Nghiên cứu khí động, trao đổi nhiệt và vòng đời của công nghệ lớp sôi tuần hoàn (Luận án tiến sĩ)

LỜI CAM ĐOAN

BỘ
BỘGIÁO
GIÁODỤC
DỤCVÀ
VÀĐÀO
ĐÀOTẠO
TẠO
TRƯỜNG
ĐẠI
HỌC
BÁCH
KHOA
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ
HÀ NỘI
NỘI
---------------------------------------------------------------------------------

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu được trích
dẫn có nguồn gốc. Các kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được tác
giả nào công bố trong bất kỳ công trình nào.
Tác giả luận án

NGUYỄN
NGUYỄN MINH
MINH TIẾN
TIẾN

NGUYỄN MINH TIẾN

NGHIÊN
NGHIÊN CỨU
CỨU KHI
KHI ĐỘNG,
ĐỘNG, TRAO
TRAO ĐỔI
ĐỔI NHIỆT
NHIỆT VÀ
VÀ VÒNG
VÒNG ĐỜI
ĐỜI CỦA
CỦA
CÔNG
CÔNG NGHỆ
NGHỆ LỚP
LỚP SÔI
SÔI TUẦN
TUẦN HOÀN
HOÀN

Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
Mã số: 62520115
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS PHẠM HOÀNG LƯƠNG

HÀ NỘI-2018

HÀ NỘI-2018
i

Hà Nội-2016


LỜI CẢM ƠN
Với tất cả sự kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất, tác giả xin chân thành cảm ơn thầy
giáo hướng dẫn PGS.TS Phạm Hoàng Lương đã tận tình chỉ bảo và động viên trong suốt
quá trình nghiên cứu và viết luận án để tác giả có thể hoàn thành bản luận án này.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn cảm ơn tập thể các Thầy cô giáo Phòng nghiên cứu
năng lượng bền vững, Viện Tiên tiến khoa học và công nghệ, Viện Khoa học và Công
nghệ Nhiệt-Lạnh, Viện Đào tạo sau đại học của Trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận
tình góp ý và giúp đỡ tác giả trong quá trình thực hiện luận án.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Viện Tiên tiến khoa học và công nghệ, Chương trình
giáo sư UNESCO (Đại học Bách khoa Hà Nội) đã hỗ trợ tài chính trong việc cải tạo mô
hình buồng đốt lớp sôi tuần hoàn hiện có tại Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt-Lạnh, các
cán bộ kỹ thuật tại các Công ty nhiệt điện Na Dương, Cao Ngạn, Uông Bí đã cung cấp số
liệu thông tin về hiện trạng khai thác vận hành lò lớp sôi tuần hoàn (CFB), lò than phun
(PF) tại các công ty này.
Cuối cùng Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình và các bạn bè đã
động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian nghiên cứu, thực hiện luận án.

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... ii

MỤC LỤC ........................................................................................................................... iii
DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................... vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................ xi
DANH MỤC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ ..................................................................................... xiii
MỞ ĐẦU............................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài .......................................................................................... 2
3. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................................... 2
4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................... 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ........................................................................... 3
6. Điểm mới của luận án ........................................................................................................ 4
7. Bố cục của luận án ............................................................................................................. 4
CHƯƠNG 1-TỔNG QUAN VỀ KHÍ ĐỘNG HỌC, TRAO ĐỔI NHIỆT TRONG
LỚP SÔI TUẦN HOÀN VÀ ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH VÒNG ĐỜI ĐỂ SO SÁNH
CÔNG NGHỆ ...................................................................................................................... 5
1.1. Khí động học lớp sôi tuần hoàn ...................................................................................... 5
1.1.1. Các trạng thái tương tác khí-hạt .................................................................................. 5
1.1.2. Cơ chế của lớp sôi ....................................................................................................... 7
1.1.2.1. Lớp chặt .................................................................................................................... 7
1.1.2.2. Lớp sôi nhanh ........................................................................................................... 8
1.1.2.3. Phân bố giáng áp và độ rỗng trong buồng đốt lớp sôi nhanh ................................... 9
1.1.2.4.Vận tốc sôi tối thiểu ................................................................................................. 10
1.1.2.5.Vận tốc tới hạn ........................................................................................................ 12
1.2. Nghiên cứu thực nghiệm về tốc độ tuần hoàn hạt trong buồng đốt .............................. 14
1.2.1. Nghiên cứu thực nghiệm của Phạm Hoàng Lương và cộng sự ................................. 14
1.2.2. Nghiên cứu thực nghiệm của Sung Won Kim và cộng sự ........................................ 14
1.2.3. Nghiên cứu thực nghiệm của Myung Won Seo và các cộng sự ................................ 15
1.2.4. Nghiên cứu thực nghiệm của Tzeng Lim và các cộng sự .......................................... 16
1.2.5. Nghiên cứu thực nghiệm của Kalita và các cộng sự ................................................. 17
1.2.6. Nghiên cứu thực nghiệm của Jong Hun Lim và các cộng sự .................................... 18

1.2.7. Nghiên cứu thực nghiệm của N. Chovichien và các cộng sự .................................... 19
1.2.8. Nghiên cứu thực nghiệm của Tatjana và các cộng sự ............................................... 20
1.2.9. Đánh giá các nghiên cứu mô hình lý thuyết và mô hình thực nghiệm xác định tốc độ
tuần hoàn hạt trong lớp sôi tuần hoàn .................................................................................. 23
1.3. Truyền nhiệt trong lớp sôi tuần hoàn............................................................................ 24
1.3.1. Nguyên lý truyền nhiệt trong lớp sôi tuần hoàn ........................................................ 24
1.3.2. Cơ chế truyền nhiệt trong lớp sôi tuần hoàn .............................................................. 25
1.3.2.1. Truyền nhiệt từ khí tới hạt ...................................................................................... 25
1.3.2.2. Truyền nhiệt từ lớp sôi tới vách.............................................................................. 27
1.4. Mô hình lý thuyết truyền nhiệt từ lớp tới vách ............................................................. 33
1.4.1. Thành phần đối lưu hạt (Kcp) ..................................................................................... 34
1.4.2. Thành phần đối lưu pha phân tán (Kcd) ..................................................................... 38
1.4.3. Thành phần bức xạ (Kr) ............................................................................................. 39
1.5. Các nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách trong lớp sôi tuần hoàn ... 41
iii


1.5.1. Nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách của Gupta và Nag ............... 41
1.5.2. Nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách của Kalita và cộng sự ......... 42
1.5.3. Nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách của Pagliuso và cộng sự ..... 43
1.5.4. Nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách của Afsin Gungor và cộng sự
............................................................................................................................................. 44
1.5.5. Nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách của Koksal và cộng sự ....... 45
1.5.6. Nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách của Nirmal và cộng sự ....... 46
1.5.7. Đánh giá các nghiên cứu mô hình lý thuyết và mô hình thực nghiệm về trao đổi nhiệt
trong buồng đốt lớp sôi tuần hoàn ....................................................................................... 52
1.6. Vòng đời và ứng dụng phân tích vòng đời để so sánh công nghệ năng lượng ............. 53
1.6.1. Các khái niệm về Vòng đời ....................................................................................... 53
1.6.2. Ứng dụng phân tích Vòng đời để so sánh công nghệ năng lượng ............................. 53
CHƯƠNG 2-NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHÍ ĐỘNG HỌC VÀ TRAO ĐỔI

NHIỆT TRONG LỚP SÔI TUẦN HOÀN ...................................................................... 56
2.1. Hệ thống thí nghiệm ..................................................................................................... 56
2.2. Nghiên cứu thực nghiệm về khí động học lớp sôi tuần hoàn ....................................... 64
2.2.1. Mô hình xác định tốc độ tuần hoàn hạt trong buồng đốt lớp sôi tuần hoàn .............. 64
2.2.2. Nghiên cứu thực nghiệm xác định tốc độ tuần hoàn hạt trong buồng đốt lớp sôi tuần
hoàn ..................................................................................................................................... 65
2.2.2.1. Quá trình thí nghiệm ............................................................................................... 66
2.2.2.2. Phương pháp thu thập và xử lý số liệu ................................................................... 67
2.2.2.4. Kết luận về nghiên cứu thực nghiệm về khí động học lớp sôi tuần hoàn ............... 85
2.3. Nghiên cứu thực nghiệm truyền nhiệt trong lớp sôi tuần hoàn của tác giả .................. 86
2.3.1. Nghiên cứu thực nghiệm xác định hệ số trao đổi nhiệt dọc theo chiều cao ống lên . 86
2.3.1.1. Quá trình thí nghiệm ............................................................................................... 86
2.3.1.2. Phương pháp thu thập và xử lý số liệu ................................................................... 86
2.3.1.3. Kết quả thí nghiệm và các đánh giá ........................................................................ 89
2.3.1.4. Kết luận nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt từ lớp tới vách trong buồng đốt lớp
sôi tuần hoàn ...................................................................................................................... 109
CHƯƠNG 3-NGHIÊN CỨU VÒNG ĐỜI CỦA CÔNG NGHỆ LỚP SÔI TUẦN
HOÀN ............................................................................................................................... 111
3.1. Các khái niệm về vòng đời ......................................................................................... 111
3.1.1. Vòng đời .................................................................................................................. 111
3.1.2. Khái niệm đường biên của một vòng đời ................................................................ 111
3.2. Các bước thực hiện đánh giá vòng đời ....................................................................... 112
3.2.1. Kiểm kê nguồn ........................................................................................................ 112
3.2.2. Phân tích tác động môi trường................................................................................. 113
3.2.3. Phân tích và đề xuất các cơ hội cải thiện, tăng hiệu suất sử dụng năng lượng, giảm ô
nhiễm môi trường .............................................................................................................. 114
3.3. Các phương pháp so sánh công nghệ năng lượng ...................................................... 114
3.3.1. So sánh dựa trên một bộ các hiển thị/chỉ số ............................................................ 114
3.3.2. So sánh dựa trên cách tiếp cận hệ thống .................................................................. 115
3.3.3. So sánh dựa trên các phương pháp tư vấn ............................................................... 116

