Nghiên cứu giải pháp đốt cháy antraxit kèm khí đốt để nâng cao hiệu suất cháy của atraxit và giảm phát thải trong nhà máy nhiệt điện
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.25 MB, 98 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐỐT CHÁY ANTRAXIT KÈM KHÍ ĐỐT ĐỂ NÂNG
CAO HIỆU SUẤT CHÁY CỦA ANTRAXIT VÀ GIẢM PHÁT THẢI
TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
Mã số
: 15BKTN-TB-03
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT NHIỆT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN GIA MỸ
Hà Nội – Năm 2017
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung đề tài do tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của
PGS TS Trần Gia Mỹ. Các số liệu và kết quả tính toán trong luận văn là trung thực
và chưa có ai thực hiện.
Hà nội, ngày 29 tháng 9 năm 2017
Tác giả luận văn
LỜI CẢM ƠN
1
Luận văn thạc sỹ với đề tài: “Nghiên cứu giải pháp đốt cháy antraxit kèm khí
đốt để nâng cao hiệu suất cháy của atraxit và giảm phát thải trong nhà máy nhiệt
điện” đã được hoàn thành trong thời gian từ tháng 2 năm 2017 đến tháng 9 năm
2017 tại Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt Lạnh, Trường Đại học Bách Khoa Hà
Nội.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội,
Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt - Lạnh, đặc biệt là
thầy hướng dẫn PGS TS Trần Gia Mỹ, các Thầy giáo, Cô giáo trong Viện Khoa học
và Công nghệ Nhiệt - Lạnh đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình
thực hiện luận văn.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Lãnh đạo Tập đoàn dầu khí, Ban Quản lý dự án
điện lực Dầu khí Thái Bình, Công ty Nhiệt điện Dầu khí Vũng Áng 1 đã tạo điều
kiện để tôi được tham gia, tiếp cận, thu thập số liệu thực tế, vận hành, thí nghiệm
trong quá trình thực hiện đề tài.
Hà Nội, ngày 29 tháng 9 năm 2017
Tác giả luận văn
2
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.......................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN...........................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.................................................1
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................2
DANH MỤC CÁC HÌNH.........................................................................................3
MỞ ĐẦU................................................................................................................... 5
a. Tính cấp thiết của đề tài........................................................................................5
b. Thực trạng và hướng khắc phục............................................................................6
c. Mục tiêu nghiên cứu..............................................................................................7
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHÁY NHIÊN LIỆU.......................................8
1.1 Cháy dầu.............................................................................................................8
1.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến cháy dầu..................................................................8
1.1.2 Các biện pháp cơ bản để tăng nhanh quá trình cháy nhiên liệu lỏng..............16
1.2 Cháy antraxit.....................................................................................................16
1.2.1 Đặc tính antraxit..............................................................................................16
1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến cháy antraxit.........................................................17
1.2.3 Buồng đốt ngọn lửa hình W của Nhà máy nhiệt điện Vũng Áng 1.................28
1.3 Cháy khí than ướt..............................................................................................30
1.3.1 Đặc tính của khí than ướt................................................................................30
1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến cháy khí than ướt..................................................30
CHƯƠNG 2. TÍNH CHÁY, PHÁT THẢI CỦA DẦU FO VÀ ANTRAXIT...........33
2.1 Đặt vấn đề.........................................................................................................33
2.2 Tính cháy và phát thải của dầu..........................................................................33
2.3 Tính cháy và phát thải của antraxit...................................................................38
Kết luận chương 2...................................................................................................43
CHƯƠNG 3. ĐỐT CHÁY ANTRAXIT KÈM KHÍ THAN ƯỚT...........................44
3.1 Cơ sở lựa chọn..................................................................................................44
3
3.2 Tính tỷ lệ khí than ướt.......................................................................................45
