Nghiên Cứu Quá Trình Đồng Cháy Của Than Và Sinh Khối

Chuyên khảo phân tích Nghiên cứu mô phỏng quá trình đồng cháy của than và sinh khối gỗ nén trong lò hơi, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Người hướng dẫn: PGS. Trần Gia Mỹ
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Nhiệt - Lạnh
• Đề tài: Nghiên Cứu Quá Trình Đồng Cháy Của Than Và Sinh Khối
• Loại tài liệu: luận văn

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH ĐỒNG CHÁY CỦA THAN VÀ SINH KHỐI
• 1.1. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Những đóng góp của luận văn
• 1.5. Nội dung luận văn
• 2. ĐẶC TÍNH VÀ TÍNH CHẤT CỦA NHIÊN LIỆU SINH KHỐI
• 2.1. Nguồn gốc, phân loại
• 2.2. Cấu trúc và thành phần hóa học của sinh khối
• 2.3. Một số nghiên cứu trong và ngoài nước về quá trình đồng đốt
• 3. MÔ PHỎNG CFD QUÁ TRÌNH ĐỒNG CHÁY CỦA THAN VÀ SINH KHỐI
• 3.1. Tổng quan về phần mềm mô phỏng CFD
• 3.2. Một số mô hình cháy hạt than điển hình
• 3.2.1. Mô hình của Smith và Smoot
• 3.2.2. Mô hình của Marangwanda, Madyira và Babarinde
• 3.3. Các mô hình mô phỏng quá trình cháy trên Ansys Fluent
• 3.3.1. Phương trình bảo toàn
• 3.3.2. Mô hình rối
• 3.3.3. Mô hình dòng nhiều pha và pha rời rạc
• 3.3.4. Mô hình cháy pha khí
• 3.3.5. Mô hình thoát chất bốc
• 3.3.6. Mô hình tiêu tán xoáy
• 3.3.7. Mô hình bức xạ nhiệt DO
• 3.3.8. Mô hình hình thành NOx
• 3.4. Xây dựng mô hình buồng đốt lò hơi
• 3.4.1. Tổng quan về lò hơi ngọn lửa hình W Nghi Sơn
• 3.4.2. Mô hình 3D của buồng đốt
• 3.5. Thiết lập điều kiện biên của mô hình
• 3.5.1. Đặc tính nhiên liệu
• 3.5.2. Điều kiện biên
• 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY THAN VÀ SINH KHỐI GỖ TRONG BUỒNG ĐỐT LÒ HƠI
• 4.1. Quá trình cháy than trong buồng đốt lò hơi ngọn lửa hình W
• 4.1.1. Trường vận tốc trong buồng đốt
• 4.1.2. Trường nhiệt độ trong buồng đốt
• 4.1.3. Sự phân bố sản phẩm cháy trong buồng đốt
• 4.1.4. Độ chính xác của mô hình tính toán mô phỏng
• 4.2. Quá trình đồng cháy than và sinh khối trong lò hơi ngọn lửa hình W
• 4.2.1. Vị trí cấp sinh khối trong quá trình đồng cháy
• 4.2.2. Phương pháp tính tỉ lệ đồng cháy than và sinh khối
• 4.2.3. Điều kiện biên trong quá trình đồng cháy than và sinh khối
• 4.2.4. Trường nhiệt độ của quá trình đồng cháy than và sinh khối
• 4.2.5. Sản phẩm cháy của quá trình đồng cháy than và sinh khối
• 5. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH ĐỒNG CHÁY THAN VÀ SINH KHỐI TRONG LÒ HƠI
• 5.1. Ảnh hưởng của vị trí cấp sinh khối đến quá trình đồng cháy
• 5.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ sinh khối đến quá trình đồng cháy
• 5.3. Ảnh hưởng của kích thước hạt sinh khối đến quá trình đồng cháy
• 5.4. Ảnh hưởng của hệ số không khí thừa đến quá trình đồng cháy
• 5.5. Ảnh hưởng của tỉ lệ gió cấp 1 đến quá trình đồng cháy
• 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 6.1. Kiến nghị, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Cơ sở nghiên cứu quá trình đồng cháy của than và sinh khối. Mô phỏng CFD quá trình đồng cháy của than và sinh khối. Phân tích kết quả cháy than và sinh khối trong lò hơi ngọn lửa hình W.

