I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Đồng Cháy Than Sinh Khối Hiện Nay
Sự phát triển của nhiệt điện than ở Việt Nam đã đưa nước ta vào nhóm dẫn đầu khu vực về công suất, đồng thời là nguồn cung cấp điện chính. Tuy nhiên, trước thách thức biến đổi khí hậu và cam kết quốc tế, Việt Nam cần chiến lược sử dụng hiệu quả nguồn điện này. Thúc đẩy chuyển dịch năng lượng, tăng cường năng lượng tái tạo và các công nghệ xanh là rất cần thiết. Các giải pháp cho nhiệt điện than cần cân nhắc kỹ thuật, chính sách, xã hội, tài chính và kinh nghiệm quốc tế để cân bằng an ninh năng lượng và mục tiêu chống biến đổi khí hậu. Các giải pháp bao gồm cải tiến kỹ thuật, nâng cấp công nghệ, cải thiện vận hành, nghiên cứu công nghệ thu hồi CO2, và xây dựng lộ trình chuyển đổi nhà máy nhiệt điện than. Trên thế giới, nhiệt điện than chiếm khoảng 40% tổng điện năng. Than vẫn là nguồn năng lượng sơ cấp quan trọng trong sản xuất điện. Theo quy hoạch điện VIII, công suất nhiệt điện than khoảng 20GW, chiếm 36% tổng công suất lưới điện Việt Nam.
1.1. Tình Hình Sử Dụng Than và Năng Lượng Sinh Khối
Số liệu thống kê cho thấy lượng than cung cấp cho nhiệt điện sẽ thiếu hụt và được bù đắp bằng than nhập khẩu. Than nội địa cấp cho các nhà máy nhiệt điện là than anthracite, chất bốc thấp nên khó đốt cháy. Đối với lò hơi đốt than bột, phụ tải nhỏ hơn 70% định mức đã phải đốt kèm dầu, phụ tải nhỏ hơn 30% định mức đã phải chuyển sang đốt toàn dầu, lượng cacbon chưa cháy còn lại trong tro rất cao, từ 15–20%, làm giảm hiệu suất năng lượng của nhà máy điện tới 3–4%. Vấn đề môi trường ngày càng trở nên quan trọng, cần kiểm soát lượng phát thải như SOx, NOx. Do đó, cần nghiên cứu tỷ lệ trộn than hiện sử dụng với viên nén sinh khối, đảm bảo nhà máy điện làm việc ổn định, tin cậy, đạt hiệu suất cao, giảm phát thải.
1.2. So Sánh Chi Phí Nhiệt Điện Than và Năng Lượng Tái Tạo
Phân tích hiện tại cho thấy giá nhiệt điện than rẻ hơn năng lượng tái tạo vì chưa bao gồm chi phí ngoại biên (chi phí môi trường, xã hội, sức khỏe). Thực tế, đây là chi phí có thực mà người dân và chính phủ đang và sẽ phải gánh chịu chứ không phải nhà đầu tư. Nếu xem xét chi phí này thì ngay tại thời điểm nghiên cứu năm 2017, tất cả các công nghệ năng lượng tái tạo đều trở nên cạnh tranh hơn về chi phí so với các công nghệ nhiệt điện than. Điều này cho thấy tiềm năng lớn của việc chuyển đổi sang các nguồn năng lượng sạch hơn.
II. Thách Thức và Cơ Hội từ Quá Trình Đồng Đốt Than Sinh Khối
Đã có nhiều nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam nhằm nâng cao hiệu suất cháy than. Các nghiên cứu quá trình cháy trong lò đốt than phun sử dụng kết hợp phương pháp số CFD nhằm nâng cao hiệu suất, giảm thiểu phát thải là một trong những hướng nghiên cứu mới được các nhà nghiên cứu trong nước và trên thế giới rất quan tâm. Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học máy tính trong thời gian qua CFD ngày càng giữ một vị trí quan trọng trong việc hỗ trợ nghiên cứu các lĩnh vực mà chi phí thực nghiệm rất tốn kém như quá trình cháy than trong lò hơi. Công nghệ đốt kèm nhiên liệu sinh khối với bột than trong nhà máy nhiệt điện đã được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng thành công tại nhiều quốc gia trên thế giới.