3.3 Tính cháy hỗn hợp antraxit và khí than ướt.......................................................45
3.3.1 Tính khối lượng khí than ướt cấp tại chế độ tải 30% công suất......................45
3.3.2 Tính cháy hỗn hợp antraxit và khí than ướt tại 100% tải...............................49
3.3.3 Bố trí vòi đốt khí.............................................................................................60
3.4 Sản xuất khí than ướt........................................................................................62
3.4.1 Lý thuyết về khí hóa than................................................................................62
3.4.2 Lựa chọn công nghệ và thiết bị khí hóa than...................................................65
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY CFD.................68
4.1 Gới thiệu về mô hình CFD................................................................................68
4.2 Cơ sở lý thuyết CFD trong mô hình cháy hạt than............................................71
4.3 Thông số đầu vào để thiết lập mô hình..............................................................77
4.3.1 Phương án đốt antraxit....................................................................................80
4.3.2 Phương án đốt than kèm khí than ướt.............................................................82
4.4 Phân tích kết quả mô phỏng CFD.....................................................................84
4.4.1 Nhiên liệu antraxit..........................................................................................84
4.4.2 Nhiên liệu antraxit kèm khí than ướt...............................................................89
Kết luận chương 4..................................................................................................92
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................93
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................94
4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
A
a
B
B
C
Độ tro trong than
Độ đen
Lượng tiêu hao than
Khối lượng than cấp vào mô hình
Các bon
C
Cp1
Ctr
i
Nu
Pr
Re
Q
Nhiệt dung riêng
Nhiệt dung riêng của khói
Chất cháy còn lại trong tro
Entanpi
Tiêu chuẩn Nusselt
Tiêu chuẩn Prandtl
Tiêu chuẩn Reynolds
Nhiệt lượng
Qlvt
RI
Δt
T
Nhiệt trị làm việc của than
Chỉ số hoạt tính
Độ chênh nhiệt độ trung bình
Nhiệt độ tuyệt đối
%
kg/h
kg
%
kJ/kg.K
kJ/kg.K
%
kJ/kg
kJ
kJ/kg
0
C
K
V
Thể tích
Ký tự Hy Lạp
Hệ số không khí thừa
m3
1
Độ nhớt động học
Hiệu suất
Các chữ viết
Ý nghĩa
tắt
QCVN
Qui chuẩn Việt Nam
Computational Fluid Dynamics -Mô phỏng động học bằng
CFD
máy tính
FI
Chỉ số cháy bột than
NMNĐ
Nhà máy nhiệt điện
NMĐ
Nhà máy điện
m2/s
%
DANH MỤC CÁC BẢNG
1
Bảng 1.1 Đặc tính kỹ thuật của dầu FO [13].............................................................8
Bảng 1.2 Thời gian cháy của giọt và đám sương [6]...............................................13
Bảng 1.3 Đặc tính antraxit [13]...............................................................................17
Bảng 1.4 Nhiệt lượng cần thiết để bắt cháy 1 kg than bột, MJ/kg...........................23
Bảng 1.5 Lưu lượng hồi lưu khói nóng cần thiết đối với than antraxit....................27
Bảng 1.6 Đặc tính của khí than ướt [10]..................................................................30
Bảng 2.1 Thành phần dầu FO..................................................................................33
Bảng 2.2 Kết quả tính cháy dầu FO.........................................................................35
Bảng 2.3 Sản phẩm cháy dầu FO tại 30% công suất................................................36
Bảng 2.4 Tỉ lệ lưu lượng, nhiệt độ gió cấp khi đốt dầu FO......................................37
Bảng 2.5 Thành phần antraxit..................................................................................39
Bảng 2.6 Kết quả tính cháy antraxit........................................................................40
Bảng 2.7 Lưu lượng không khí, sản phẩm cháy đốt antraxit tại 100% công suất....41
Bảng 2.8 Tỉ lệ lưu lượng, nhiệt độ gió cấp khi đốt antraxit.....................................41
Bảng 3.1 Kết quả cháy hỗn hợp than trộn antraxit và á bitum nhập khẩu [3]..........44
Bảng 3.2 Thành phần khí than ướt...........................................................................45
Bảng 3.3 Kết quả tính cháy khí than ướt................................................................47
Bảng 3.4 Sản phẩm cháy khi sử dụng khí than ướt tại 30% công suất.....................48
Bảng 3.5 Kết quả tính cháy vùng 1..........................................................................53
Bảng 3.6 Khối lượng tro, xỉ trong vùng 1................................................................54