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đồng cháy than và sinh khối trong lò hơi ngọn lửa hình W. Kết luận và kiến nghị.2 Đặc tính và tính chất của nhiên liệu sinh khối 1.1 Nguồn gốc, phân loại Có nhiều loại nhiên liệu sinh khối có sẵn trong môi trường khác nhau, từ gỗ đến vật liệu có nguồn gốc từ cỏ và rơm. Có một sự thay đổi đáng kể về tính chất của nhiên liệu sinh khối so với tính chất than. Để đốt cháy các loại sinh khối khác nhau trong nhà máy điện, các loại khí hóa khác nhau là các hệ thống đã được sử dụng.

Nói chung, nhiên liệu sinh khối được phân loại tùy thuộc vào nguồn gốc và tính chất của chúng. Dựa trên nguồn gốc, chúng có thể được phân loại thành bốn loại như phế liệu sơ cấp, phế liệu thứ cấp, phế liệu cấp ba và cây trồng năng lượng. Phế liệu sơ cấp bao gồm sinh khối như gỗ, rơm, ngũ cốc, ngô, v. chúng thường được lấy từ các sản phẩm bổ trợ của lâm sản và cây lương thực.

Phế liệu thứ cấp bao gồm các nhà máy cưa và giấy, ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống, hạt mơ, v. Phế liệu thứ cấp có nguồn gốc từ chế biến vật liệu sinh khối cho sản xuất công nghiệp và thực phẩm. Phế liệu cấp ba bao gồm chất thải và gỗ phá hủy, v. Chúng có nguồn gốc từ các vật liệu sinh khối được sử dụng khác.

Ngoài ra, sinh khối có thể được phân loại dựa trên các thuộc tính. Chúng bao gồm sinh khối gỗ; sinh khối thân thảo; chất thải có nguồn gốc sinh khối; sinh khối thủy sinh (tảo, v.2 Cấu trúc và thành phần hóa học của sinh khối: Trong sinh khối, hàm lượng tro tương đối cao hơn và ít nitơ được quan sát. Độ ẩm trong nhiên liệu sinh khối luôn cao so với than đá, và hàm lượng clo cao hơn cũng than. Nhưng nhiên liệu sinh khối sở hữu giá nhiệt trị thấp hơn than.

Những tính chất này ảnh hưởng đến thiết kế, vận hành và hiệu suất của các hệ thống đồng đốt. Bảng 1-1 tóm tắt phân tích hóa học và tính chất của nhiên liệu sinh khối được chọn được sử dụng cho các nghiên cứu đồng đốt khác nhau.3 Một số nghiên cứu trong và ngoài nước về quá trình đồng đốt 1.1 Ngoài nước Công nghệ đồng đốt đã được phát triển từ vài thập kỷ trước do sự quan tâm đến các vấn ¯ề liên quan đến ô nhiễm môi trường từ nhiên liệu than trong các nhà máy nhiệt điện. Công nghệ ¯ồng đốt kết hợp than và sinh khối là giải pháp hữu hiệu để giảm phát thải CO2 từ các nhà máy nhiệt điện [4]. Cụ thể, sự giảm phát 5 thải theo MWhe được đưa ra trên biểu đồ sau theo mức độ đồng đốt với sinh khối Hình 1.

Theo đó tỷ lệ sinh khối càng cao thì độ giảm phát thải khí nhà kính sẽ càng tăng. Theo ước tính cứ 10% đồng đốt sinh khối có thể giảm phát thải CO2 từ 45 tới 450 triệu tấn/năm tới năm 2035. Số liệu của IEA Clean Coal center năm 2009 có tới 169 nhà máy đã được triển khai công nghệ đồng đốt, trong đó Phần Lan là quốc gia có số nhà máy nhiệt điện áp dụng công nghệ đồng đốt nhiều nhất. Số liệu trên thế giới năm 2009 là 243 nhà máy, trong đó công nghệ đồng đốt được ứng dụng chủ yếu trong lò hơi đốt than phun, lò tầng sôi và tầng sôi tuần hoàn [5].3 Độ giảm phát thải CO2/MWhe theo tỷ lệ sinh khối [4] Tới năm 2010 công nghệ đồng đốt đã áp dụng ở rất nhiều quốc gia trên thế giới, trong đó khu vực Châu Âu và Mỹ là nơi có số lượng nhiều nhất; nhà máy Drax a UK của Anh được biết đến là dự án đồng đốt lớn nhất trên thế giới với công suất tới 4000 MW.

