Nghiên Cứu Giảm Thiểu Khí Phát Thải NOx Trong Lò Hơi Ngọn Lửa Hình Chữ W

Nghiên cứu về phương pháp giảm thiểu khí phát thải NOx trong lò hơi ngọn lửa hình chữ W, góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao hiệu suất.

• Tác giả: Nguyễn Thanh Hùng
• Người hướng dẫn: TS. Lê Đức Dũng
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
• Đề tài: Nghiên Cứu Giảm Thiểu Khí Phát Thải NOx Trong Lò Hơi Ngọn Lửa Hình Chữ W
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tính cấp thiết của việc xử lý NOx
• 1.2. Nhiệt điện đốt than ở Việt Nam
• 1.3. Lượng khí NOx thải ra hàng năm
• 1.4. Các tác hại của NOx
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ CHẾ HÌNH THÀNH NOX TRONG LÒ HƠI ĐỐT THAN PHUN NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
• 2.1. Cơ chế hình thành NOx
• 2.1.1. Cơ chế hình thành NOx theo nguyên lý phân hủy nhiệt
• 2.1.2. Cơ chế hình thành NOx nhiên liệu
• 2.1.3. Lộ trình chủ yếu của NH3 trong N chất bốc bị oxy hóa
• 2.1.4. Dưới nhiệt độ cháy thông thường, NOx nhiên liệu chủ yếu là từ N chất bốc
• 2.1.5. Phân hủy NOx
• 2.1.6. Cơ chế hình thành NOx theo nguyên lý phản ứng tức thời
• 2.1.7. Khống chế sự hình thành NOx khi đốt than
• 2.2. Ảnh hưởng của phương pháp đốt đối với sự phát thải NOx
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU NOX TRONG CÁC NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN
• 3.1. Thay đổi điều kiện cháy
• 3.1.1. Đốt hệ số không khí thừa thấp
• 3.1.2. Đốt phân cấp không khí
• 3.1.3. Đốt phân cấp nhiên liệu
• 3.1.4. Tái tuần hoàn khói
• 3.1.5. Vòi phun bột than có nồng độ NOx thấp
• 3.1.6. Vòi phun đốt NOx thấp kiểu DRB của công ty Mỹ B&W (Babcock & Wilcox)
• 3.1.7. Vòi phun đốt NOx thấp kiểu HT-NR của Babcock – Hitachi
• 3.1.8. Vòi phun ít NOx phân cấp nhiên liệu để cháy
• 3.1.9. Vòi phun kiểu MSM của hãng Steinmuller
• 3.1.10. Vòi phun ít NOx kiểu PM và DM của hãng Mitsubishi Heavy Industries
• 3.1.11. Vòi phun của NMNĐ Thái Bình 2
• 3.1.12. Giảm NOx bằng URE trong lò đốt (SNCR)
• 3.2. Xử lý NOx sau khi cháy
• 3.2.1. Hấp thụ bằng nước
• 3.2.2. Hấp thụ bằng kiềm
• 3.2.3. Hấp thụ chọn lọc
• 3.2.4. Phương pháp hấp thụ đồng thời SO2 và NOx
• 3.2.5. Phương pháp xúc tác và nhiệt
• 3.2.6. Phương pháp có xúc tác và nhiệt độ cao
• 3.2.7. Phương pháp xúc tác có chọn lọc
• 3.2.8. Phương pháp thiêu hủy
• 3.3. Cơ sở lý thuyết CFD
• 3.3.1. Mô hình cháy hạt than trên phần mềm ANSYS Fluent
• 3.3.2. Mô hình dòng chảy rối
• 3.3.3. Mô hình bức xạ
• 3.3.4. Mô hình cháy bột than
• 3.3.5. Mô hình hình thành NOx
• 3.4. Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình cháy bột than và sự hình thành NOx trên phần mềm mô phỏng ANSYS Fluent
• 3.4.1. Xây dựng mô hình buồng đốt 3D
• 3.4.2. Điều kiện biên đầu vào của mô hình
• 3.4.3. Thiết lập mô hình tính toán
• 3.4.4. Quy trình chạy bài toán mô phỏng
• 3.4.5. Sự hình thành NOx cho than Hòn Gai
• 3.4.6. Sự hình thành NO theo từng cơ chế
• 3.4.7. Ảnh hưởng của tỷ lệ trộn đến sự hình thành NO
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam đang chứng kiến sự tăng trưởng mạnh mẽ trong sản xuất điện năng từ nhiệt điện than, với tỷ trọng chiếm tới gần 50% tổng công suất phát điện vào năm 2020 và dự kiến tăng lên hơn 56% vào năm 2030. Theo quy hoạch điện VII điều chỉnh, công suất đặt các nhà máy nhiệt điện than dự kiến đạt khoảng 36.000 MW vào năm 2020 và 75.000 MW vào năm 2030, tương ứng với nhu cầu than lên tới khoảng 90-110 triệu tấn vào năm 2030. Tuy nhiên, nguồn than nội địa hạn chế buộc phải nhập khẩu than với tỷ lệ ngày càng tăng, từ khoảng 31% năm 2020 lên tới hơn 125% vào năm 2030.