Bảng 3.7 Khối lượng tro, xỉ trong vùng 2................................................................55
Bảng 3.8 Kết quả tính cháy vùng 2..........................................................................57
Bảng 3.9 Tỉ lệ lưu lượng, nhiệt độ gió cấp khi đốt hỗn hợp.....................................58
Bảng 3.10 So sánh phát thải, nhiệt độ cháy lý thuyết, hiệu suất của các phương án60
Bảng 3.11 Thông số cơ bản lò khí hóa than công suất 18.000 m3/h [18].................66
Bảng 4.1 Chỉ tiêu đánh giá chất lượng của lưới.......................................................79
Bảng 4.2 Thông số đầu vào mô hình quá trình cháy antraxit...................................80
Bảng 4.3 Thông số đầu vào mô hình quá trình cháy antraxit kèm khí than ướt.......82
DANH MỤC CÁC HÌNH
2
Hình 1.1 Giản đồ ngọn lửa khuếch tán và mật độ các chất phản ứng [2].................10
Hình 1.2 Vùng phản ứng quanh một giọt dầu cháy [6]............................................11
Hình 1.3 Mạch cacbon [6].......................................................................................14
Hình 1.4 Mối quan hệ nhiệt độ bắt lửa Tbl (T15, RI) và hàm lượng chất bốc Vc.......21
Hình 1.5 Mối quan hệ nhiệt độ cháy và hàm lượng chất bốc [3].............................22
Hình 1.6 Mối quan hệ giữa các loại than và nồng độ hỗn hợp có lợi nhất [4].........24
Hình 1.7.a Hiệu suất cháy ở phụ tải kinh tế theo hàm lượng chất bốc.....................28
Hình 1.7.b Hiệu suất lò hơi ở phụ tải kinh tế theo hàm lượng chất bốc...................28
Hình 1.8 Lò hơi có buồng đốt ngọn lửa hình W......................................................30
Hình 3.1 Phân vùng đốt trong buồng đốt.................................................................50
Hình 3.2 Cấu tạo mặt cắt dọc của vùng cháy chính (vùng I)...................................61
Hình 3.3 Cấu tạo mặt cắt ngang của hệ thống vòi đốt và gió cấp 1, 2.....................61
Hình 3.4 Bố trí vòi đốt khí than ướt.........................................................................62
Hình 3.5 Sơ đồ phân bố các vùng của lò khí hóa than..........................................64
Hình 3.6 Sơ đồ thiết bị chính sản xuất khí than ướt bằng oxy và hơi nước.............66
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý bố trí kết nối lò khí hóa than với lò hơi chính................67
Hình 4.1 Định nghĩa CFD........................................................................................69
Hình 4.2 Ba phương pháp cơ bản nghiên cứu cơ học chất lưu................................69
Hình 4.3 Miền tính toán mô hình.............................................................................77
Hình 4.4 Mô hình 3D của buồng lửa dựng trên phần mềm ANSYS.......................78
Hình 4.5 Mô hình buồng đốt 3D sau khi được chia lưới..........................................79
Hình 4.6 Sự phân bố nhiệt độ trên các mặt cắt........................................................84
Hình 4.7 Sự phân bố nhiệt độ trên từng mặt............................................................84
Hình 4.8 Sự phân bố vectơ vận tốc trên các mặt cắt dọc theo phương Z.................86
Hình 4.9 Sự phân bố vector vận tốc trong buồng lửa...............................................86
Hình 4.10 Vùng xoáy..............................................................................................87
Hình 4.11 Tốc độ bay hơi và thoát chất bốc............................................................87
Hình 4.12 Tốc độ cháy cốc......................................................................................88
Hình 4.13 Sự phân bố tỷ lệ mol khí O2....................................................................88
3
Hình 4.14 Sự phân bố nhiệt độ trong buồng đốt......................................................89
Hình 4.15 Sự sai khác nhiệt độ trong hai trường hợp..............................................89
Hình 4.16 Sự phân bố tốc độ bên trong buồng đốt..................................................90
Hình 4.17 Cháy kiệt của hạt than.............................................................................91
Hình 4.18 Sự phân bố tỷ lệ mol chất bốc.................................................................91
Hình 4.19 Sự phân bố tỷ lệ mol khí O2....................................................................92
MỞ ĐẦU
4
a. Tính cấp thiết của đề tài
Nhiệt điện đốt than hiện nay vẫn chiếm tỷ trọng lớn trên thế giới trong cơ cấu
nguồn điện. Theo Cơ quan Năng lượng quốc tế, năm 2015 tỷ trọng nhiệt điện than
thế giới chiến 39,48%. Dự báo tỷ lệ này sẽ là 38,11% vào năm 2020, 37,92% năm
2025 và năm 2030 là 37,39%; cao hơn rất nhiều so với loại nhà máy điện có tỷ
trọng đứng thứ hai là điện từ năng lượng tái tạo: 22,75% năm 2015 và 24,53%;
24,16% và 24,01% tương ứng cho các năm 2020, 2025 và 2030 [3].
