấp, tim mạch và thần kinh. Việc kiểm soát và giảm thiểu NOx là cần thiết để bảo vệ sức khỏe cộng đồng và hệ sinh thái. Ảnh hƣởng của NOx đến môi trƣờng chỉ xảy ra khi nồng độ của nó đủ lớn. Trong không khí NOx đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì nồng độ ozone. Ozone đƣợc hình thành thông qua chuỗi phản ứng phức tạp của O2 và NO2.
II. Thách Thức và Vấn Đề Giảm Phát Thải NOx Lò Hơi Chữ W
Các nhà máy nhiệt điện đốt than ở Việt Nam thường sử dụng than antraxit, loại than có hàm lượng carbon cao nhưng chất bốc thấp, gây khó khăn cho quá trình cháy và làm tăng phát thải. Các lò hơi mới thường áp dụng công nghệ ngọn lửa hình chữ W để kéo dài thời gian cháy, nhưng vẫn cần các giải pháp giảm thiểu NOx hiệu quả. Thách thức lớn nhất là làm sao vừa nâng cao hiệu suất đốt, vừa giảm thiểu phát thải khí thải NOx, đồng thời đảm bảo chi phí hợp lý. Cần phải có những giải pháp hiệu quả để giải quyết những vấn đề này. Quá trình cháy than antraxit còn tạo ra lƣợng lớn các khí độc hại nhƣ SOx, NOx, gây áp lực lên môi trƣờng xung quanh và đòi hỏi các nhà máy phải trang bị các hệ thống kiểm soát, xử lý khói thải hiệu quả cao.
2.1. Khó Khăn Khi Đốt Than Antraxit và Phát Sinh NOx
Than antraxit có đặc tính khó cháy hoàn toàn, dẫn đến phát sinh khí thải NOx nhiều hơn. Các thông số về thành phần than có ảnh hưởng lớn đến quá trình hình thành NOx. Hàm lượng nitrogen trong than cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét. Các nhà máy cần tối ưu hóa quá trình đốt để giảm thiểu lượng NOx tạo ra. Các lò hơi đốt than phun đã đƣợc thiết kế chế tạo đốt than ổn định, song hiệu suất còn thấp, tỷ lệ carbon chƣa cháy hết trong tro còn cao.
2.2. Yêu Cầu Nghiêm Ngặt Về Tiêu Chuẩn Khí Thải NOx
Các tiêu chuẩn khí thải ngày càng nghiêm ngặt, đòi hỏi các nhà máy nhiệt điện phải đầu tư vào các công nghệ giảm thiểu NOx tiên tiến. Việc đáp ứng các tiêu chuẩn này là bắt buộc để đảm bảo hoạt động bền vững của nhà máy và bảo vệ môi trường. Các giải pháp cần phải đảm bảo hiệu quả kinh tế và kỹ thuật. Cần ứng dụng các giải pháp nâng cao hiệu quả xử lý khói thải và tối ƣu về mặt kỹ thuật – kinh tế.
III. Phương Pháp Đốt Phân Cấp Giảm Thiểu NOx Lò Hơi Chữ W
Đốt phân cấp là một trong những biện pháp giảm NOx hiệu quả nhất, bao gồm đốt phân cấp nhiên liệu và đốt phân cấp không khí. Bằng cách chia quá trình đốt thành nhiều giai đoạn với lượng oxy hạn chế, có thể giảm thiểu sự hình thành NOx. Phương pháp này thường được kết hợp với các vòi đốt NOx thấp để đạt hiệu quả tối ưu. Hiệu quả của phương pháp này phụ thuộc nhiều vào thiết kế lò hơi và đặc tính của nhiên liệu. Đốt phân cấp không khí, nhiên liệu, tái tuần hoàn khói là những giải pháp hữu hiệu.
3.1. Đốt Phân Cấp Nhiên Liệu Để Giảm NOx
Đốt phân cấp nhiên liệu là phương pháp chia lượng nhiên liệu thành nhiều dòng và đốt chúng ở các vị trí khác nhau trong lò hơi. Điều này giúp giảm nhiệt độ cục bộ và hạn chế sự hình thành NOx. Phương pháp này đòi hỏi thiết kế vòi đốt đặc biệt để đảm bảo phân phối nhiên liệu tối ưu. Sơ đồ nguyên lý đốt phân cấp nhiên liệu đã thể hiện rõ nguyên lý của phương pháp này.
3.2. Đốt Phân Cấp Không Khí Kiểm Soát NOx
Đốt phân cấp không khí là phương pháp cung cấp không khí cho quá trình đốt theo nhiều giai đoạn. Giai đoạn đầu được cung cấp lượng không khí thiếu để hạn chế hình thành NOx, sau đó lượng không khí bổ sung được cung cấp để hoàn thành quá trình đốt. Sơ đồ bố trí miệng vòi phun OFA trong buồng lửa đặt vòi than ở tƣờng trƣớc đã minh chứng cho phương pháp này.