3.4. So sánh công nghệ nhiệt điện đốt than theo quan điểm phát thải vòng đời CO2 ....... 117
3.4.1. Giới hạn so sánh ...................................................................................................... 117
3.4.2. Tính toán chi phí sản xuất điện................................................................................ 117
3.4.3. Chi phí biên giảm phát thải khí nhà kính................................................................. 118
3.4.4. Hệ số phát thải CO2 của các khâu trong quá trình sản xuất điện năng .................... 119
3.4.4.1. Tính toán hệ số phát thải vòng đời CO2 ............................................................... 119
3.4.4.2. Hệ số phát thải CO2 tại khâu khai thác than ......................................................... 119
iv


3.4.4.3. Hệ số phát thải CO2 khâu vận chuyển than .......................................................... 120
3.4.4.4. Hệ số phát thải khí CO2 tại khâu sản xuất điện .................................................... 120
3.5. So sánh công nghệ đốt than tại nhà máy nhiệt điện Uông Bí và Na Dương .............. 121
3.5.1. Đặc tính công nghệ của hai nhà máy ....................................................................... 121
3.5.1.1. Đặc tính công nghệ nhà máy nhiệt điện Uông Bí sử dụng công nghệ đốt than phun
(Pulverized Fuel, PF)[1]: ................................................................................................... 121
3.5.1.2. Đặc tính công nghệ nhà máy nhiệt điện Na Dương sử dụng công nghệ đốt lớp sôi
tuần hoàn (Circulation fluidized bed, CFB)[ 3, 5, 15]:...................................................... 128
3.5.2. Lựa chọn các thông số đầu vào của hai nhà máy .................................................... 134
3.5.3. Kết quả tính toán của phương án ............................................................................. 136
3.5.4. Đánh giá................................................................................................................... 137
3.5.5. Kết luận ................................................................................................................... 138
CHƯƠNG 4- KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ..................................................................... 139
4.1. Kết luận ...................................................................................................................... 139
4.1.1. Khí động học trong lớp sôi tuần hoàn ..................................................................... 139
4.1.2. Trao đổi nhiệt trong lớp sôi tuần hoàn .................................................................... 140
4.1.3. Sử dụng công nghệ lớp sôi tuần hoàn để sản xuất điện năng .................................. 142
4.1.4. Ý nghĩa thực tiễn của luận án .................................................................................. 142
4.2. Đề xuất........................................................................................................................ 143
4.2.1. Khí động học trong lớp sôi tuần hoàn ..................................................................... 143

4.2.2. Trao đổi nhiệt trong lớp sôi tuần hoàn .................................................................... 143
4.2.3. Sử dụng vòng đời để so sánh công nghệ năng lượng .............................................. 143
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 144
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ......................... 150
PHỤ LỤC ............................................................................................................................. 1

v


DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
TT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

Ký hiệu
A
AR

AD
Ab
Ahtp
B
Ccp
Cg
ch
Cp
cv
Cvs
CD
Cl
Cpp

16

Ct

17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28

29
30
31
32
33
34
35

D
Db
DD
DLV
DLV,h
Dbmax
dpt
dp
dpi
dt
eb
ed
eg
ep
ecp
ew
ewall
ewt
f

36
37

fc
fcp

38

fg

Ký hiệu đại lượng (theo chữ Latinh)
Tên đại lượng
Thứ nguyên
Diện tích mặt cắt ngang của lớp hạt
[m2]
Diện tích mặt cắt ngang ống lên
[m2]
Diện tích mặt cắt ngang ống xuống
[m2]
Diện tích vách nhận bức xạ
[m2]
Diện tích mặt cắt ngang của thiết bị đo thăm dò truyền nhiệt
[m2]
Thông số trong phương trình (1.64)
[-]
Nhiệt dung riêng của cụm hạt (cp: cluster of particle)
[kJ/kg.K]
Nhiệt dung riêng của khí (g: gas)
[kJ/kg.K]
Hệ số hiệu chuẩn trong phương trình (1.80)
[-]
Nhiệt dung riêng của hạt (p: particle)

[kJ/kg.K]
Nồng độ thể tích hạt trung bình
[-]
Nồng độ thể tích hạt trung bình tại mặt cắt ngang
[-]
Hệ số nâng, tại phương trình 1.31
[-]
Hệ số điều chỉnh đối với chiều dài ống
[-]
Hệ số hiệu chỉnh phản ánh sự tham dự của hạt trong
[-]
pha phân tán
Hệ số hiệu chỉnh về sự khác biệt nhiệt độ giữa vách và
[-]
môi trường
Đường kính buồng đốt/ống lên
[m]
Đường kính bọt
[m]
Đường kính trong của ống nhựa Acrylic
[m]
Đường kính trong của van L
[m]
Đường kính trong van L (theo phương ngang của van L)
[m]
Kích thước cực đại của bọt khí
[m]
Đường kính của hạt thô
[m]
Đường kính hạt (p: particle)

[m]
Đường kính hạt có tỷ phần xi
[m]
Đường kính ống
[m]
Độ đen của lớp (b: bed)
[-]
Độ đen của pha phân tán (d: dilute phase)
[-]
Độ đen của khí (g: gas)
[-]
Độ đen của hạt (p: particle)
[-]
Độ đen của cụm hạt (cp: cluster of particle)
[-]
Độ đen của vách
[-]
Độ đen của bề mặt trao đổi nhiệt
[-]
Độ đen của vật liệu vách
[-]
Tỷ phần trung bình diện tích theo thời gian của vách
[-]
được bao phủ bởi hạt
Tỷ phần hạt trong cụm hạt
[-]
Tỷ số vách được bao phủ bởi cụm hạt là hàm số độ
[-]
rỗng trung bình tại mặt cắt ngang lớp sôi
Phần diện tích được bao phủ bởi khí

[-]

39

fp

Tỷ phần thể tích hạt trong lớp

[-]

40

fs

Phần diện tích được bao phủ bởi hạt

[-]

vi


41
42
43
44
45
47
48
49
50

51
52
53

F
FD
g
gc
Gd
G0
gp
Gp
GR
Gu
K
KAR

54

Kgpb

55

Kccp

56
57

Kcb
Kdcp

58
59

Kc
Krcp

60

Kcd

61
62

Kp
Krd

63
64
65
66
67

Kcg
Kgpp
Kcp
Kr
Kw

68

Kx

69
70
71

H
HTG
Hv

72
73
74
75
76
77
78
79

I
Kt
l
L
La
Lb
Lc
LD

Tỷ số độ lớn của hạt trong pha loãng

Lực nâng hạt
Gia tốc trọng trường
Hệ số chuyển đổi
Dòng khối lượng hạt di chuyển xuống
Lưu lượng gió sơ cấp
Khối lượng hạt tuần hoàn
Tốc độ tuần hoàn hạt
Lưu lượng gió tuần hoàn hạt
Dòng khối lượng hạt di chuyển lên
Hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách
Hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách dọc theo chiều cao
ống lên
Hệ số truyền nhiệt khí hạt cho toàn bộ lớp (gpb: gas to
particle of bed)
Hệ số truyền nhiệt đối lưu của cụm hạt (ccp: cluster of
particle convective)
Hệ số trao đổi nhiệt cục bộ từ lớp tới vách
Hệ số trao đổi nhiệt do bởi dẫn nhiệt của cụm hạt (dcp:
cluster of particle conductive)
Hệ số truyền nhiệt đối lưu (c: convective)
Hệ số truyền nhiệt bức xạ của cụm hạt (rcp: radial of
particle cluster)
Hệ số truyền nhiệt đối lưu của pha phân tán (cd:
convective of dilute phase)
Hệ số trao đổi nhiệt tương ứng với đường kính hạt dp.
Hệ số truyền nhiệt bức xạ của pha phân tán (rd: Radial
of dilute phase)
Hệ số truyền nhiệt đối lưu của khí (cg: convective of gas)
Hệ số truyền nhiệt khí-hạt của hạt đơn (gas-particle)
Hệ số truyền nhiệt đối lưu của hạt (cp: convective of particle)

Hệ số truyền nhiệt bức xạ (r: radial)
Hệ số truyền nhiệt do bởi dẫn nhiệt qua lớp khí giữa
cụm hạt và vách
Hệ số truyền nhiệt được tính toán tại độ cao x từ đỉnh
của lớp
Chiều cao ống lên (buồng đốt) tính từ mặt ghi
Chiều cao phía trên ghi phân phối
Chiều cao lớp theo phương thẳng đứng được đo từ mặt
của ghi
Cường độ dòng điện
Hệ số chính xác trong phương trình (1.36) và (1.37).
Chiều cao thiết bị đo truyền nhiệt
Chiều cao lớp
Chiều cao đo hạt tuần hoàn
Chiều dài tia trung bình
Chiều dài di chuyển tiêu biểu của cụm hạt trên vách
Chiều dài đoạn ống được sử dụng để đo thời gian rơi
của hạt
vii

[-]
[N]
[m/s2]
=1(kg.m/N.s2)
[kg/m2.s]
[m3/s]
[kg/s]
[kg/m2.s]
[m3/s]
[kg/m2.s]

[W/m2.K]
[W/m2.K]
[W/m2.K]
[W/m2.K]
[W/m2.K ]
[W/m2.K]
[W/m2.K]
[W/m2.K]
[W/m2.K]
[W/m2.K]
[W/m2.K]
[W/m2.K]
[W/m2.K]
[W/m2.K]
[W/m2.K]
[W/m2.K]
[W/m2.K]
[m]
[m]
[m]
[A]
[-]
[m]
[m]
[m]
[m]
[m]
[m]

80
81
82
83
84

LLV,h
Lmf
ma
mp
 PL

Chiều dài theo thương ngang van L
Chiều cao của lớp ở vận tốc sôi tối thiểu
Dòng khối lượng hạt qua mặt ghi phân phối
Khối lượng hạt
Giáng áp tại van L (theo phương ngang của van)

85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96

97
98

q
qbw
r
r1, r2
R
Ra
Rcp
Rw
tcp
Tb
Tf
Tw
Twall
U

99
100

Ucp
Uch

101
102

Ucl
Upt

Dòng nhiệt
Dòng nhiệt truyền từ lớp tới bề mặt vách
Khoảng cách bán kính từ trục của buồng đốt
Khoảng cách từ cặp nhiệt đến tâm ống
Bán kính hay ½ chiều rộng buồng đốt
Tốc độ mài mòn hạt
Nhiệt trở dẫn nhiệt trong cụm hạt
Nhiệt trở tiếp xúc giữa cụm hạt và vách
Thời gian cư trú của cụm hạt trên vách
Nhiệt độ của lớp
Nhiệt độ buồng đốt
Nhiệt độ bề mặt vách
Nhiệt độ bề mặt trao đổi nhiệt
Vận tốc khí trên bề mặt, được xác định như là tốc độ
dòng khí trên một mặt cắt ngang qua của lớp.
Vận tốc của cụm hạt (cp: Cluster of particle)
Vân tốc chèn (ch: Chocking – Chèn) là vận tốc mà tại
đó lớp cố định bắt đầu chuyển sang lớp sôi nhanh
Vận tốc trung bình của cụm hạt trên vách