Theo quy hoạch điện VII hiệu chỉnh tháng 3 năm 2016 của Việt Nam, giai đoạn
2015-2030 điện năng sản xuất từ nhiệt điện than luôn tăng và chiếm tỷ trọng lớn
nhất trong cơ cấu nguồn điện, tỷ lệ này sẽ là 33,4%, 42,7%, 49,3% và 42,6% vào
các năm 2015, 2020, 2025 và 2030. Các nhà máy nhiệt điện than đã và đang xây
dựng ở Việt Nam hiện nay, cơ bản sử dụng loại lò đốt than phun thông số cận tới
hạn và siêu tới hạn có công suất tổ máy từ 300 - 600 MW, nhiên liệu sử dụng là than
antraxit và một số sử dụng than bitum và á bitum nhập khẩu. Tương lai tiếp theo
quy mô công suất tổ máy dự kiến nâng lên đến 1000 MW. Các lò hơi đốt than phun
đã được thiết kế chế tạo đốt than ổn định, song hiệu suất còn thấp, tỷ lệ cacbon chưa
cháy hết trong tro còn cao. Đặc biệt là đối với các lò đốt than antraxit Việt Nam,
loại than cháy ít khói, hàm lượng các bon (C) trong than cao, chất bốc (V) thấp,
hàm lượng tro (A) cao nên khó bắt cháy và khó cháy kiệt. Chính vì vậy, hiện nay,
thành phần các bon còn lại trong tro ở các nhà máy nhiệt điện cũ đều rất cao như:
Phả Lại: 12-18%, Ninh Bình: 15 -35%, Uông Bí cũ: 30 - 40%, ...); Các nhà máy
mới xây dựng như Phả Lại 2, Uông Bí mở rộng 1, ... vẫn chưa khắc phục được các
nhược điểm trên của than antraxit Việt Nam, hàm lượng C còn lại trong tro vẫn cao
(trên 12%).
Thiết kế, chế tạo lò hơi NMNĐ đốt than sử dụng than antraxit có chất bốc thấp ở
mức dưới 8% như than Việt Nam chưa nhiều. Gần đây, các lò hơi mới ở nhà máy
nhiệt điện đốt than Việt Nam đều sử dụng dạng ngọn lửa hình W (như NMNĐ Vũng
Áng 1, Thái Bình 1 & 2, Long Phú 1, Sông hậu 2), nhằm kéo dài thời gian cháy của
5
hạt than để hạt than cháy kiệt hơn, nâng cao độ ổn định và hiệu suất lò. Các nghiên
cứu lý thuyết cháy ứng dụng đã chỉ ra rằng, để nâng cao hiệu quả sử dụng than ít
chất bốc cần phải giải quyết các vấn đề kĩ thuật cơ bản sau:
+ Bảo đảm bắt lửa sớm, ổn định;
+ Bảo đảm hiệu suất cháy cao, cháy kiệt;
+ Hạn chế và loại bỏ đóng xỉ buồng lửa;
+ Đề phòng ăn mòn nhiệt độ cao;
+ Giảm chất phát thải khí và các thành phần ô nhiễm khác.
Đây là những vấn đề kĩ thuật phức tạp, mâu thuẫn lẫn nhau phải nghiên cứu và
chọn lựa các giải pháp phù hợp, tối ưu.
Đi kèm với NĐ đốt than là vấn đề ô nhiễm môi trường như: xỉ than, các khí , bụi
tro, và bụi dầu (do dầu HFO không cháy hết) trong quá trình khởi động và vận
hành tại chế độ tải thấp (≤ 60% công suất).