Quá trình đốt than antraxit tại các nhà máy nhiệt điện tạo ra lượng lớn khí thải độc hại, trong đó khí NOx (gồm NO và NO2) là một trong những tác nhân gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Ước tính phát thải NOx hàng năm từ các nhà máy nhiệt điện than lên tới hơn 35.000 tấn, chưa kể các nguồn khác. Khí NOx không chỉ ảnh hưởng tiêu cực đến thực vật, làm giảm khả năng quang hợp, mà còn góp phần hình thành mưa axit, phá hủy công trình xây dựng và gây hại sức khỏe con người, đặc biệt là hệ hô hấp.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích cơ chế hình thành khí NOx trong lò hơi ngọn lửa hình chữ W tại nhà máy nhiệt điện Vũng Áng 1, đồng thời đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm giảm thiểu phát thải NOx, nâng cao hiệu quả cháy than antraxit Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình buồng đốt than phun, sử dụng phần mềm mô phỏng CFD để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố vận hành đến quá trình cháy và phát thải NOx trong giai đoạn từ 2017 đến 2018.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong bối cảnh các quy chuẩn môi trường ngày càng nghiêm ngặt, đòi hỏi các nhà máy nhiệt điện phải áp dụng công nghệ xử lý khí thải tiên tiến để đảm bảo phát thải NOx không vượt quá mức 700 mg/m³ theo QCVN 22:2009/BTNMT, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành năng lượng.

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 cơ chế hình thành và phân hủy khí NOx trong quá trình đốt cháy nhiên liệu than, bao gồm:

• Cơ chế hình thành NOx nhiệt (thermal NOx): Phản ứng trực tiếp giữa nitơ và oxy trong không khí ở nhiệt độ cao, chủ yếu theo chuỗi phản ứng Zeldovich. NOx nhiệt chiếm khoảng 20% tổng lượng NOx hình thành, phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ buồng đốt.

• Cơ chế hình thành NOx nhiên liệu (fuel NOx): Phát sinh từ nitơ có trong nhiên liệu than, qua quá trình nhiệt phân và oxy hóa các hợp chất nitơ hữu cơ như HCN và NH3. Đây là nguồn chính chiếm 60-80% tổng NOx trong lò hơi đốt than.

• Cơ chế hình thành NOx tức thời (prompt NOx): Xảy ra trong vùng cháy giàu nhiên liệu, do phản ứng giữa các gốc hydrocarbon và nitơ phân tử, chiếm tỷ lệ nhỏ dưới 5%.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ số không khí thừa, chất bốc (volatile matter), tro xỉ, vùng hoàn nguyên (reducing zone), và các phương pháp đốt phân cấp nhiên liệu và không khí nhằm kiểm soát sự hình thành NOx.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp giữa phân tích lý thuyết và mô phỏng số bằng phần mềm CFD (Computational Fluid Dynamics) trên mô hình buồng đốt 3D của lò hơi ngọn lửa hình chữ W tại nhà máy nhiệt điện Vũng Áng 1.

• Nguồn dữ liệu: Thông số nhiên liệu than antraxit vùng Hòn Gai, dữ liệu vận hành thực tế của nhà máy, các tiêu chuẩn môi trường Việt Nam (QCVN 22:2009/BTNMT), và tài liệu tham khảo quốc tế về cơ chế cháy và phát thải NOx.