103

UE

104

Ug, ug

105
106

107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120

[m]
[m]
[kg/s]
[kg]
[Pa]
[W]
[W/m2]
[m]
[m]
[m]
[kg/s]
[m2.K/W]
[m2.K/W]
[s]
[K]

[K]
[K]
[K]
[m/s]
[m/s]
[m/s]
[m/s]
[m/s]

Umf
UO,LV
Ut
V
Ve
Vem
Vm
Vp
Vt
W

Vận tốc của hạt thô là vận tốc của hạt thô có đường
kính dcp trong lớp hạt có đường kính trung bình là dp
Tốc độ cấp nước vào ống lên ứng với giá trị cứ đại của
độ rỗng lớp hạt  =1 (nghĩa là không có hạt rắn trong
ống lên)
Vận tốc dòng khí trên bề mặt tương ứng với tổng tốc
độ dòng khí
Vận tốc sôi tối thiểu
Vận tốc khí trên bề mặt tại van L
=(U-Up), Vận tốc tới hạn của hạt

Thể tích lớp
Điện áp
Điện áp đo được từ đồng hồ
Vận tốc rơi cực đại của cụm hạt trên vách
Vận tốc rơi trung bình của hạt trong ống xuống
Vận tốc tới hạn của lớp hạt trung bình
Tổng khối lượng lớp hạt

[m/s]
[m/s]
[m/s]
[m3]
[V]
[mV]
[m/s]
[m/s]
[m/s]
[kg]

Wb
WD
WF
x
xa
xi

Khối lượng hạt
Khối lượng hạt được rút ra từ đoạn ống đo
Khối lượng hạt trong buồng lửa
Khoảng cách cụm tính từ bề mặt cánh

Tỷ phần trọng lượng của hạt sau mài mòn tại dpi
Tỷ phần trọng lượng hạt có đường kính dpi

[kg]
[kg]
[kg]
[m]
[-]
[-]

viii

[m/s]

[m/s]


121
122
123
124

X
Y
z
Z

TT
1
2

3

Ký hiệu
Ar
Nu
Nubed

4
5

Nucb
Nup

6
7
8
9
10
11

NuTB
NuTBTN
NuTNHQ
Nuwp
Re
Rec

12
13

Rept
Rep

14
15

Rep,mf
Rek

16

Ret

TT
1
2

Ký hiệu
P / L

3



a
p

Khoảng cách ở phía trên ghi phân phối
Tỷ phần thể tích hạt trong pha phân tán
Trục tọa độ

Thông số trong phương trình (1.80)
Ký hiệu đại lượng (theo số không thứ nguyên )
Tên đại lượng
Archimedes
Số Nusselt
Số Nusselt dựa trên hệ số truyền nhiệt khí-hạt cho toàn
bộ lớp
Số Nusselt cục bộ
Số Nusselt dựa trên hệ số truyền nhiệt khí-hạt
(Kgpdp/  g )

[m]
[-]
[m]
[-]
Thứ nguyên
[-]
[-]
[-]
[-]
[-]

Số Nusselt trung bình cho toàn bộ chiều cao của ống lên
Số Nusselt trung bình theo thực nghiệm
Số Nusselt trung bình theo hồi quy
Số Nusselt của hạt-vách = hgp.dp/Kg
Số Reynold
Số Reynold ở chế độ bắt đầu sôi rối được xác định
theo phương trình (1.7)
Số Reynold của hạt thô, dựa trên vận tốc trượt khí-hạt

Số Reynold của hạt = U  U p d p  p / 

[-]
[-]
[-]
[-]
[-]
[-]

Số Reynold của hạt ở điều kiện sôi
Số Reynold ở chế độ chuyển sang sôi rối hoàn toàn,
được xác định theo phương trình (1.8)
Số Reynold dựa trên cột lớp trong ống (column) =
U.dt.  p / 

[-]
[-]





Ký hiệu đại lượng (theo chữ Hy Lạp )
Tên đại lượng
Chênh lệch áp suất trên một đơn vị chiều dài
Chiều dày không thứ nguyên của khe khí giữa vách và
cụm hạt
Chiều dày của hình vành khuyên

[-]

[-]

[-]

Thứ nguyên
[mmH2O/m]
[-]
[m]

Độ rỗng lớp hạt

[-]

Độ rỗng trung bình tại mặt cắt ngang của pha loãng

[-]

Độ rỗng trung bình của lớp

[-]

Độ rỗng lớp ở trạng thái chèn
Độ rỗng cụm hạt
Độ rỗng lớp hạt di chuyển trong ống xuống

[-]
[-]
[-]

10


 av
c
cp
m
 mf

Độ rỗng lớp hạt ở điều kiện sôi tối thiểu

[-]

11

 p, w

Độ rỗng lớp hạt gần vách

[-]

12

Độ rỗng lớp hạt gần vách, [-]

[-]

13

w
p

Độ cầu của các hạt trong lớp

[-]

14

cp

Hệ số dẫn nhiệt của cụm hạt (cp: cluster of partical)

4
5
6
7
8
9



ix

[W/m.k]


16

d
cw

17

g

18

Hệ số dẫn nhiệt của hợp kim Inconel

(W/m.K)

19

inconel
p

Hệ số dẫn nhiệt của hạt

[W/m.K]

20



Độ nhớt động học của môi chất tạo sôi

[kg/m.s]

21

g

Độ nhớt động học của khí

[kg/m.s]

22

 H 2O

Độ nhớt động học của nước

[kg/m.s]

23

 cp

Khối lượng riêng cụm hạt

[kg/m3]

24

f

Khối lượng riêng của khí

[kg/m3]

25

p

Khối lượng riêng của hạt

[kg/m3]

26

b

Khối lượng riêng lớp hạt

[kg/m3]

27

b


Khối lượng riêng trung bình lớp hạt tại mặt cắt ngang

[kg/m3]

15

28



Hệ số dẫn nhiệt của pha phân tán (d: dilute-phân tán)

[W/m.k]

Hệ số dẫn nhiệt hiệu quả của một cụm hạt gần vách
(cw: cluster nearby wall – cụm hạt gần vách)
Hệ số dẫn nhiệt của khí (g: gas-khí)

[W/m.K]

Hằng số Stefan Boltzmann (5,67.10-11)

x

[W/m.K]

kW/m2.K4


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 So sánh các điểm đặc trưng của các quá trình tiếp xúc khí-rắn ở trên [87]....................... 6
Bảng 1.2 Biểu thức thực nghiệm xác định vận tốc sôi tối thiểu của một số tác giả [38, 95] .........11
Bảng1.3 Chi tiết các nghiên cứu thực nghiệm về tốc độ tuần hoàn của các tác giả khác ..............21
Bảng 1.4 Các quá trình trao đổi nhiệt trong lò hơi lớp sôi tuần hoàn[87].......................................25
Bảng 1.5. Các mô hình lý thuyết về truyền nhiệt trong lớp sôi nhanh [86] .....................................33
Bảng 1.6 Chi tiết các nghiên cứu thực nghiệm về trao đổi nhiệt từ lớp tới vách trong lớp sôi
nhanh của một số tác giả khác ............................................................................................50
Bảng 1.7. Cơ sở dữ liệu cơ bản được sử dụng để xác định đặc tính các công nghệ năng lượng
được so sánh [70]..................................................................................................................54
Bảng 2.1. Phân bố cỡ hạt của 3 loại cát được làm thí nghiệm ..........................................................61

Bảng 2.2. Kết quả xác định đường kính trung bình tính toán của 3 loại cát được sử dụng cho thí
nghiệm ...................................................................................................................................62
Bảng 2.3 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên của 03 cỡ hạt có đường kính trung bình
200 µm, 300 µm và 400 µm ................................................................................................76
Bảng 2.4. Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của các thông số vận hành đối với tốc độ tuần hoàn hạt
................................................................................................................................................78
Bảng 2.5. Kết quả xác định các hệ số của biểu thức hồi quy (2.18) bằng phần mềm Microsoft
exel .........................................................................................................................................82
Bảng 2.6 Các số liệu đo được từ thí nghiệm trao đổi nhiệt ...............................................................97
Bảng 2.7 Quan hệ giữa khối lượng riêng lớp hạt, vận tốc gió sơ cấp và tốc độ tuần hoàn hạt với
hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới tường ống lên ......................................................................98
Bảng 2.8 Số liệu đo từ thí nghiệm trao đổi nhiệt dọc theo chiều cao ống lên khi không có hạt 101
Bảng 2.9 Quan hệ giữa thông số vận hành với trao đổi nhiệt từ lớp tới vách dọc theo chiều cao
ống lên................................................................................................................................. 102
Bảng 2.10. Kết quả xác định các hệ số của biểu thức hồi quy (2.27) bằng phần mềm Microsoft
exel ...................................................................................................................................... 103
Bảng 2.11 Ảnh hưởng của khối lượng riêng lớp sôi tới trao đổi nhiệt lớp-vách dọc theo chiều cao
ống lên................................................................................................................................. 105
Bảng 2.12. Kết quả xác định các hệ số của biểu thức hồi quy (2.29) bằng phần mềm Microsoft
exel ...................................................................................................................................... 108
Bảng 2.13. Hệ số trao đổi nhiệt trung bình tính cho toàn bộ chiểu cao lớp sôi ............................ 109
Bảng 3.1. Ưu điểm và tồn tại chính của phương pháp so sánh công nghệ dựa trên một tập các chỉ
số/hiển thị. .......................................................................................................................... 115

xi


Bảng 3.2 Ưu điểm và tồn tại chính của phương pháp mô hình hoá hệ thống chi phí tối thiểu để so
sánh năng lượng ................................................................................................................. 116
Bảng 3.3. Ưu điểm và tồn tại chính của phương pháp tư vấn để so sánh công nghệ .................. 117