Với những điều trình bày trên việc “nghiên cứu giải pháp đốt cháy antraxit kèm
khí đốt để nâng cao hiệu suất cháy của antraxit và giảm phát thải trong nhà máy
nhiệt điện” là cần thiết.
b. Thực trạng và hướng khắc phục
Hiện nay trong nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu dầu FO và than antraxit,
loại than này cháy ít khói, hàm lượng các bon (C) trong tro xỉ cao, chất bốc (V)
thấp, tro (A) cao nên khó bắt cháy và khó cháy kiệt. Hậu quả là hàm lượng cacbon
trong xỉ cao (trên 12%), tổn thất năng lượng lớn, sử dụng tro xỉ kém hiệu quả (do
hàm lượng các bon chưa cháy hết trong tro xỉ cao).
Hướng khắc phục: Hiện tại đốt than trộn (antraxit và than nhập khẩu) hiện đã và
đang nghiên cứu triển khai tại một số NMNĐ như Ninh Bình, Vũng Áng… Trong
phạm vi đề tài này đưa ra giải pháp đốt antraxit kèm khí than ướt. Vì vậy, trong luận
văn sẽ đề cập đến các nội dung liên quan như sau:
c.
Cháy dầu, cháy than, cháy khí;
Sản xuất khí than ướt;
Nghiên cứu mô phỏng quá trình cháy CFD.
Mục tiêu nghiên cứu
6
Mục đích của đề tài “Nghiên cứu giải pháp đốt cháy atraxit kèm khí đốt để nâng
cao hiệu suất cháy của atraxit và giảm phát thải trong nhà máy nhiệt điện” nhằm đạt
được các mục tiêu dưới đây:
- Nâng cao hiệu suất cháy atraxit trong buồng đốt;
- Giảm phát thải đảm bảo tiêu chuẩn môi trường;
- Giảm tỷ lệ C trong tro xỉ về mức 5%.
7
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHÁY NHIÊN LIỆU
1.1 Cháy dầu
1.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến cháy dầu
Đặc tính của dầu như được thể hiện ở bảng 1.1
Bảng 1.1 Đặc tính kỹ thuật của dầu FO [13]
TT
Chỉ tiêu chất lượng dầu
Đơn vị
Trị số
1
Nhiệt trị cao
kJ/kg
41.840 ÷ 44.350
2
Khối lượng riêng tại nhiệt độ 150C
t/m3
0,96 ÷ 0,97
3
Độ nhớt tại 1000C
cSt
5 ÷ 20
4
Điểm chớp cháy
0
C
66
5
Điểm đông đặc
0
C
-20 ÷ +26
6
Carbon
%
86 ÷ 90
7
Nitơ
%
-
8
Hyđro
%
10 ÷ 12
9
Lưu huỳnh
%
0,5 – 1,0
10
Tro
%
0,01 ÷ 0,1
11
Nước
%
0,05 ÷ 2
a. Quá trình cháy
Để đốt cháy nhiên liệu lỏng, người ta đưa chúng về dạng các giọt sương có
đường kính trong khoảng 0,05 ÷ 0,3 mm [6].
Khi biến bụi (hóa sương), một bề mặt lớn được sinh ra và quá trình bay hơi diễn
ra nhanh hơn. Quá trình cháy của một giọt nhiên lỏng bao gồm các bước sau đây:
1. Biến bụi nhiên liệu lỏng thành các giọt riêng biệt;
2. Hỗn hợp giọt sương với dòng không khí rối và với khí nóng hồi lưu;
3. Nung nóng các giọt sương (đối lưu, bức xạ);
4. Các giọt bay hơi và hỗn hợp hơi với không khí và khí nóng hồi lưu;
5. Hỗn hợp bắt lửa khi thành phần và nhiệt độ phù hợp. Ưu thế thuộc về các
giọt bé;
6. Hỗn hợp cháy (cháy các giọt rất bé hay đám mây giọt bé);
8
7. Hình thành muội và các mạch cacbon;
8. Cháy muội và các mạch cacbon theo nguyên lý cháy nhiên liệu rắn.
Các quá trình trên diễn ra theo nhiều kiểu phối hợp khác nhau, không theo trình
tự mà có thể chồng chéo. Khi các giọt hỗn hợp với dòng không khí đã có quá trình
nung, bay hơi, hỗn hợp cục bộ và có thể cả bắt lửa, việc hình thành muội được bắt
đầu.