3.3. Ứng dụng vòi phun NOx thấp
Các vòi phun được thiết kế đặc biệt để giảm thiểu sự hình thành NOx bằng cách kiểm soát quá trình trộn nhiên liệu và không khí. Các loại vòi phun NOx thấp phổ biến bao gồm vòi phun kiểu DRB, vòi phun kiểu HT-NR và vòi phun kiểu MSM. Việc lựa chọn vòi phun phù hợp phụ thuộc vào đặc điểm của lò hơi và loại nhiên liệu sử dụng. Nguyên lý vòi phun phân cấp gió giúp kiểm soát được quá trình cháy, qua đó giảm thiểu NOx
IV. Tái Tuần Hoàn Khí Thải FGR Giảm Phát Thải NOx
Tái tuần hoàn khí thải (FGR) là một biện pháp giảm NOx bằng cách đưa một phần khí thải trở lại lò hơi. Khí thải này có hàm lượng oxy thấp, giúp giảm nhiệt độ ngọn lửa và hạn chế sự hình thành NOx. FGR thường được sử dụng kết hợp với các phương pháp đốt phân cấp để đạt hiệu quả cao hơn. Hiệu quả của FGR phụ thuộc vào tỷ lệ tái tuần hoàn và thiết kế lò hơi. Sơ đồ hệ thống tái tuần hoàn khói được trình bày trong tài liệu gốc.
4.1. Nguyên Lý Hoạt Động của Hệ Thống Tái Tuần Hoàn Khí Thải
Hệ thống tái tuần hoàn khí thải hoạt động bằng cách lấy một phần khí thải từ ống khói và đưa nó trở lại lò hơi. Khí thải này có hàm lượng oxy thấp, giúp giảm nhiệt độ ngọn lửa và hạn chế sự hình thành NOx. Nguyên lý giảm nhiệt độ ngọn lửa là yếu tố then chốt trong việc giảm NOx
4.2. Ảnh Hưởng của Tỷ Lệ Tái Tuần Hoàn Đến Hiệu Quả Giảm NOx
Tỷ lệ tái tuần hoàn khí thải có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả giảm NOx. Tỷ lệ quá thấp sẽ không đủ để giảm nhiệt độ ngọn lửa, trong khi tỷ lệ quá cao có thể ảnh hưởng đến quá trình đốt và hiệu suất lò hơi. Cần tối ưu hóa tỷ lệ tái tuần hoàn để đạt hiệu quả cao nhất. Cần tính toán kỹ lưỡng để không ảnh hưởng đến các yếu tố khác.
V. Xử Lý NOx Sau Đốt SCR và SNCR Lò Hơi Ngọn Lửa W
Các công nghệ giảm NOx sau đốt bao gồm khử NOx xúc tác chọn lọc (SCR) và khử NOx không xúc tác chọn lọc (SNCR). SCR sử dụng chất xúc tác để chuyển đổi NOx thành nitơ và nước, trong khi SNCR sử dụng các chất khử như amoniac hoặc urê để phản ứng với NOx. Việc lựa chọn công nghệ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm hiệu quả, chi phí và yêu cầu về không gian.Nguyên lý khử NOx bằng URE trong lò đốt được trình bày trong tài liệu.
5.1. Ưu Điểm và Nhược Điểm của Công Nghệ SCR Giảm NOx
SCR có hiệu quả giảm NOx cao, nhưng chi phí đầu tư và vận hành lớn. Chất xúc tác cần được bảo trì và thay thế định kỳ. Hệ thống này phù hợp với các nhà máy có yêu cầu khí thải nghiêm ngặt. Hiệu quả cao là yếu tố quan trọng nhất khi lựa chọn SCR.
5.2. Ưu Điểm và Nhược Điểm Của Công Nghệ SNCR Hiệu Quả
SNCR có chi phí thấp hơn SCR, nhưng hiệu quả giảm NOx thấp hơn. Hệ thống này dễ vận hành và bảo trì hơn. SNCR phù hợp với các nhà máy có yêu cầu khí thải ít nghiêm ngặt hơn. Tính kinh tế là ưu điểm lớn nhất của SNCR.
VI. Ứng Dụng CFD Mô Phỏng Quá Trình Giảm Thiểu NOx Lò Hơi
Mô phỏng CFD (Computational Fluid Dynamics) là công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu và tối ưu hóa quá trình đốt và hình thành NOx trong lò hơi. Bằng cách mô phỏng các dòng chảy, nhiệt độ và thành phần hóa học, CFD giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về cơ chế hình thành NOx và đánh giá hiệu quả của các biện pháp giảm NOx. CFD cũng có thể được sử dụng để thiết kế các vòi đốt và hệ thống FGR tối ưu. Định nghĩa CFD được trình bày trong tài liệu gốc.
6.1. Xây Dựng Mô Hình CFD Mô Phỏng Lò Hơi và Quá Trình Đốt
Để sử dụng CFD, cần xây dựng mô hình 3D của lò hơi và thiết lập các điều kiện biên phù hợp. Mô hình cần bao gồm các thông số về hình học lò hơi, đặc tính nhiên liệu, và điều kiện vận hành. Xây dựng mô hình buồng đốt 3D được trình bày trong tài liệu gốc.
6.2. Phân Tích Kết Quả Mô Phỏng CFD và Đánh Giá Giải Pháp Giảm NOx
Kết quả mô phỏng CFD cho phép phân tích sự phân bố nhiệt độ, nồng độ các chất hóa học và tốc độ phản ứng trong lò hơi. Dựa trên các kết quả này, có thể đánh giá hiệu quả của các biện pháp giảm NOx và đề xuất các cải tiến thiết kế. Sự phân bố nồng độ NO theo tỷ lệ mol được trình bày trong tài liệu gốc.