Bảng 3.4. Một số chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, vận hành của 2 tổ máy 55MW [1] ......................... 122
Bảng 3.6 Thông số vận hành kỹ thuật, kinh tế và môi trường lò hơi số 5 + lò hơi số 6 [1]....... 126
Bảng 3.7 Thông số vận hành kỹ thuật, kinh tế và môi trường lò hơi số 7 + lò hơi số 8 [1]....... 126
Bảng 3.8 Đặc tính kỹ thuật dầu FO [1] ........................................................................................... 127
Bảng 3.9 Kết quả quan trắc phát thải khí từ nhà máy điện Uông Bí [1] ...................................... 128
Bảng 3.10. Thông số nhiên liệu than sử dụng cho nhà máy nhiệt điện Na Dương [ 5 ] ............. 130
Bảng 3.11 Đặc tính đá vôi sử dụng cho nhà máy nhiệt điện Na Dương [ 5 ] .............................. 130
Bảng 3.12 Kết quả phân tích thành phần tro xỉ sử dụng cho nhà máy nhiệt điện Na Dương [ 5 ]
............................................................................................................................................. 131
Bảng 3.13 Sản lượng điện hàng năm của NMNĐ Na Dương [5] ................................................. 132
Bảng 3.14 Thời gian vận hành liên tục không bị sự cố dừng lò [5 ] ............................................. 132
Bảng 3.15 Thời gian vận hành của các tổ máy trong một năm [ 5 ] ............................................. 132
Bảng 3.16 Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, môi trường đạt được [5 ] ............................................... 133
Bảng 3.17. Thông số định mức của từng nhà máy.......................................................................... 134
Bảng 3.18. Các kết quả tính toán về phát thải và chi phí biên giảm phát thải khí nhà kính ....... 136
Bảng PL-01 Danh sách thiết bị đo ................................................................................................ PL-15
Bảng PL-02. Một số hình ảnh màn hình máy tính trong quá trình tiến hành thí nghiệm ....... PL-16

xii


DANH MỤC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ
Hình 1.1- (a) Lớp cố định của các hạt qua đó mà dòng khí đang thổi. (b) Lớp sôi bọt thể
hiện sự tuần hoàn khí xung quanh bọt. (c) Lớp sôi rối. (d) Lớp lưu động hay lớp
cuốn.[87] ............................................................................................................... 5
Hình 1.2 -Quan hệ giữa giáng áp lớp hạt và tốc độ dòng khí theo các chế độ giả lỏng [38]
............................................................................................................................... 6
Hình 1.3 -Nguyên lý hoạt động của CFB [87] ..................................................................... 7
Hình 1.4 - Lớp sôi nhanh bao gồm các cụm hạt chuyển động lên xuống có sự phân tán của
pha loãng [87]. ..................................................................................................... 9

Hình 1.5 - Sự biến đổi từ chế độ chuyển động kiểu khí nén sang chế độ sôi nhanh có thể xảy
ra khi tốc độ tuần hoàn hạt gia tăng trong khi giữ nguyên vận tốc khí tại một giá trị
[87] ........................................................................................................................ 9
Hình 1.6- Cân bằng lực cho hạt di chuyển lên trên dòng khí [87] .................................... 13
Hình 1.7- Sơ đồ nguyên lý Mô hình lạnh CFB của Sung Won Kim (2002); 1-ống lên; 2Cyclone; 3-Phễu; 4-Van L; 5-Cửa lấy mẫu; 6-Van bướm; 7-Bộ phân phối [97]
............................................................................................................................. 15
Hình 1.8- Sơ đồ nguyên lý Mô hình lạnh CFB của Myung Won Seo (2011). 1-Ống lên; 2Cyclone; 3-Van bi; 4-Ống xuống; 5-Lớp sôi bọt; 6-Loop seal; 7-Hộp gió; 8Đường xả [75] ..................................................................................................... 16
Hình 1.9- Sơ đồ nguyên lý mô hình lạnh CFB của Tzeng Lim (2012) [100] ..................... 17
Hình 1.10- Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm lớp sôi tuần hoàn có áp của Kalita và cộng sự
(2013) [88] .......................................................................................................... 18
Hình 1.11- Sơ đồ nguyên lý lớp sôi tuần hoàn có kích thước ống lên 2,6mx0,009m của
Jong Hun Lim và cộng sự [58] ........................................................................... 19
Hình 1.12- Sơ đồ nguyên lý lớp sôi tuần hoàn có kích thước ống lên 2,6mx0,009m của
N.Chovichien và cộng sự [76] ............................................................................ 20
Hình 1.13- Sơ đồ hệ thống thí nghiệm nguyên lý lớp sôi tuần hoàn của Tatjana và cộng sự
[98]...................................................................................................................... 20
Hình 1.14 Các vùng hấp thụ nhiệt của lò hơi lớp sôi tuần hoàn [87] .............................. 24
Hình 1.15 Tác động của số Reynolds của hạt lên khí đối với số Nusselt của hạt ở các loại
lớp sôi khác nhau (Watanabe và cộng sự )[102]. ............................................... 26
Hình 1.16- Nguyên lý của cơ chế truyền nhiệt tới các vách .............................................. 28
của lò hơi lớp sôi tuần hoàn [87] ...................................................................................... 28
Hình 1.17- Khoảng cách trung bình giữa bề mặt hạt và bề mặt ống [87] ........................ 29
Hình 1.18 Cơ chế truyền nhiệt trong một lớp sôi nhanh [87] ........................................... 30
Hình 1.19-Sơ đồ nguyên lý mô hình thí nghiệm của Gupta và Nag [24] .......................... 41
Hình 1.20- Sơ đồ nguyên lý mô hình thí nghiệm của Paglusio và cộng sự [59] ............... 43
Hình 1.21. Sơ đồ nguyên lý mô hình thí nghiệm của Koksal và cộng sự [74] ................... 46
Hình 1.22. Nguyên lý của mô hình làm mới cụm hạt (Nirmal và cộng sự [46]) .............. 47
Hình 1.23. Sơ đồ đánh giá vòng đời đối với các quá trình sản xuất điện năng từ than [81]
............................................................................................................................. 55
Hình 2.1 - Sơ đồ nguyên lý hệ thống thiết bị thí nghiệm lớp sôi tuần hoàn tại Viện Khoa

học và Công nghệ Nhiệt lạnh [53] ..................................................................... 57
Hình 2.2-Tổng thể hệ thống thí nghiệm tại Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt lạnh ...... 58
Hình 2.3-Đồng hồ hiển thị chênh lệch áp suất (PDIR2 đến PDIR8) ................................. 58
Hình 2.4: Đồng hồ đo lưu lượng gió sơ cấp (FIR7) .......................................................... 58
Hình 2.5-Van điều khiển và thang đo lưu lượng gió tuần hoàn hạt (FI4, FI5) ................. 58
Hình 2.6-Chi tiết cấu tạo ống quan sát tại đường ống xuống............................................ 59
xiii


Hình 2.7- ống quan sát(nhựa Arcylic) có nối bích tại ví trí chân ống xuống .................... 59
Hình 2.8- Quan sát sự tuần hoàn của hạt tại ống xuống ................................................... 59
Hình 2.9- ống thép có nối bích tại ví trí chân ống xuống .................................................. 60
Hình 2.10- Màn hình hiển thị các thông số vận hành ........................................................ 60
Hình 2.11 Bộ cảm biến đo dòng nhiệt (HFS 100FT) và cảm biến nhiệt độ bề mặt vách
(cặp nhiệt loại T) ................................................................................................. 60
Hình 2.12 Thiết bị hiển thị nhiệt độ bề mặt vách (UDC 700 Universal Honeywell) ......... 60
Hình 2.13 Thiết bị hiển thị mật độ dòng nhiệt dạng Mv (Voltmeter) ................................. 60
Hình 2.14 Gắn thiết bị cảm biến lên bề mặt ngoài ống lên- đo nhiệt độ mặt ngoài của ống
lên của CFB ........................................................................................................ 61
Hình 2.15 Gắn thiết bị cảm biến lên bề mặt ngoài ống lên-đo mật độ dòng nhiệt của ống
lên của CFB ........................................................................................................ 61
Hình 2.16 Quy trình đo tốc độ tuần hoàn hạt .................................................................... 67
Hình 2.17 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên (tại Ur=0,46 m/s,
W=30kg, dp=400 m ) ......................................................................................... 70
Hình 2.18 Ảnh hưởng của gió sơ cấp đến tốc độ tuần hoàn hạt ở các giá trị vận tốc gió
tuần hoàn hạt khác nhau (W=25kg, dp=300 m ) .............................................. 71
Hình 2.19 Ảnh hưởng của vận tốc gió sơ cấp đối với tốc độ tuần hoàn hạt được so với kết
quả nghiên cứu của tác giả khác. ....................................................................... 71
Hình 2.20 Ảnh hưởng của vận tốc gió tuần hoàn hạt đến tốc độ tuần hoàn hạt tại các giá
trị gió sơ cấp khác nhau ( W=30kg, dp=300 m ) .............................................. 72