Ngoài ra, các giọt dầu có trong các thành phần khác nhau của ngọn lửa có vận
tốc, nồng độ, nhiệt độ khác nhau, điều kiện xung quanh, biến thiên của vận tốc các
giọt tùy điều kiện xung quanh và đường kính ban đầu cũng khác nhau.
b. Cháy giọt nhiên liệu lỏng
Quá trình cháy của nhiên liệu lỏng phức tạp hơn quá trình cháy của hỗn hợp khí
vì có thêm các quá trình bốc hơi lỏng thành khí (chuyển pha) và khuếch tán tham
gia vào. Ngọn lửa này gọi là khuếch tán, nó xảy ra cách bề mặt giọt nhiên liệu lỏng
một khoảng, được mô tả như hình 1.1. Giữa màng lửa và mặt lỏng không có oxy,
ngược lại phía bên kia của màng lửa thì không có nhiên liệu. Nhiên liệu và oxy
được vận chuyển bằng khuếch tán đến màng lửa. Ở đó chúng kết hợp với nhau
trong phản ứng cháy, sản phẩm tạo ra bay khỏi màng lửa cũng bằng khuếch tán.
Các phân bước của quá trình cháy giọt nhiên liệu lỏng bao gồm:
Truyền nhiệt vào giọt lỏng, mỗi đơn vị khối lượng nhiên liệu cần nhiệt lượng [2].
Q = L + Cl(Tw – TR)
Trong đó:
(1-1)
L: là nhiệt ẩn hóa hơi của nhiên liệu,
Cl: là nhiệt dung riêng của pha lỏng,
TR: là nhiệt độ lỏng phía trong giọt,
Tw: là nhiệt độ lỏng ngay bề mặt.
-
Hóa hơi pha lỏng thành khí, thời gian hóa hơi giọt lỏng phụ thuộc vào nhiệt
độ môi trường, đường kính d0 và các tính chất vật lý của nó [2].
(1-2)
=
Trong đó:
λv: là hằng số hóa hơi [m2/ s],
9
ρg: là khối lượng riêng pha hơi,
αg: là hệ số dẫn nhiệt độ pha hơi,
Cg: là nhiệt dung riêng pha hơi,
T∞: là nhiệt độ khí xa giọt lỏng,
TB: là nhiệt độ sôi của nhiên liệu.
-
Khuếch tán hơi nhiên liệu từ bề mặt lỏng ra ngoài tới màng lửa, hơi nóng dần
thêm trên đường đi: Khối lượng và thời gian khuếch tán tới màng lửa phụ
thuộc bản chất nhiên liệu, nhiệt độ buồng lửa…
-
Khuếch tán oxy từ ngoài vào màng lửa
-
Phản ứng cháy xảy ra
-
Khuếch tán sản phẩm cháy ra xa
-
Truyền nhiệt từ màng lửa ra xung quanh.
Hình 1.1 Giản đồ ngọn lửa khuếch tán và mật độ các chất phản ứng [2].
c. Cháy các giọt riêng biệt
Sự cháy của các giọt riêng biệt, cố định trong môi trường yên tĩnh được nghiên
cứu bằng cách treo đối tượng nghiên cứu lên sợi dây chỉ thạch anh ở trong lò. Lò
chứa khí có thành phần và nhiệt độ đã biết. Quá trình bay hơi được hình thành nhờ
nhiệt cấp từ không khí tới giọt. Hơi khuếch tán ra khỏi giọt, hỗn hợp với không khí
và bắt lửa khi đạt một thành phần và nhiệt độ xác định. Chẳng hạn trong không khí
các giọt cháy ở 8000C, có thể theo dõi quá trình cháy bằng máy ảnh hoặc các thiết bị
đo. Nhiên liệu phản ứng hoàn toàn thành khói, ngoài mặt cháy không còn hơi nhiên
liệu, trong mặt cháy không còn oxy.