Tại Châu Á với các quốc gia đã áp dụng từ sớm như Thái Lan, Indonesia, Đài Loan. Tuy nhiên, các quốc gia lớn ở Châu Á là Trung Quốc, Nhật Bản và Hàn Quốc đang cho thấy khả năng triển khai lớn ở các quốc gia này. Tại Hàn Quốc có đến 1.097 MW điện từ công nghệ đồng đốt tính đến năm 2019; trong đó các nhà máy có công suất lớn trên 1000MW tỷ lệ đồng đốt từ 3-5%, các nhà máy nhỏ dưới từ 200-350MW có tỷ lệ đồng đốt từ 30-50% sinh khối[5]. Công nghệ đồng đốt trên thế giới, các mô hình đồng đốt sinh khối hiện nay được nhiều tác giả đề cập [6].

Chủ yếu gồm : Đồng đốt trực tiếp; đồng đốt gián tiếp; đồng đốt song song, được thể hiện như Hình 1. 6 Bảng 1-1 Tóm tắt tính chất hóa học của một số nhiên liệu sinh khối[3].4 Phân bố các nhà máy phát điện sử dụng công nghệ đồng đốt trên thế giới [5] Hình 1.5 Sơ đồ các công nghệ đồng đốt hiện nay[6]. Cả ba công nghệ này đều có thể được sử dụng trong lò hơi nhà máy nhiệt điện. Tuy nhiên, tùy thuộc vào ưu nhược điểm của từng loại mà sẽ phải lựa chọn công nghệ phù hợp với từng nhà máy và loại nhiên liệu sinh khối.

Về mặt kinh tế, chi phí để áp dụng công nghệ đồng đốt trực tiếp là thấp nhất và khả thi cho đầu tư, cụ thể: đầu tư bổ sung hệ thống đồng đốt cho các nhà máy nhiệt điện sẽ là khoảng 430-450 USD/kWe khi đốt trực tiếp hỗn hợp than và sinh khối; từ 760-900 USD/kWe cho hệ thống đốt trực tiếp cấp riêng rẽ hỗn hợp và 3000-4000 USD/kWe cho hệ thống đồng đốt gián tiếp[5]. Đặc điểm của 3 loại phương pháp này như sau: (i) Phương pháp đồng đốt trực tiếp (Direct co-firing): là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất đặc biệt cho lò than phun do đơn giản nhất và chi phí đầu tư 8 thấp nhất khi lắp bổ sung cho các nhà nhà máy đã hoạt động. Công nghệ này có thuận lợi là đạt được hiệu suất cao trong các lò hơi công suất lớn và cải thiện khả năng cháy trong buồng đốt do sinh khối có hàm lượng chất bốc cao, mặc dù còn có một số hạn chế là vấn đề đóng xỉ, giới hạn tỷ lệ sinh khối, và thiếu linh hoạt trong sử dụng các loại sinh khối khác nhau[7]. (ii) Phương pháp đồng đốt gián tiếp (Indirect co-firing): sẽ có thêm một thiết bị khí hóa tách riêng.

Tại đó, quá trình khí hóa sẽ tạo ra các khí thành phẩm. Phương pháp này có chi phí đầu tư cao do có thêm hệ thống khí hóa riêng. Tuy nhiên, nó cho phép đốt với nhiều loại sinh khối khác nhau và tỷ lệ sinh khối cao hơn. Công nghệ này cũng làm giảm đáng kể hiện tượng đóng xỉ bởi vì sinh khối không được đưa vào bên trong buồng đốt than.