Hình 2.21 Ảnh hưởng của vận tốc gió tuần hoàn hạt đến tốc độ tuần hoàn hạt so với kết
quả của tác giả khác. .......................................................................................... 72
Hình 2.22 Ảnh hưởng của khối lượng lớp đến tốc độ tuần hoàn hạt với các giá trị khác
nhau của gió sơ cấp (Ur=0,46 m/s, dp=200 m ) ............................................... 73
Hình 2.23 Ảnh hưởng của đường kính hạt đến tốc độ tuần hoàn hạt với các kích thước hạt
khác nhau (Ur=0,46 m/s,W=30kg) ..................................................................... 74
Hình 2.24 Ảnh hưởng của kích thước hạt đối với tốc độ tuần hoàn hạt so với kết quả của
tác giả khác ......................................................................................................... 74
Hình 2.25: So sánh giá trị tính toán và thực nghiệm của tốc độ tuần hoàn hạt Gp .......... 83
Hình 2.26. So sánh kết quả tính tốc độ tuần hoàn hạt từ các biểu thức (1.25) (1.27) và
(2.19) với kết quả thí nghiệm .............................................................................. 84
Hình 2.27 Quy trình đo hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách .............................................. 87
Hình 2.28 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên theo nhiệt độ lớp sôi
(Ur=0,46 m/s, W=25kg, U0=6,07 m/s dp=200 m ) .......................................... 89
Hình 2.29 Phân bố khối lượng riêng lớp hạt dọc theo chiều cao ống lên ......................... 90
(Ur=0,46 m/s, W=30kg, dp=200 m )................................................................................ 90
Hình 2.30 Hệ số trao đổi nhiệt cục bộ từ lớp tới vách dọc theo chiều cao ống lên ở chế độ
thí nghiệm Ur=0,46 m/s, U0=5,46 m/s, W=30kg ............................................... 91
Hình 2.31 Ảnh hưởng của vận tốc gió sơ cấp đối với hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách
dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46m/s, W=30kg, dp=200 m )...................... 91
Hình 2.32. So sánh ảnh hưởng của vận tốc gió sơ cấp đối với hệ số trao đổi nhiệt từ lớp
tới vách với các tác giả khác ............................................................................... 92
Hình 2.33 Ảnh hưởng của khối lượng riêng lớp hạt đến hệ số trao đổi nhiệt lớp-vách
(W=30kg, Ur=0,46 m/s, dp=0 m , 200 m , 300 m và 400 m ) ...................... 93
Hình 2.34 Ảnh hưởng của nhiệt độ lớp sôi, đường kính trung bình hạt đến hệ số trao đổi
nhiệt lớp-vách...................................................................................................... 94
Hình 2.35 Ảnh hưởng của tốc độ tuần hoàn hạt đến hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách . 95
xiv

Hình 2.36 So sánh kết quả tính và số liệu thực nghiệm của Nusselt trung bình cho toàn bộ
chiều cao ống lên ................................................................................................ 96
Hình 2.37. So sánh kết quả tính và số liệu thực nghiệm của Nu trung bình ở phần dưới
của ống lên ........................................................................................................ 104
Hình 3.1 Các giai đoạn chính của 1 vòng đời [32] ......................................................... 111
Hình 3.2. Các quá trình sản xuất điện từ than ................................................................. 117
Hình 3.3. Phát thải CO2 từ sản xuất than (gCO2/tấn than nhiên liệu)[67] .................... 119
Hình 3.4. Sơ đồ nhiệt lò hơi nhà máy điện Uông Bí [1] .................................................. 124
Hình 3.5 Sơ đồ lò CFB compact của nhà máy nhiệt điện Na Dương [5] ........................ 129
Hình PL .1 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,44 m/s, W=30kg,
dp=400 m ) .................................................................................................... PL-1
Hình PL.2 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,42 m/s, W=30kg,
dp=400 m ) .................................................................................................... PL-1
Hình PL.3 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/, W=25kg,
dp=300 m ) .................................................................................................... PL-1
Hình PL.4 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/s -W=30kg,
d300 m ) ......................................................................................................... PL-1
Hình PL.5 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,44 m/s, W=30kg,
dp=300 m ) .................................................................................................... PL-1
Hình PL.6 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,44 m/s, W=25kg,
dp=300 m ) .................................................................................................... PL-1
Hình PL.7 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,42 m/s, W=30kg,
dp=300 m ) .................................................................................................... PL-2
Hình PL.8 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,42 m/s, W=25kg,
dp=300 m ) .................................................................................................... PL-2
Hình PL.9 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/s, W=25kg,
dp=200 m ) .................................................................................................... PL-2
Hình PL.10 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/s, W=30kg,
dp=200 m ) .................................................................................................... PL-2
Hình PL.11 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/s, W=20kg,

dp=200 m ) .................................................................................................... PL-2
Hình PL.12 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,44 m/s, W=30kg,
dp=200 m ) .................................................................................................... PL-2
Hình PL.13 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,44 m/s, W=25kg,
dp=200 m ) .................................................................................................... PL-3
Hình PL.14 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,44 m/s, W=20kg,
dp=200 m ) .......................................................................................................... 3
Hình PL.15 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,42 m/s, W=30kg,
dp=200 m ) .................................................................................................... PL-3
Hình PL.16 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,42 m/s, W=25kg,
dp=200 m ) .................................................................................................... PL-3
Hình PL.17 Phân bố áp suất dọc theo chiều cao ống lên .............................................. PL-3
(Ur=0,42 m/s, W=25kg, dp=200 m )............................................................................ PL-3
Hình PL.18 Ảnh hưởng của gió sơ cấp đến tốc độ tuần hoàn hạt ở các giá trị vận tốc gió
tuần hoàn hạt khác nhau (W=30kg, dp=300 m ) .......................................... PL-4
Hình PL.19 Ảnh hưởng của gió sơ cấp đến tốc độ tuần hoàn hạt ở các giá trị vận tốc gió
tuần hoàn hạt khác nhau (W=30kg, dp=200 m ) .......................................... PL-4
xv


Hình PL.20 Ảnh hưởng của gió sơ cấp đến tốc độ tuần hoàn hạt ở các giá trị vận tốc gió
tuần hoàn hạt khác nhau (W=25kg, dp=200 m ) .......................................... PL-4
Hình PL.21 Ảnh hưởng của gió sơ cấp đến tốc độ tuần hoàn hạt ở các giá trị vận tốc gió
tuần hoàn hạt khác nhau (W=20kg, dp=200 m ) .......................................... PL-4
Hình PL.22 Ảnh hưởng của vận tốc gió tuần hoàn hạt đến tốc độ tuần hoàn hạt tại các
giá trị gió sơ cấp khác nhau (W=25kg, dp=300 m ) .................................... PL-4
Hình PL.23 Ảnh hưởng của vận tốc gió tuần hoàn hạt đối với tốc độ tuần hoàn hạt tại các
giá trị gió sơ cấp khác nhau (W=30kg, dp=400 m ) ..................................... PL-4
Hình PL.24 Ảnh hưởng của vận tốc gió tuần hoàn hạt đến tốc độ tuần hoàn hạt tại các
giá trị gió sơ cấp khác nhau( W=30kg, dp=200 m ) ..................................... PL-5

Hình PL.25 Ảnh hưởng của vận tốc gió tuần hoàn hạt đến tốc độ tuần hoàn hạt tại các
giá trị gió sơ cấp khác nhau (W=25kg, dp=200 m ) ..................................... PL-5
Hình PL.26 Ảnh hưởng của vận tốc gió tuần hoàn hạt đến tốc độ tuần hoàn hạt tại các
giá trị gió sơ cấp khác nhau( W=25kg, dp=200 m ) ..................................... PL-5
Hình PL.27 Ảnh hưởng của khối lượng lớp đến tốc độ tuần hoàn hạt với các giá trị khác
nhau của gió sơ cấp ( Ur=0,44 m/s, dp=200 m ) ......................................... PL-5
Hình PL.28 Ảnh hưởng của khối lượng lớp đến tốc độ tuần hoàn hạt với các giá trị khác
nhau của gió sơ cấp (Ur=0,42 m/s, dp=200 m ) ........................................... PL-5
Hình PL.29 Ảnh hưởng của khối lượng lớp đến tốc độ tuần hoàn hạt với các giá trị khác
nhau của gió sơ cấp ( Ur=0,46 m/s, dp=300 m ) .......................................... PL-6
HìnhPL.30 Ảnh hưởng của khối lượng lớp đến tốc độ tuần hoàn hạt với các giá trị khác
nhau của gió sơ cấp (Ur=0,44 m/s, dp=300 m ) ........................................... PL-6
Hình PL.31 Ảnh hưởng của khối lượng lớp đến tốc độ tuần hoàn hạt với các giá trị khác
nhau của gió sơ cấp ( Ur=0,42 m/s, dp=300 m ) .......................................... PL-6
Hình PL.32 Ảnh hưởng của đường kính hạt đến tốc độ tuần hoàn hạt với các kích thước
hạt khác nhau (Ur=0,44 m/s,W=30kg) ........................................................... PL-6
Hình PL.33 Ảnh hưởng của đường kính hạt đến tốc độ tuần hoàn hạt với các kích thước
hạt khác nhau (Ur=0,42 m/s,W=30kg) ........................................................... PL-6
Hình PL.34 Ảnh hưởng của đường kính hạt đến tốc độ tuần hoàn hạt với các kích thước
hạt khác nhau (Ur=0,46 m/s,W=25kg) ........................................................... PL-7
Hình PL.35 Ảnh hưởng của đường kính hạt đến tốc độ tuần hoàn hạt với các kích thước
hạt khác nhau (Ur=0,42 m/s,W=30kg) ........................................................... PL-7
Hình PL.36 Ảnh hưởng của đường kính hạt đến tốc độ tuần hoàn hạt với các kích thước
hạt khác nhau (Ur=0,42 m/s,W=25kg) ........................................................... PL-7
Hình PL.37 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên theo nhiệt độ lớp sôi
(Ur=0,46 m/s, W=30kg, U0=6,07 m/s dp=200 m ) ...................................... PL-7
Hình PL.38 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên theo nhiệt độ lớp sôi
(Ur=0,46 m/s, W=25kg, U0=5,46 m/s, dp=200 m ) ..................................... PL-7
Hình PL.39 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên theo nhiệt độ lớp sôi
(Ur=0,46 m/s, W=30kg, U0=5,46 m/s, dp=200 m ) ..................................... PL-8

Hình PL.40 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên theo nhiệt độ lớp sôi
(Ur=0,46 m/s, W=25kg, U0=5,16 m/s, dp=200 m ) ..................................... PL-8
Hình PL.41 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên theo nhiệt độ lớp sôi
(Ur=0,46 m/s, W=30kg, U0=5,16 m/s, dp=200 m ) ..................................... PL-8
Hình PL.42 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên theo nhiệt độ lớp sôi
(Ur=0,46 m/s, W=30kg, U0=6,07 m/s, dp=300 m ) ..................................... PL-8
Hình PL.43 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên theo nhiệt độ lớp sôi
(Ur=0,46 m/s, W=25kg, U0=6,07 m/s, dp=300 m ) ..................................... PL-9
xvi