• Phương pháp phân tích: Mô phỏng quá trình cháy bột than và sự hình thành NOx trong buồng đốt sử dụng mô hình cháy hạt than, mô hình dòng chảy rối, mô hình bức xạ nhiệt và mô hình phản ứng hóa học NOx trên phần mềm ANSYS Fluent. Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm các điều kiện vận hành khác nhau với hệ số không khí thừa, tỷ lệ phân cấp nhiên liệu và không khí.

• Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 02/2017 đến tháng 11/2018, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, chạy mô phỏng, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Phương pháp này cho phép đánh giá chi tiết ảnh hưởng của các yếu tố kỹ thuật đến lượng phát thải NOx, từ đó đề xuất các giải pháp tối ưu phù hợp với đặc điểm than antraxit Việt Nam và công nghệ lò hơi hiện đại.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Phân bố NOx trong buồng đốt: Mô phỏng CFD cho thấy nồng độ NOx tập trung cao nhất ở vùng cháy chính, đặc biệt tại các điểm có nhiệt độ trên 1000°C. Lượng NOx nhiên liệu chiếm khoảng 70% tổng NOx, phù hợp với cơ chế lý thuyết. Nồng độ NOx giảm dần khi tiến ra phía ống khói.

2. Ảnh hưởng của hệ số không khí thừa: Giảm hệ số không khí thừa từ 1,2 xuống 1,05 giúp giảm lượng NOx phát thải khoảng 12-15%, tuy nhiên nếu giảm quá thấp (<1,03) sẽ làm tăng lượng CO và than chưa cháy, ảnh hưởng đến hiệu suất lò.

3. Hiệu quả của đốt phân cấp không khí và nhiên liệu: Áp dụng đốt phân cấp không khí với khoảng 70-75% không khí cấp một và phần còn lại cấp hai giúp giảm NOx tới 30-40%. Đốt phân cấp nhiên liệu, trong đó 80-85% nhiên liệu cấp một và 15-20% cấp hai, tạo vùng hoàn nguyên mạnh, giảm NOx thêm 20-25%.

4. Hiệu quả hệ thống SCR: Hệ thống khử NOx bằng xúc tác chọn lọc (SCR) tại nhà máy Vũng Áng 1 đạt hiệu suất khử khoảng 41%, giảm nồng độ NOx từ 1.145 mg/m³ xuống còn 668 mg/m³, đảm bảo dưới giới hạn 700 mg/m³ theo QCVN 22:2009/BTNMT.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy các giải pháp kỹ thuật như đốt phân cấp không khí, phân cấp nhiên liệu và tái tuần hoàn khói có tác dụng rõ rệt trong việc giảm phát thải NOx. Việc điều chỉnh hệ số không khí thừa cần cân bằng giữa giảm NOx và duy trì hiệu suất cháy, tránh tăng CO và than chưa cháy.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hiệu quả giảm NOx của các phương pháp này tương đương hoặc cao hơn, phù hợp với đặc điểm than antraxit Việt Nam có hàm lượng chất bốc thấp và tro cao. Hệ thống SCR là giải pháp xử lý sau đốt hiệu quả, nhưng chi phí đầu tư và vận hành cao, do đó cần kết hợp với các biện pháp giảm NOx trong buồng đốt để tối ưu kinh tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố nồng độ NOx theo chiều cao buồng đốt, bảng so sánh hiệu quả các phương pháp giảm NOx và biểu đồ hiệu suất hoạt động của chất xúc tác theo thời gian.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hệ số không khí thừa: Điều chỉnh hệ số không khí thừa trong khoảng 1,05-1,1 để giảm phát thải NOx khoảng 10-15% mà không làm tăng CO và than chưa cháy. Chủ thể thực hiện: Ban kỹ thuật vận hành nhà máy, thời gian áp dụng: 3-6 tháng.

2. Áp dụng đốt phân cấp không khí và nhiên liệu: Thiết kế và lắp đặt hệ thống phân cấp không khí và nhiên liệu phù hợp với đặc điểm than antraxit, giảm NOx thêm 30-40%. Chủ thể thực hiện: Bộ phận kỹ thuật và bảo trì, thời gian: 6-12 tháng.

3. Tăng cường tái tuần hoàn khói: Sử dụng quạt tái tuần hoàn khói để giảm nhiệt độ buồng đốt và nồng độ oxy, giảm NOx khoảng 10-20%. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án, thời gian: 6 tháng.