(iii) Phương pháp đồng đốt song song (Parallel co-firing): Trong hệ thống đồng đốt song song thì sinh khối và than được cấp riêng rẽ vào lò hơi, hơi được tạo ra trong lò đốt sinh khối được trộn lẫn với hơi sản xuất từ lò hơi đốt than. Trong nhà máy nhiệt điện, hiện nay, phương pháp được áp dụng phổ biến nhất là công nghệ đồng đốt trực tiếp do là công nghệ có mức chi phí đầu tư thấp và không làm ảnh hưởng nhiều đến kết cấu và hiệu quả làm việc của lò, tuy nhiên, mức độ đồng đốt thường dưới 10%. Có 3 phương án lựa chọn cho phương pháp đồng đốt sinh khối trực tiếp với than trong lò hơi như sau: (1) Sử dụng cùng máy nghiền và vòi phun: Theo cách này bị ảnh hưởng bởi kích thước hạt và độ khô sinh khối, sử dụng cho một số nhiên liệu dạng viên nén được ép nén từ mùn cưa. Tỷ lệ đốt sinh khối <5%, sử dụng viên nén có chất bốc cao, có nhiệt trị thấp, có vấn đề về hệ thống phun do kích thước hạt sinh khối lớn hơn hạt than, có thể giảm được công suất máy nghiền của nhà máy.

(2) Sử dụng máy nghiền riêng, cùng vòi phun: Cách này phù hợp với viên nén gỗ, cho phép nghiền tới kích thước hạt sinh khối tối ưu. (3) Sử dụng máy nghiền riêng và vòi phun riêng: Cách này sẽ làm thay đổi lớn đối với lò hơi và không được lựa chọn phổ biến do ảnh hưởng cả về chi phí đầu tư ban đầu. Wijayapala và Mundunkotuwa [8] đã phân tích ưu nhược điểm của phương án đồng đốt (1) và (2) khi áp dụng công nghệ đồng đốt tại Sri lanka cho nhà máy nhiệt điện Lakvijaya. Trong khi đó phương án (3) không được lựa chọn do không phù hợp về mặt bằng kỹ thuật và kinh phí ban đầu.

Đối với 2 phương án đã thống kê trên, thì phương án số 1 có nhiều nhược điểm về mặt kỹ thuật khi so sánh với phương án 2; những vấn đề này không dễ dàng thực hiện được với các các loại sinh khối hiện có. Hệ thống chuẩn bị trộn nguyên liệu than và sinh khối ngay tại kho chứa không được kiểm soát, do đó tỷ lệ đồng đốt cũng không được kiểm soát và dễ bị thay đổi một cách khó lường làm cho quá trình cháy bên trong lò không như mong đợi. Ngoài ra, các máy nghiền than thường sử dụng máy nghiền bi có chỉ số HGI = 45-70, tuy nhiên đặc tính của loại nhiên liệu sinh khối tại Sri Lanka chỉ đạt được là 20 dưới điều kiện vật lý thông thường. Do đó, việc sử dụng chung 9 máy nghiền than là một trở ngại lớn của phương án này.

Một vấn đề nữa là việc chứa chung than và sinh khối trong thời gian từ 8 - 9h, do sinh khối được để vài ngày trong silo thì khí methane sẽ phát ra một lượng nhỏ có khả năng gây cháy. Đây là những vấn đề lớn đối với phương án (1). Đối với phương án (2) có vấn đề là hiện tượng tắc nghẽn đường ống phun khi trộn sinh khối với than. Tuy nhiên, điều này có thể được giảm thiểu bằng cách tính toán, thiết kế lựa chọn nơi gần nhất để lắp bộ phun phối sinh khối để tránh tắc nghẽn dòng.

Về công nghệ lò hơi khi áp dụng công nghệ đồng đốt: Các dạng công nghệ lò hơi chủ yếu được áp dụng cho công nghệ đồng đốt sinh khối được liệt kê theo Bảng 1-3 [6]. Tỷ lệ đốt kèm sinh khối trong lò tầng sôi lớn hơn so với lò than phun mặc dù công nghệ lò hơi đốt than phun rất phổ biến. Nguyên nhân là do lò than phun bị hạn chế về kích thước hạt nhiên liệu sinh khối (kích thước hạt < 10-20mm).