Hình PL.44 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên theo nhiệt độ lớp sôi
(Ur=0,46 m/s, W=30kg, U0=5,46 m/s, dp=300 m ) ..................................... PL-9
Hình PL.45 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên theo nhiệt độ lớp sôi
(Ur=0,46 m/s, W=25kg, U0=5,46 m/s, dp=300 m ) ..................................... PL-9
Hình PL.46 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên theo nhiệt độ lớp sôi
(Ur=0,46 m/s, W=30kg, U0=5,16 m/s, dp=300 m ) ..................................... PL-9
Hình PL.47 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên theo nhiệt độ lớp sôi
(Ur=0,46 m/s, W=25kg, U0=5,16 m/s, dp=300 m ) ................................... PL-10
Hình PL.48 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên theo nhiệt độ lớp sôi
(Ur=0,46 m/s, W=30kg, U0=6,07 m/s, dp=400 m ) ................................... PL-10
Hình PL.49 Phân bố chênh lệch áp suất dọc theo chiều cao ống lên theo nhiệt độ lớp sôi
(Ur=0,46 m/s, W=30kg, U0=5,46 m/s, dp=400 m ) ................................... PL-10
Hình PL.50 Phân bố khối lượng riêng lớp hạt dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/s,
W=25kg, dp=200 m )................................................................................... PL-11
Hình PL.51 Phân bố khối lượng riêng lớp hạt dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/s,
W=25kg, dp=300 m )................................................................................... PL-11
Hình PL.52 Phân bố khối lượng riêng lớp hạt dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/s,
W=30kg, dp=300 m )................................................................................... PL-11
Hình PL.53 Phân bố khối lượng riêng lớp hạt dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46 m/s,

W=30kg, dp=400 m )................................................................................... PL-11
Hình PL.54 Hệ số trao đổi nhiệt cục bộ từ lớp tới vách dọc theo chiều cao ống lên
(Ur=0,46 m/s, U0=5,16 m/s, W=30kg) ........................................................ PL-11
Hình PL.55 Hệ số trao đổi nhiệt cục bộ từ lớp tới vách dọc theo chiều cao ống lên
(Ur=0,46 m/s, U0=6,07 m/s, W=30kg) ........................................................ PL-11
Hình PL.56 Hệ số trao đổi nhiệt cục bộ từ lớp tới vách dọc theo chiều cao ống lên
(Ur=0,46 m/s, U0=5,16 m/s, W=25kg) ........................................................ PL-12
Hình PL.57 Hệ số trao đổi nhiệt cục bộ từ lớp tới vách dọc theo chiều cao ống lên
(Ur=0,46 m/s, U0=5,46 m/s, W=25kg) ........................................................ PL-12
Hình PL.58 Hệ số trao đổi nhiệt cục bộ từ lớp tới vách dọc theo chiều cao ống lên
(Ur=0,46 m/s, U0=6,07 m/s, W=25kg) ........................................................ PL-12
Hình PL.59 Ảnh hưởng của vận tốc gió sơ cấp đối với hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách
dọc theo chiều cao ống lên ............................................................................ PL-13
(Ur=0,46m/s, W=25kg, dp=200 m )................................................................................. 13
Hình PL.60 Ảnh hưởng của vận tốc gió sơ cấp đối với hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách
dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46m/s, W=30kg, dp=300 m )................ PL-13
Hình PL.61 Ảnh hưởng của vận tốc gió sơ cấp đối với hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách
dọc theo chiều cao ống lên (Ur=0,46m/s, W=25kg, dp=300 m )................ PL-13
Hình PL.62 Sự thay đổi dọc theo chiều cao ống lên của hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới
vách khi không có hạt (Ur=0,46m/s,U0=5,16-6,67 m/s) .............................. PL-14
Hình PL.63 Ảnh hưởng của nhiệt độ lớp sôi đối với hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách .....
PL-14
Hình PL.64 Ảnh hưởng của khối lượng riêng hạt đối với hệ số trảo đổi nhiệt từ lớp tới
vách ............................................................................................................... PL-15

xvii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài

Công nghệ lớp sôi tuần hoàn (Circulating Fluidized Bed, CFB) được phát triển từ
công nghệ đốt nhiên liệu rắn trên ghi cố định với đặc thù là các hạt nhiên liệu rắn và tro xỉ
được lưu chuyển và tuần hoàn trong toàn bộ hệ thống CFB gồm buồng đốt, bộ phân ly
(cyclone), và đường hồi (Return Leg). Do đặc thù này, lò hơi CFB có một số các ưu điểm
nổi bật so với những lò hơi đốt nhiên liệu rắn khác, cụ thể là:

- Linh hoạt trong việc sử dụng nhiên liệu: Điều kiện khí động đặc biệt của CFB tạo
điều kiện cho các hạt nhiên liệu cấp vào buồng lửa nhanh chóng được phân tán vào trong
buồng đốt, nhanh chóng được gia nhiệt đến nhiệt độ bắt cháy;
- Hiệu suất cháy cao: Tùy thuộc vào tốc độ cấp nhiên liệu và sự tuần hoàn của hạt
trong hệ thống, hiệu suất cháy trong lò hơi CFB đạt trên 90 [87]. Những đặc tính sau góp
phần nâng cao hiệu suất cháy trong lò hơi CFB : i) Sự hỗn hợp khí-hạt tốt hơn, ii) Tốc độ
cháy cao hơn (đặc biệt với các hạt than thô); và iii) Đa số các hạt nhiên liệu chưa cháy kiệt
sẽ được tái tuần hoàn lại buồng lửa.
- Hiệu quả khử lưu huỳnh: Lò hơi CFB có hiệu quả khử lưu huỳnh cao do cháy ở
nhiệt độ tương đối thấp (850-950oC), có thể đưa trực tiếp đá vôi vào trong buồng đốt, các
hạt hấp thụ rất mịn cho phép tăng diện tích bề mặt phản ứng khử lưu huỳnh;
- Giảm phát thải NOx: Giảm phát thải NOx là một đặc tính hấp dẫn chủ yếu của lò
hơi CFB. Các số liệu thu được trong các lò hơi CFB đưa ra giá trị phát thải NOx trong
khoảng 50-150 ppm hay là 20-150 mg/MJ;
- Bề mặt cắt ngang buồng lửa nhỏ: Lượng nhiệt sinh ra trên một đơn vị diện tích bề
mặt cắt ngang của buồng lửa (nhiệt thế diện tích) cao là một ưu điểm nổi bật trong lò hơi
CFB. Hệ thống đốt CFB có một nhiệt thế diện tích vào khoảng 3,5-4,5 MW/m2 [87], có
thể bằng hoặc cao hơn lò đốt than phun.
- Có số lượng điểm cấp nhiên liệu ít hơn: Hệ thống cấp nhiên liệu trong lò hơi CFB
được đơn giản hoá do số lượng điểm cấp ít, yêu cầu diện tích ghi nhỏ và do vậy diện tích
buồng đốt sẽ nhỏ hơn diện tích buồng đốt lò than phun cùng công suất.

- Vận hành ổn định hơn so với buồng đốt than phun ở chế độ thấp tải: Vận tốc gió
dưới ghi (sơ cấp) cao và do có lượng hạt trơ (cát, tro xỉ) trong buồng đốt lớn, lò hơi CFB

có thể vận hành khá ổn định ở các chế độ phụ tải thấp với nhu cầu dầu đốt kèm là tối thiểu.

- Công nghệ CFB được du nhập vào Việt Nam từ những năm đầu của thế kỷ 21
thông qua các dự án sản xuất điện theo hình thức Chìa khóa trao tay (Turnkey Project). Do
vậy, thực tế áp dụng công nghệ CFB ở Việt Nam, vẫn cho thấy còn nhiều tồn tại trong thiết
kế, vận hành, bảo dưỡng. Thực tế cho thấy, chế độ khí động của buồng đốt kiểu CFB phụ
thuộc chủ yếu vào các thông số vận hành (vận tốc hạt rắn, vận tốc gió, khối lượng riêng
lớp hạt, độ cứng của hạt, nhiệt độ lớp hạt và đường kính hạt rắn) và được đặc trưng bởi tốc
độ tuần hoàn hạt. Sự tuần hoàn của hạt quyết định đến hiệu suất cháy, hiệu quả khử lưu
huỳnh, khả năng trao đổi nhiệt từ lớp tới vách trong buồng đốt, cũng như là các vấn đề khí
động liên quan đến vận hành như mài mòn, đóng xỉ,...Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu đầy
đủ nào về chế độ khí động nói chung, tốc độ tuần hoàn hạt nói riêng trong các buồng đốt
kiểu lớp sôi tuần hoàn.Vì vậy, việc hiểu rõ cơ chế tuần hoàn hạt trong CFB, phân tích và
lượng hóa tác động của các thông số vận hành đến tuần hoàn hạt và trao đổi nhiệt trong
buồng đốt CFB là hết sức cần thiết nhằm hỗ trợ cho công tác thiết kế, vận hành và bảo
dưỡng thiết bị sử dụng công nghệ CFB, nâng cao hiệu quả sử dụng các nguồn năng lượng
1


sơ cấp. Mặt khác, ưu điểm của công nghệ CFB về phương diện bảo vệ môi trường cũng
cần được nhận dạng và lượng hóa, nhằm góp phần thúc đẩy việc ứng dụng rộng rãi công
nghệ sạch này trong tương lai gần. Do vậy, việc sử dụng phân tích vòng đời để nhận dạng
và lượng hóa công nghệ sạch CFB theo quan điểm bảo vệ môi trường để đảm bảo xem xét
các yếu tố phát thải một cách toàn diện của quá trình sản xuất điện năng: từ đầu nguồn (từ
khai thác nhiên liệu), vận chuyển nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu và cho đến cuối nguồn
(thải bỏ).

2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
2.1. Mục tiêu tổng quát:
Làm chủ công nghệ CFB để phục vụ cho công tác thiết kế, vận hành công nghệ CFB

và lượng hoá tiềm năng giảm nhẹ tác động môi trường của công nghệ lớp sôi tuần hoàn
(CFB) trong khu vực sản xuất điện năng.
2.2. Mục tiêu cụ thể:
i) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành (vận tốc gió sơ cấp, vận tốc gió
tuần hoàn hạt, đường kính hạt, khối lượng lớp sôi, v.v) đến tốc độ tuần hoàn hạt (solid
circulation rate, SCR);
ii) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành (tốc độ cấp gió dưới ghi, đường
kính hạt, nhiệt độ lớp sôi, v.v) đến hệ số trao đổi nhiệt giữa lớp sôi với tường buồng đốt; và
iii) Nghiên cứu, nhận dạng và lượng hóa tiềm năng giảm phát thải gây ô nhiễm môi
trường của CFB so với các công nghệ đốt than truyền thống để sản xuất điện năng.

3. Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình về khí động học CFB, ảnh hưởng của các
thông số vận hành (đường kính trung bình hạt, khối lượng lớp hạt, tốc độ gió dưới ghi, tốc
độ gió tuần hoàn hạt, chiều cao và diện tích mặt cắt ngang lớp sôi) đến tốc độ tuần hoàn hạt
trong buồng đốt (CFB) được xem xét và lượng hoá.
- Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình về trao đổi nhiệt trong CFB, ảnh hưởng
của các thông số vận hành (đường kính trung bình hạt, khối lượng lớp hạt, tốc độ gió dưới
ghi, chiều cao và diện tích mặt cắt ngang lớp sôi) đến hệ số trao đổi nhiệt từ lớp sôi đến
tường buồng đốt trong khoảng nhiệt độ của lớp sôi dao động từ 700C -1000C.
- Nghiên cứu chu trình vòng đời của CFB được giới hạn trong 3 khâu: i) khai thác
than, ii) vận chuyển than từ nơi khai thác đến nhà máy nhiệt điện, và iii) đốt than trong nhà
máy điện. Trong nghiên cứu này, ta chỉ xét phát thải của CO2, là một trong các khí chính
gây ra hiệu ứng nhà kính;

4. Phương pháp nghiên cứu
- Đối với mục tiêu cụ thể 1:
+Thu thập và cập nhật thông tin trong và ngoài nước về các nghiên cứu lý thuyết,
thực nghiệm của các tác giả trước đây.
+ Nghiên cứu thực nghiệm: Chỉnh sửa mô hình hiện có tại Viện Khoa học và công

nghệ Nhiệt lạnh, Đại học Bách khoa Hà Nội. Tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của từng
thông số vận hành, xây dựng biểu thức thực nghiệm xem xét ảnh hưởng đồng thời của các
thông số vận hành đối với tốc độ tuần hoàn hạt

- Đối với mục tiêu cụ thể 2:
+ Thu thập và cập nhật thông tin trong và ngoài nước về các nghiên cứu lý thuyết,
thực nghiệm của các tác giả trước đây.
+ Nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu ảnh hưởng của từng thông số vận hành, xây
2


dựng biểu thức thực nghiệm xem xét ảnh hưởng đồng thời của các thông số vận hành đối
với hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách trong buồng đốt lớp sôi tuần hoàn.

- Đối với mục tiêu cụ thể 3:
Thu thập và tổng hợp các thông tin, nghiên cứu tài liệu trong và ngoài nước về vòng đời
và đánh giá vòng đời; Khảo sát, nghiên cứu thực tế, thu thập, phân tích số liệu vận hành tại các
nhà máy điện Na Dương và Uông Bí. Nghiên cứu xây dựng mô hình tính toán phát thải vong
đời CO2 của nhà máy, xác định chí phí biên giảm phát thải khí CO2 đối với trường hợp sử
dụng công nghệ buổng đốt kiểu CFB thay thế cho công nghệ đốt truyền thống.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa về mặt khoa học:
Góp phần nhận dạng và lượng hóa ảnh hưởng của các thông số vận hành đến chế độ
tuần hoàn hạt và trao đổi nhiệt trong hệ thống/thiết bị kiểu CFB;
Góp phần làm rõ ưu điểm về mặt lợi ích môi trường của công nghệ CFB so với các
công nghệ năng lượng truyền thống khác hiện đang được sử dụng trong khu vực sản xuất
điện năng. Việc so sánh công nghệ CFB với công nghệ than phun (Pulverised fuel, PF)
theo quan điểm phát thải vòng đời CO2 đã góp phần làm rõ khả năng áp dụng và nhân rộng
công nghệ CFB ở Việt Nam trong tương lai gần.

- Ý nghĩa về mặt học thuật và thực tiễn:
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm khí động lớp sôi tuần hoàn đã đưa ra biểu thức thực
nghiệm về quan hệ của các thông số vận hành với tốc độ tuần hoàn hạt (solid circulation
rate-SCR), cho phép đánh giá ảnh hưởng của các thông số vận hành (đường kính hạt, khối
lượng lớp, vận tốc gió sơ cấp, vận tốc gió tuần hoàn hạt) đối với SCR và biểu thức thực
nghiệm cho phép xác định SCR khi biết các thông số vận hành, thông số kích thước hình
học của CFB;Kết quả nghiên cứu cho thấy, có thể xây dựng các biểu thức thực nghiệm cho
các thiết bị kiểu CFB đã và đang vận hành hiện nay khi biết thông số hình học của thiết bị
và các thông số vận hành (kích thước hạt, khối lượng hạt và vận tốc gió sơ cấp, vận tốc gió
tuần hoàn hạt,...) từ đó lựa chọn chế độ khí động của thiết bị kiểu CFB phù hợp với điều
kiện vận hành, giảm thiểu vấn đề vận hành có nguyên nhân từ chế độ khí động, giúp công
tác vận hành hiệu quả thiết bị, nâng cao hiệu suất cháy và hiệu quả truyền nhiệt từ lớp tới
bề mặt vách buồng đốt.
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt trong CFB đã đưa ra biểu thức thực
nghiệm quan hệ giữa các thông số vận hành với hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách trong
buồng đốt lớp sôi tuần hoàn, cho phép đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số vận hành
đối với trao đổi nhiệt từ lớp tới vách. Kết quả nghiên cứu giúp xây dựng các biểu thức thực
nghiệm tương tự cho các thiết bị kiểu CFB đã và đang vận hành hiện nay để có thể đánh
giá sự thay đổi hệ số trao đổi nhiệt trong buồng đốt ở các chế độ vận hành khác nhau, giúp
lựa chọn chế độ vận hành hiệu quả thiết bị kiểu CFB.
Kết quả nghiên cứu về đánh giá vòng đời công nghệ đốt lớp sôi tuần hoàn đã xây
dựng được mô hình so sánh công nghệ theo quan điểm phát thải vòng đời, phương pháp
tính chi phí biên giảm phát thải khí nhà kính. Kết quả nghiên cứu có thể được làm cơ sở
cho các nhà đầu tư ra quyết định lựa chọn công nghệ sản xuất điện nói riêng và sản xuất
năng lượng nói chung trong điều kiện thực tế của mỗi dự án ở Việt Nam. Ngoài ra, kết quả
nghiên cứu cũng cho thấy, có thể áp dụng công nghệ CFB ở Việt Nam để nâng cao hiệu
quả sản xuất điện đồng thời giảm phát thải CO2 mà không đòi hỏi kinh phí bổ sung/hỗ trợ
từ Nhà nước hoặc từ các tổ chức quốc tế theo cơ chế phát triển sạch.

3

6. Điểm mới của luận án
- Kết quả nghiên cứu thực nghiệm khí động lớp CFB đã đánh giá ảnh hưởng của
các thông số vận hành (đường kính hạt, khối lượng lớp, tốc độ gió sơ cấp, tốc độ gió tuần
hoàn hạt) đối với tốc độ tuần hoàn hạt (solid circulation rate, SCR) và biểu thức thực
nghiệm cho phép xác định SCR khi biết các thông số vận hành, thông số kích thước hình
học của CFB;
- Kết quả nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt trong CFB đã đánh giá sự ảnh
hưởng của các thông số vận hành đối với trao đổi nhiệt từ lớp tới vách và đã đề xuất biểu
thức thực nghiệm xác định hệ số trao đổi nhiệt khi biết các thông số vận hành, thông số
kích thước hình học của CFB;
- Lần đầu tiên phương pháp so sánh công nghệ nhiệt điện đốt than đã được phát
triển và áp dụng để nhận dạng và định lượng tiềm năng giảm phát thải CO 2 của công nghệ
lớp sôi tuần hoàn so với công nghệ PF hiện đang được sử dụng ở Việt Nam. Xét theo quan
điểm vòng đời, các kết quả nghiên cứu về việc sử dụng công nghệ lớp sôi tuần hoàn vào
sản xuất điện năng là hoàn toàn khả thi về mặt kinh tế và môi trường.

7. Bố cục của luận án
Luận án gồm 183 trang, bao gồm: lời cam đoan (01 trang); lời cảm ơn (01 trang);
mục lục (03 trang); danh mục ký hiệu, chữ viết tắt (05 trang); danh mục bảng, biểu (02
trang); danh mục hình vẽ, sơ đồ (05 trang); phần mở đầu (04 trang), phần thuyết minh (140
trang), tài liệu tham khảo (06 trang), danh mục các công trình đã công bố của luận án (01
trang) và phụ lục (16 trang). Nội dung chính của luận án bao gồm 4 chương. Chương 1
trình bày tổng quan về khí động học, trao đổi nhiệt trong CFB, vòng đời và ứng dụng vòng
đời để so sánh công nghệ năng lượng. Chương 2 trình bày các kết quả nghiên cứu thực
nghiệm về khí động và trao đổi nhiệt trong CFB của mô hình buồng đốt CFB có công suất
nhiệt là 100kW. Chương 3 trình bày lý thuyết về vòng đời, so sánh công nghệ và ứng dụng
vòng đời để so sánh công nghệ nhiệt điện đốt than theo quan điểm phát thải vòng đời CO2.
Cuối cùng, các đánh giá và khuyến nghị trên cơ sở các kết quả nghiên cứu của đề tài được

trình bày ở Chương 4.

4


CHƯƠNG 1-TỔNG QUAN VỀ KHÍ ĐỘNG HỌC, TRAO ĐỔI
NHIỆT TRONG LỚP SÔI TUẦN HOÀN VÀ ỨNG DỤNG
PHÂN TÍCH VÒNG ĐỜI ĐỂ SO SÁNH CÔNG NGHỆ
1.1. Khí động học lớp sôi tuần hoàn
1.1.1. Các trạng thái tương tác khí-hạt
Lớp sôi được xác định như là một trạng thái làm việc của lớp hạt mà trong đó sự hoạt
động các chất rắn lưu động như các phần tử chất lỏng ở trạng thái sôi. Trong một lớp sôi,
trọng lực của các hạt sôi được cân bằng với lực nâng của dòng khí đi lên. Lực này giữ cho
các hạt ở trạng thái bán lơ lửng. Với những sự thay đổi về vận tốc dòng khí, các chất rắn
dịch chuyển từ một trạng thái hay cơ chế này đến một trạng thái hay cơ chế khác. Các cơ
chế này bao gồm:
•

Lớp cố định (hình 1.1a);

•

Lớp bọt (hình 1.1b);

•

Lớp rối (hình 1.1c);

•

Lớp nhanh (sử dụng các lớp sôi tuần hoàn);

•

Lớp vận chuyển (khí nén hay lớp vào ) (hình 1.1d).