4. Bảo trì và nâng cấp hệ thống SCR: Đảm bảo hiệu suất khử NOx trên 40% bằng việc thay thế, bổ sung chất xúc tác đúng chu kỳ (16.000-20.000 giờ hoạt động). Chủ thể thực hiện: Đội ngũ vận hành, thời gian: liên tục theo kế hoạch bảo trì.

5. Nghiên cứu phát triển vòi phun đốt NOx thấp: Thiết kế vòi phun phân cấp gió kiểu DRB hoặc HT-NR phù hợp với than antraxit Việt Nam để giảm NOx tới 40%. Chủ thể thực hiện: Phòng R&D, thời gian: 12-18 tháng.

Các giải pháp trên cần được phối hợp đồng bộ để đạt hiệu quả tối ưu về mặt kỹ thuật và kinh tế, đồng thời đáp ứng các quy chuẩn môi trường hiện hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các kỹ sư vận hành nhà máy nhiệt điện: Nắm bắt cơ chế hình thành NOx và các giải pháp giảm thiểu để tối ưu vận hành, giảm phát thải khí độc hại.

2. Chuyên gia môi trường và quản lý năng lượng: Hiểu rõ tác động môi trường của NOx và các tiêu chuẩn phát thải, từ đó đề xuất chính sách và giám sát hiệu quả xử lý khí thải.

3. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ nhiệt: Áp dụng mô hình CFD và các phương pháp kỹ thuật để thiết kế, cải tiến lò hơi và hệ thống xử lý khí thải.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật nhiệt và môi trường: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về cơ chế cháy, phát thải NOx và công nghệ xử lý khí thải trong ngành nhiệt điện.

Mỗi nhóm đối tượng có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả sản xuất, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành năng lượng.

Câu hỏi thường gặp

1. Khí NOx là gì và tại sao cần giảm phát thải?
   NOx là các oxit nitơ gồm NO và NO2, phát sinh chủ yếu từ quá trình đốt cháy nhiên liệu. NOx gây ô nhiễm không khí, mưa axit, ảnh hưởng sức khỏe con người và môi trường. Giảm NOx giúp bảo vệ sức khỏe và tuân thủ quy chuẩn môi trường.

2. Cơ chế chính hình thành NOx trong lò hơi đốt than?
   NOx hình thành qua ba cơ chế: nhiệt (do phản ứng N2 và O2 ở nhiệt độ cao), nhiên liệu (do nitơ trong than bị oxy hóa), và tức thời (phản ứng nhanh trong vùng cháy giàu nhiên liệu). Trong lò hơi than, NOx nhiên liệu chiếm phần lớn.

3. Phương pháp đốt phân cấp không khí giúp giảm NOx như thế nào?
   Phân cấp không khí chia quá trình đốt thành hai giai đoạn: giai đoạn đầu thiếu oxy tạo vùng hoàn nguyên, giảm hình thành NOx; giai đoạn sau cung cấp đủ oxy để cháy hoàn toàn. Phương pháp này giảm NOx khoảng 30-40%.

4. Hệ thống SCR hoạt động ra sao trong xử lý NOx?
   SCR sử dụng ammonia và chất xúc tác để chuyển NOx thành N2 và H2O ở nhiệt độ khoảng 390°C. Hiệu suất khử NOx đạt khoảng 40-50%, giúp nhà máy đáp ứng tiêu chuẩn phát thải nghiêm ngặt.

5. Tại sao than antraxit Việt Nam khó cháy và ảnh hưởng đến phát thải NOx?
   Than antraxit có hàm lượng chất bốc thấp, tro cao, khó bắt lửa và cháy kiệt. Điều này làm tăng lượng than chưa cháy và khí NOx nhiên liệu phát sinh, đòi hỏi thiết kế vòi phun và điều kiện đốt phù hợp để giảm NOx hiệu quả.

Kết luận

• Nhu cầu sản xuất điện từ nhiệt điện than tại Việt Nam tăng mạnh, kéo theo phát thải NOx lớn, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe.
• Cơ chế hình thành NOx chủ yếu là do nitơ trong nhiên liệu và phản ứng nhiệt, với tỷ lệ NOx nhiên liệu chiếm 60-80%.
• Các giải pháp kỹ thuật như đốt phân cấp không khí, phân cấp nhiên liệu, tái tuần hoàn khói và hệ thống SCR đã chứng minh hiệu quả giảm NOx từ 30% đến trên 40%.
• Việc tối ưu điều kiện vận hành và bảo trì hệ thống xử lý khí thải là cần thiết để đảm bảo phát thải NOx dưới mức quy chuẩn 700 mg/m³.
• Nghiên cứu tiếp theo nên tập trung phát triển công nghệ vòi phun đốt NOx thấp và mô hình mô phỏng nâng cao để tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu ô nhiễm.