2.1. Nghiên Cứu Đồng Cháy Than Sinh Khối ở Việt Nam
Ở Việt Nam cũng đã có những nghiên cứu về công nghệ đốt kèm nhiên liệu sinh khối với than, tuy nhiên phạm vi nghiên cứu chỉ dựa trên bài toán kinh tế – kỹ thuật đơn thuần, sự ảnh hưởng của việc đốt kèm nhiên liệu sinh khối đến quá trình cháy cũng như ảnh hưởng đến hiệu suất lò hơi, chế độ vận hành của nhà máy chưa được xem xét. Do đó, việc nghiên cứu khả năng sử dụng nhiên liệu sinh khối đốt kèm với than trong điều kiện thực tiễn các nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam là thực sự cần thiết.
2.2. Mục Tiêu và Phạm Vi Nghiên Cứu Đồng Cháy Than Sinh Khối
Nhận thấy tầm quan trọng và xu thế không thể tránh khỏi của việc đồng đốt sinh khối và than trong các nhà máy nhiệt điện, nhóm nghiên cứu của Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt – Lạnh, Đại học Bách Khoa Hà Nội do PGS TS Trần Gia Mỹ dẫn đầu đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu đốt kết hợp than và viên nén sinh khối cho lò hơi trong nhà máy nhiệt điện” để ứng dụng tại Tổng công ty Phát điện 1 (Genco1 – EVN). Trong khuôn khổ của đề tài trên tôi được giao nhiệm vụ thực hiện đề tài luận văn: “Nghiên cứu mô phỏng quá trình đồng cháy của than và sinh khối gỗ nén trong lò hơi”. Nội dung của luận văn “Nghiên cứu đồng cháy của than và sinh khối trong lò hơi” thông qua việc phân tích, đánh giá quá trình đồng cháy than và sinh khối bên trong buồng đốt, và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đồng cháy cháy bằng phần mềm Ansys Fluent. Để tối giản hóa các điều kiện quá trình đồng cháy trước khi áp dụng vào thực tế nhằm tiết kiệm thời gian, công sức và tiền bạc mà vẫn đảm bảo tính hiệu quả của phương án đã chọn.
III. Phương Pháp Nghiên Cứu và Mô Phỏng Đồng Cháy Than Sinh Khối
Hiện nay, công cụ CFD đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trong việc mô phỏng quá trình cháy trong lò hơi đốt than phun. Đặc biệt, phần mềm Ansys Fluent phiên bản R2022 hiện nay đã cho phép người dùng thiết lập đưa cùng lúc hai hay nhiều loại nhiên liệu khác nhau vào buồng đốt, tính năng này giúp nâng cao độ chính xác của kết quả mô phỏng. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là cập nhật công nghệ đốt kèm sinh khối và bột than trong các nhà máy nhiệt điện đốt than; Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình cháy hỗn hợp sinh khối và bột than trong buồng đốt than phun trên phần mềm Ansys Fluent; Nghiên cứu quá ảnh hưởng của tỷ lệ sinh khối đốt kèm đến quá trình cháy bên trong lò hơi trên mô hình mô phỏng; Nghiên cứu ảnh hưởng của hệ số không khí thừa, tỷ lệ gió cấp 2/ cấp 1 đến quá trình cháy của hỗn hợp sinh khối và bột than tại một tỷ lệ sinh khối đốt kèm, qua đó tối ưu hóa việc sử dụng sinh khối đốt kèm.
3.1. Đối Tượng và Phạm Vi Nghiên Cứu Đồng Cháy Than Sinh Khối
Với mục tiêu hướng đến khả năng ứng dụng công nghệ đốt kèm sinh khối tại các nhà máy nhiệt điện đốt than đã xây dựng ở Việt Nam, đối tượng mà tác giả muốn hướng đến là nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn 1. Tác giả lựa chọn đối tượng nghiên cứu của đề tài là lò hơi 300 MW nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn 1, kiểu lò hơi có ngọn lửa hình W. Hỗn hợp than và sinh khối được nghiên cứu là hỗn hợp than anthracite và sinh khối theo đề tài nghiên cứu.
3.2. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Quá Trình Đồng Cháy Than Sinh Khối
Phạm vi nghiên cứu của đề tài bao gồm nghiên cứu quá trình cháy của hỗn hợp bột than và sinh khối; và những yếu tố ảnh hưởng như: vị trí cấp sinh khối, tỉ lệ sinh khối, kích thước hạt sinh khối, hệ số không khí thừa, tỷ lệ gió cấp 2 và cấp 1 đến quá trình đồng cháy của than và sinh khối trong lò hơi nhà máy điện.