Hình 1.1- (a) Lớp cố định của các hạt qua đó mà dòng khí đang thổi. (b) Lớp sôi bọt thể
hiện sự tuần hoàn khí xung quanh bọt. (c) Lớp sôi rối. (d) Lớp lưu động hay lớp cuốn.[87]

5


Bảng 1.1 So sánh các điểm đặc trưng của các quá trình tiếp xúc khí-rắn ở trên [87].
Đặc tín

Vận chuyển
khí n n

Lớp chặt

Lớp sôi

Lớp nhanh

Đốt t ủ
công

Sôi bọt

Sôi tuần hoàn

<300

0,03-3

0,00 -0,5

0,02-0,08

Vận tốc khí qua khu vực
buồng đốt (m/s)

1-3

0,5-2,5

4-6

15-30

Tỷ số điển hình U/Ut

0,01

0,3

2

40

Chuyển động dòng khí

đi lên

đi lên

đi lên

đi lên

Chuyển động của các
hạt rắn

Tĩnh

Ứng dụng trong các lò hơi
Đường kính hạt trung
bình (mm)

Sự hoà trộn hạt-hạt
Độ rỗng
Gradien nhiệt độ
Hệ số truyền nhiệt điển
hình từ lớp tới bề mặt
(W/m2.K)

Lên và xuống

Đốt than phun

Phần lớn đi
lên, một vài đi
xuống

Đi lên

Không đáng Thường xuyên
Gần hoàn hảo
kể
gần như hoàn hảo

Nhỏ

0,4-0,5

0,5-0,85

0,8-0,99

0,98-0,998

Lớn

Rất nhỏ

Nhỏ

Có thể là đáng kể

50-150

200-550

00- 00

50- 00

Quá trình tạo lớp sôi khí – hạt là quá trình trong đó các hạt chất rắn có kích thước nhỏ
chuyển sang trạng thái lưu động lơ lửng (hay còn gọi là trạng thái sôi – fluidization state)
khi tiếp xúc với môi chất khí được thổi từ phía dưới lớp hạt. Phương pháp này có một số
tính chất đặc biệt và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp [11], [19], [87].
Quá trình hình thành và duy trì của một lớp sôi khí – hạt được biểu diễn trên hình 1.2.

A

B

C

D

Hình 1.2 -Quan hệ giữa giáng áp lớp hạt và tốc độ dòng khí theo các chế độ giả lỏng [38]
6


Hình 1.2 lớp sôi gồm có các hạt rắn có cùng kích thước. Do chất khí qua lớp hạt với
tốc độ tương đối thấp nên các hạt rắn nằm cố định trên mặt ghi, lớp hạt do vậy được gọi là
lớp cố định. Khi tăng vận tốc dòng khí, trở lực của lớp hạt cũng tăng. Khi sức cản dòng khí
tương đương với trọng lượng của lớp hạt, trở lực của lớp hạt không tăng lên nữa, vận tốc
của chất khí tăng lên làm giãn nở lớp hạt: lớp cố định chuyển sang trạng thái hóa lỏng, lớp

hạt trở nên lơ lửng trên bề mặt của ghi và bề mặt của lớp hạt giống như một chất lỏng
(đoạn A-B). Tại vận tốc dòng khí đủ lớn, bề mặt bên trên lớp biến mất, lớp hạt được gọi là
lớp phân tán / loãng (đoạn B-C) và chuyển qua chế độ vận chuyển các hạt rắn kiểu khí nén
(đoạn C-D) nếu không có bổ sung hạt vào trong lớp sôi.

Hình 1.3 -Nguyên lý hoạt động của CFB [87]
Lớp sôi tuần hoàn (CFB) thường được áp dụng đối với hệ thống khí – hạt ở vận tốc
cao và có sự tuần hoàn trở lại của các hạt rắn vào buồng đốt như được thể hiện trên hình
1.3. Trong quá trình vận hành của CFB, luôn có hạt rắn bay ra khỏi buồng đốt chính, các
hạt lớn được cấp trở lại buồng đốt CFB thông qua :i) hệ thống Cyclone, ii) đường thu hồi
và iii) việc cấp gió phục vụ cho tuần hoàn hạt.
1.1.2. Cơ chế của lớp sôi
1.1.2.1. Lớp chặt
Lớp chặt là trạng thái lớp các hạt nằm cố định trên một ghi cấp gió dạng đục lỗ có
khí đi xuyên qua. Trong chuyển động phân lớp, các hạt rắn chuyển động từ từ tới hai tường
bên, giống như chuyển động của các hạt trong đường tuần hoàn của lò CFB. Khi dòng khí
xuyên qua lớp hạt rắn, nó tạo ra một lực nâng hạt và đây là nguyên nhân gây ra giáng áp
qua lớp hạt.
Giáng áp trên một đơn vị chiều cao của một lớp hạt có cùng kích cỡ, P/L, được tính
như sau (Ergun)[38].

1   p  U
1   p   gU
P
 150
 1,75
3
2
L
 p d p 

p
 p3 pd p
2

2

(1.1)

Trong đó,  p là độ rỗng của lớp hạt,  p là độ cầu của các hạt rắn trong lớp,  là độ
nhớt động học (kg/m.s), và  g là mật độ của khí (kg/m3). Vận tốc khí trên bề mặt, U (m/s)
được xác định như là vận tốc dòng khí trên một mặt cắt ngang của lớp.
1.1.2.2. Lớp sôi bọt
Nếu như tốc độ dòng khí xuyên qua lớp cố định mà gia tăng, giáng áp tiếp tục tăng
theo phương trình (1.1) cho đến khi vận tốc dòng khí đạt tới một giá trị xác định mà tại đó
7


lực cuốn của dòng khí cân bằng với khối lượng của các hạt trong lớp ở trạng thái này, các hạt
như bị mất khối lượng và lớp cố định sẽ chuyển thành một dạng lớp chớm giả lỏng: các hạt
chuyển động lên và xuống như một khối chất lỏng đang sôi. Khi giáng áp ở bề mặt cắt ngang
của lớp cân bằng với khối lượng của lớp thì lực cuốn dòng FD được xác định như sau [87]:
FD  PA  AL1    p   g g

(1.2)
Trong đó A và L tương ứng là diện tích tiết diện ngang và chiều cao của lớp. Vận tốc
sôi tối thiểu mà tại đó lớp trở thành lớp sôi (Umf) có thể đạt được bằng cách giải đồng thời
phương trình (1.1) và (1.2) để có được [87]:

Re mf 
Trong đó số Archimedes:

U mf d p  g





 C1  C 2 Ar
2



0.5

 C1

(1.3)

 g  p   g gd p 3
Ar 
2

Và dp là đường kính trung bình bề mặt của các hạt. Các hằng số kinh nghiệm C1 và C2
được xác định từ thực nghiệm. Tại điểm sôi tối thiểu, lớp các hạt có trạng thái như một khối
chất lỏng. Nếu tiếp tục gia tăng vận tốc dòng khí sẽ làm xuất hiện các bọt khí trong lớp hạt
(hay còn gọi là sôi bọt). Một phần của lớp hạt bao bọc xung quanh phía bên ngoài các bọt
này được gọi là pha nhũ tương trong đó tốc độ khí xấp xỉ bằng Umf (hình 1.1b). Kích thước
bọt sẽ gia tăng theo đường kính hạt trong lớp sôi và chênh lệch giữa vận tốc cấp gió và vận
tốc sôi tối thiểu U-Umf. Kích thước cực đại của bọt khí có thể được tính như sau [87]:
Dbmax = 2(U*t)2/g

(1.4)
*
Trong đó U t là vận tốc tới hạn của các hạt có đường kính bằng 2,7 lần kích thước
trung bình các hạt rắn trong lớp sôi.
1.1.2.2. Lớp sôi nhanh
Lớp sôi nhanh (lớp sôi tuần hoàn) là một kiểu sôi được thiết lập ở một vận tốc cao
của hỗn hợp khí - hạt mà tại đó, các hạt bị quét sạch khỏi lớp sôi bởi khí giả lỏng có tốc độ
cao hơn vận tốc tới hạn của các hạt đơn và được thu lại trở về điểm cấp của buồng lửa.
Cũng ở tại chế độ này, vận tốc của hạt đủ cao để tạo ra mức độ tuần hoàn ngược của các
hạt nhằm đảm bảo sự đồng đều về nhiệt độ trong buồng lửa.
• Đặc tính riêng của lớp sôi nhanh :
Đây là một chế độ nằm giữa hai chế độ sôi rối và sự chuyển động dạng khí nén. Ở
một chế độ lớp sôi nhanh, có thể quan sát thấy các khối hạt mịn lơ lửng không đồng nhất
chuyển động lên và xuống ở một dòng hỗn hợp loãng chuyển động liên tục lên phía trên,
như được biểu diễn trên hình 1.4.
Do có vận tốc trượt lớn giữa khí và hạt rắn, các khối hạt hợp thành rồi tan rã rất
nhanh, sự hoà trộn tốt là những đặc điểm riêng chủ yếu của chế độ này. Sự hợp thành các
khối hạt rắn chưa đủ là điều kiện để tạo thành lớp sôi nhanh nhưng nó là một đặc tính quan
trọng của chế độ này. Hiện tượng dẫn đến sự hợp thành các cụm hạt rắn trong chuyển động
kiểu khí nén được mô tả ở hình 1.4. Các hạt rắn liên tục được đưa vào cùng dòng khí đi lên
ở trong ống lên với tốc độ đưa vào rất nhỏ, các hạt rắn sẽ phân tán đồng nhất trong dòng
khí. Mỗi hạt sẽ chuyển động riêng biệt, vận tốc tương đối giữa khí và hạt sẽ hình thành một
bụi hạt nhỏ phía sau mỗi hạt.

8