Để bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành nhiệt điện, các nhà máy cần áp dụng đồng bộ các giải pháp kỹ thuật và công nghệ xử lý khí thải hiện đại. Hành động ngay hôm nay sẽ góp phần giảm thiểu tác động tiêu cực của NOx, nâng cao chất lượng không khí và sức khỏe cộng đồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài: Theo quy hoạch điện VII hiệu chỉnh tháng 3 năm 2016 của Việt Nam[1], 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. Các nhà máy nhiệt điện đốt than đã và đang xây dựng ở Việt Nam hiện nay, cơ bản sử dụng công nghệ lò hơi đốt than phun với thông số cận tới hạn và siêu tới hạn quy công suất tổ máy từ 300 - 600 MW, nhiên liệu sử dụng là than antraxit (than nội địa) và một số sử dụng than bitum và á bitum (than nhập khẩu). Tƣơng lai tiếp theo quy mô công suất tổ máy dự kiến nâng lên đến 1000 MW. 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.

Đặc biệt là đối với các lò hơi đốt than antraxit Việt Nam, loại than cháy ít khói, hàm lƣợng carbon (C) trong than cao, song chất bốc (V) thấp, hàm lƣợng tro xỉ (A) cao nên khó bắt cháy và khó cháy kiệt, hàm lƣợng độc hại nhƣ lƣu huỳnh (S), nitơ (N) trong than cao. Chính vì vậy, hiện nay, thành phần carbon còn lại trong tro xỉ ở các nhà máy nhiệt điện cũ đều rất cao nhƣ: Phả Lại: 12-18%, Ninh Bình: 15 -35%, Uông Bí cũ: 30 - 40%, .); Các nhà máy mới xây dựng nhƣ Phả Lại 2, Uông Bí mở rộng 1,. vẫn chƣa khắc phục đƣợc các nhƣợc điểm trên của than antraxit Việt Nam, hàm lƣợng C còn lại trong tro vẫn cao (trên 12%), tại nhà máy nhiệt điện Vũng Áng 1 với công nghệ tiên tiến và công suất tổ máy là 600 MW thì hàm lƣợng C còn lại trong tro (do không cháy hết) vẫn ở mức cao so với số liệu tính toán thiết kế. Ngoài ra, quá trình cháy than antraxit còn tạo ra lƣợng lớn các khí độc hại nhƣ SO x, 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.

Gần đây, các lò hơi mới ở nhà máy nhiệt điện đốt than Việt Nam đều sử dụng dạng ngọn lửa hình W, nhằm kéo dài thời gian cháy của hạt than để hạt than cháy kiệt hơn, nâng cao độ ổn định và hiệu suất lò. Đối với nguồn nguyên liệu than có chất lƣợng thấp hơn (than cám 5b hoặc than cám 6), sử dụng công nghệ đốt tầng sôi tuần hoàn để đảm bảo quá trình cháy cũng nhƣ giảm thiểu các tác hại của khói thải đến môi trƣờng. 1 Các nghiên cứu lý thuyết cháy ứng dụng đã chỉ ra rằng, để nâng cao hiệu hiệu quả sử dụng than ít chất bốc cần phải giải quyết các vấn đề kĩ thuật cơ bản sau: + Bảo đảm bắt lửa sớm, ổn định; + Bảo đảm hiệu suất cháy cao, cháy kiệt; + Hạn chế và loại bỏ đóng xỉ buồng lửa; + Đề phòng ăn mòn nhiệt độ cao; + Giảm chất phát thải khí và các thành phần ô nhiễm khác. Đây là những vấn đề kĩ thuật phức tạp, có ảnh hƣởng lẫn nhau, phải nghiên cứu và chọn lựa các giải pháp phù hợp, tối ƣu và đặc biệt phải lƣu ý đến biện pháp nhằm giảm thiểu nồng độ khí độc hại SO x, NOx trong khói thải (đáp ứng nồng độ phát thải quy định tại QCVN 22:2009/BTNMT).