IV. Ứng Dụng Mô Phỏng CFD trong Đồng Cháy Than Sinh Khối
Hiện nay, công cụ CFD đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trong việc mô phỏng quá trình cháy trong lò hơi đốt than phun. Đặc biệt, phần mềm Ansys Fluent phiên bản R2022 hiện nay đã cho phép người dùng thiết lập đưa cùng lúc hai hay nhiều loại nhiên liệu khác nhau vào buồng đốt, tính năng này giúp nâng cao độ chính xác của kết quả mô phỏng. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là cập nhật công nghệ đốt kèm sinh khối và bột than trong các nhà máy nhiệt điện đốt than; Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình cháy hỗn hợp sinh khối và bột than trong buồng đốt than phun trên phần mềm Ansys Fluent.
4.1. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Đồng Cháy Than Sinh Khối
Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình cháy hỗn hợp sinh khối và bột than trong buồng đốt than phun trên phần mềm Ansys Fluent; Nghiên cứu quá ảnh hưởng của tỷ lệ sinh khối đốt kèm đến quá trình cháy bên trong lò hơi trên mô hình mô phỏng; Nghiên cứu ảnh hưởng của hệ số không khí thừa, tỷ lệ gió cấp 2/ cấp 1 đến quá trình cháy của hỗn hợp sinh khối và bột than tại một tỷ lệ sinh khối đốt kèm, qua đó tối ưu hóa việc sử dụng sinh khối đốt kèm.
4.2. Tối Ưu Hóa Quá Trình Đồng Cháy Than Sinh Khối Bằng CFD
Nghiên cứu ảnh hưởng của hệ số không khí thừa, tỷ lệ gió cấp 2/ cấp 1 đến quá trình cháy của hỗn hợp sinh khối và bột than tại một tỷ lệ sinh khối đốt kèm, qua đó tối ưu hóa việc sử dụng sinh khối đốt kèm. Việc sử dụng CFD giúp tối ưu hóa các thông số vận hành, giảm thiểu phát thải và nâng cao hiệu suất đồng cháy.
V. Kết Quả và Đánh Giá Hiệu Quả Đồng Cháy Than Sinh Khối
Luận văn tập trung vào việc phân tích, đánh giá quá trình đồng cháy than và sinh khối bên trong buồng đốt, và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đồng cháy bằng phần mềm Ansys Fluent. Mục tiêu là tối giản hóa các điều kiện quá trình đồng cháy trước khi áp dụng vào thực tế nhằm tiết kiệm thời gian, công sức và tiền bạc mà vẫn đảm bảo tính hiệu quả của phương án đã chọn.
5.1. Phân Tích Quá Trình Đồng Cháy Than Sinh Khối Trong Buồng Đốt
Phân tích quá trình đồng cháy than và sinh khối bên trong buồng đốt, và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đồng cháy bằng phần mềm Ansys Fluent. Các yếu tố như vị trí cấp sinh khối, tỉ lệ sinh khối, kích thước hạt sinh khối, hệ số không khí thừa, tỷ lệ gió cấp 2 và cấp 1 được xem xét.
5.2. Đánh Giá Hiệu Quả Kinh Tế và Môi Trường của Đồng Cháy
Đánh giá hiệu quả kinh tế và môi trường của việc đồng cháy than và sinh khối. Các chỉ số như giảm phát thải CO2, SOx, NOx, hiệu suất lò hơi, và chi phí vận hành được phân tích để đưa ra kết luận về tính khả thi của công nghệ đồng cháy.
VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Về Đồng Cháy
Nghiên cứu này cung cấp cái nhìn tổng quan về quá trình đồng cháy than và sinh khối, các yếu tố ảnh hưởng và tiềm năng ứng dụng tại các nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam. Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để tối ưu hóa quá trình đồng cháy, giảm thiểu phát thải và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.
6.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu Đồng Cháy Than Sinh Khối
Tóm tắt các kết quả chính của nghiên cứu về quá trình đồng cháy than và sinh khối, bao gồm ảnh hưởng của các yếu tố như vị trí cấp sinh khối, tỉ lệ sinh khối, kích thước hạt sinh khối, hệ số không khí thừa, tỷ lệ gió cấp 2 và cấp 1.
6.2. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Đồng Cháy Than
Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo về quá trình đồng cháy than và sinh khối, bao gồm nghiên cứu về các loại sinh khối khác nhau, các công nghệ xử lý khí thải, và các mô hình kinh tế để đánh giá tính khả thi của việc ứng dụng công nghệ đồng cháy.