Từ những trình bày trên đây có thể nhận thấy, ngoài vấn đề nâng cao độ tin cậy trong vận hành và đặc biệt là hiệu suất cháy than antraxit Việt Nam đồng thời chúng ta phải giải quyết các vấn đề liên quan đến môi trƣờng bằng cách ứng dụng các giải pháp nâng cao hiệu quả xử lý khói thải và tối ƣu về mặt kỹ thuật – kinh tế. Để giải quyết vấn đề đặt ra, cần nghiên cứu bằng lý thuyết và bằng mô phỏng CFD quá trình cháy bột than, xác định các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình cháy, tạo cơ sở tin cậy cho việc lựa chọn một số giải pháp nâng cao hiệu suất cháy antraxit trong buồng đốt than phun nhà máy nhiệt điện Việt Nam, đồng thời nghiên cứu các cơ chế hình thành khí độc hại NOx trong quá trình cháy, thực trạng và giải pháp xử lý khí NO x trong khói thải nhà máy nhiệt điện đốt than. Với lý do trình bày trên đây có thể nhận thấy, việc lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu giảm thiểu khí phát thải NOx trong lò hơi ngọn lửa hình chữ W” có ý nghĩa thực tiễn. Mục đích nghiên cứu: Mục đích nghiên cứu của luận văn: Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm (bằng mô hình CFD) quá trình hình thành NOx trong buồng đốt lò hơi nhà máy nhiệt điện.

2 Trên cơ sở kết quả thu đƣợc, đề xuất và lựa chọn giải pháp nâng cao hiệu quả cháy antraxit Việt Nam đồng thời giảm thiểu sự phát thải khí NOx trong buồng đốt than phun nhà máy nhiệt điện. Để đạt đuợc mục đích nêu trên, quá trình nghiên cứu đề tài cần giải quyết những nhiệm vụ cụ thể sau đây: - Nghiên cứu tổng quan sự hình thành và các yếu tố ảnh hƣởng đến sự phát thải khí NOx trong quá trình cháy; - Nghiên cứu sự hình thành khí NOx trong sản phẩm cháy trên mô hình mô phỏng; - Tổng hợp phân tích kết quả nghiên cứu và đề xuất lựa chọn giải pháp giảm thiểu NOx trong buồng đốt lò hơi ngọn lửa hình chữ W nhà máy nhiệt điện Vũng Áng 1. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: Quá trình cháy than nói chung và cháy than antraxit nói riêng hết sức phức tạp và rất rộng lớn, cả về đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. Vì vậy, đối tƣợng nghiên cứu đặt ra trong luận văn này là buồng đốt than phun tại nhà máy nhiệt điện Vũng Áng 1 và phạm vi nghiên cứu là ảnh hƣởng của một số yếu tố đến quá trình cháy và sự hình thành khí NO x làm cơ sở cho việc đề xuất lựa chọn giải pháp giảm thiểu khí phát thải NOx trong nhà máy nhiệt điện lò hơi ngọn lửa hình chữ W.

Phƣơng pháp nghiên cứu: Để giải quyết vấn đề đặt ra luận văn đã sử dụng các phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô hình mô phỏng. - Nội dung nghiên cứu lý thuyết: Các cơ chế hình thành khí NOx trong quá trình cháy; Ảnh hƣởng của hàm lƣợng Nitơ (N) trong than; Tính toán lƣợng phát thải trong sản phẩm cháy của giải pháp mới. - Nội dung nghiên cứu trên mô hình mô phỏng: sử dụng phần mềm CFD cho quá trình cháy than phun và nồng độ khí NOx trong buồng đốt. Từ đó có so sánh, đánh giá và kết luận hiệu quả và đƣa ra giải pháp.

3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tính cấp thiết của việc xử lý NOx : Nhiệt điện đốt than ở Việt Nam: Quy hoạch điện VII đã dự báo tổng tiêu thụ điện năng Việt Nam tăng trƣởng ở mức 11,1%/năm, giai đoạn 2016-2020 và 7,8%/năm giai đoạn 2020-2030 tƣơng ứng với sản lƣợng điện dự báo đạt 230. Theo đó, tổng công suất phát điện ƣớc tính đạt 52,04 GW vào năm 2020 và 110,2 GW vào năm 2030 với tổng công suất đặt các nhà máy nhiệt điện đốt than (NĐĐT) tăng nhanh và mạnh mẽ đến năm 2020 đạt khoảng 36.000 MW, chiếm 46,8% sản lƣợng điện sản xuất và tiêu thụ khoảng 67,3 triệu tấn than,và năm 2030 công suất đặt các NĐĐT đạt 75.000MW, chiếm 56,4% sản lƣợng điện sản xuất. Công suất này giảm xuống còn 30.585 MW tƣơng ứng trong quy hoạch điện 7 điều chỉnh [1].

Nhu cầu than cho sản xuất điện năm 2020 khoảng 63 triệu tấn; năm 2025 khoảng 95 triệu tấn than và năm 2030 sẽ khoảng 129 triệu tấn than. Do nguồn than sản xuất trong nƣớc hạn chế, không đủ cung cấp, nên một số nhà máy nhiệt điện tại các trung tâm điện lực: miền Trung và miền Nam nhƣ: Vĩnh Tân, Duyên Hải, Long Phú, Sông Hậu, Long An vv.sẽ sử dụng nguồn than nhập khẩu. Nhƣ vậy, giai đoạn 2015-2030 nhiệt điện than có vai trò đặc biệt quan trọng trong cơ cấu phát triển hệ thống điện Việt Nam, chiếm tỷ trọng lớn về công suất và điện năng, vƣợt xa các nguồn khác nhƣ dầu khí, thủy điện và năng lƣợng tái tạo. Với công suất đặt và điện năng sản xuất nhƣ trên, NMNĐ đốt than cần lƣợng than rất lớn.

Khả năng cung cấp than nội địa và than nhập khẩu cho sản xuất điện đƣợc trình bày trong bảng 1.1: Dự kiến cân đối cung cầu than sau khi điều chỉnh [7]. Đơn vị: triệu tấn Năm 2013 2015 2020 2025 2030 1.Tổng nguồn cung 40 45 50 55 60 2.Tổng nhu cầu 28 38  42 62  72 91  98 114  138 Nhu cầu ngoài điện 16 18 20  22 22  24 24  28 Than cho điện 12 20  24 42  50 68  74 90  110 - Trong nƣớc 12 24 32  38 38  42 40  45 - Nhập khẩu 10  12 30  32 50  65 Từ Bảng 1.1 có thể nhận thấy, than antraxit Việt Nam cho sản xuất điện tăng mạnh: từ 24 triệu tấn năm 2015 lên 32-38 triệu tấn năm 2020, 30-42 triệu tấn năm 2025 và 40-45 triệu tấn vào năm 2030. Do khả năng khai thác than nội địa còn hạn chế, nên khoảng trống thiếu hụttrong cân đối năng lƣợng Việt Nam đƣợc hy vọng vào than nhập nhập khẩu. Tỷ lệ than khẩu so với than nội địa cho sản xuất điện tăng mạnh, từ khoảng 31% năm 2020 lên khoảng 76-78% năm 2025 và 125-144% năm 2030.

Để cung cấp than ổn định cho các nhà máy nhiệt điện, ngoài việc phải nhập khẩu than cần đẩy mạnh đầu tƣ, khai thác than nội địa. Chủng loại than nội địa chủ yếu vẫn là sử dụng than cám 5, cám 6 đƣợc quy định tại TCVN: 8910-2011. Từ những dữ liệu trình bày trên đây, có thể kết luận là: than đang và sẽ là loại nhiên liệu sơ cấp quan trọng cho sản xuất điện năng ở Việt Nam. Vì vậy, vấn đề nghiên cứu nâng cao hiệu quả sử dụng than, các giải pháp nâng cấp và giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng ở các NMNĐ đốt than vẫn đang là vấn đề cấp thiết.

Lƣợng khí NO x thải ra hàng năm: Khí NO x là tên gọi chung của các oxyde nitơ gồm các chất NO, NO2, N2O, N2 O5. Trong đó, khi đề cập đến vấn đề môi trƣờng, chúng ta thƣờng quan tâm chủ yếu đến NO, NO 2 chúng đƣợc gọi chung là NOx (và một lƣợng nhỏ N 2O). Theo số liệu tính toán của báo cáo đánh giá môi trƣờng chiến lƣợc của Quy hoạch điện 7 lƣợng khí NOx trong khí thải nhà máy nhiệt điện than theo các năm là: 5 Bảng 1.