10
Hình 1.2 Vùng phản ứng quanh một giọt dầu cháy [6].
a. Dạng thực, b. Mô hình hình cầu, c. Mô hình hình cầu đơn giản
Toàn bộ thời gian cháy của giọt bao gồm thời gian bắt lửa chậm trễ và thời gian
cháy. Bắt lửa chậm trễ là thời gian từ khi bắt đầu cấp nhiệt cho đến khi cháy. Thời
gian bắt lửa chậm trễ cần để nung giọt, làm bay hơi, nung và hỗn hợp hơi và để cho
những phản ứng đầu tiên kết thúc.
Với giả thiết bắt lửa chậm trễ chủ yêu do các điều kiện động học quyết định,
thời gian chậm trễ thực nghiệm được biểu thị theo định luật Arrhenius [6].
tz = a.eb/T
lntz = lna + b/T
Trong đó a và b phụ thuộc vào đường kính giọt.
(1-3)
Đối với các giọt có đường kính 1,5mm Masdin và Thring đưa ra các giá trị sau
đây [6].
Dầu nhẹ
lna = -9,45
b = 0,88.104
Dầu nặng
lna = -8,0
b= 0,79.104
Các thử nghiệm tính thời gian cháy của các giọt riêng biệt đã được nhiều tác giả
thực hiện, phần lớn các tác giả chấp nhận các giả thiết sau đây [6].
1. Mô hình tương ứng với hình 1.2c;
2. Giọt nhận nhiệt bằng dẫn nhiệt, bỏ qua vai trò của bức xạ và đối lưu;
3. Giọt có nhiệt độ đồng đều, nhiệt cấp chỉ để bay hơi;
11
4. Hơi nhiên liệu khuếch tán tới mặt cháy, khói theo hướng ngược lại tới bề mặt
giọt;
5. Ngoài bề mặt giọt là môi trường không khí yên tĩnh;
6. Vận tốc phản ứng vô cùng lớn, hình thành một mặt cháy.
Trên cơ sở các phương trình bảo tồn dạng nguyên tử, bảo tồn năng lượng, bảo
tồn vật chất, các tác giả đã tìm được các mối liên hệ như sau [6].
do2 – d2 = k(z – zo)
Trong đó:
(1-4)
d – đường kính.
z – thời gian.
k – hệ số.
chỉ số 0 – trạng thái ban đầu.
Các tác giả tìm ra các hệ số k khác nhau. Theo Spalding [6] thì.
(1-5)
Trong đó:
∆T – hiệu nhiệt độ giữa ngọn lửa và giọt;
Q – nhiệt hóa hơi của dầu;
– nhiệt trị làm việc của nhiên liệu;
[O2]min – nhu cầu oxy tối thiểu của nhiên liệu;
[O2] – hàm lượng oxy trong môi trường xung quanh ngọn lửa.
Các chỉ số: g – khí ở giữa giọt và ngọn lửa; t – chất giọt.
Việc tính toán chỉ có ý nghĩa định hướng vì phải chấp nhận nhiều giả thiết trên,
ngoài ra còn thiếu hiểu biết về nhiệt độ và khối lượng riêng của lớp khí ở giữa giọt
và ngọn lửa. Phần lớn các giá trị đo của k nằm trong khoảng 0,01 đến 0,02 cm 2/s
trong đó giá trị thấp nhất tìm được ở nhiệt độ khoảng 7000C [6].
d. Cháy trong đám sương
Khi cháy trong đám sương cần phải tính đến ảnh hưởng lẫn nhau của các giọt. Các
giọt có độ lớn khác nhau và khoảng cách giữa chúng cũng khác nhau nên ảnh hưởng
qua lại cũng khác nhau. Thời gian cháy giọt trong đám sương có thể coi gần gấp đôi
thời gian cháy một giọt riêng lẻ, nghĩa là, k có giá trị từ 0,005 ÷ 0,01 cm2/s [6].
12
Bảng 1.2 Thời gian cháy của giọt và đám sương [6]
Đường kính giọt, mm
1
0,5
0,1
0,05
Thời gian cháy của giọt
riêng lẻ, ms
500 đến 1000
125 đến 250
5 đến 10
1,25 đến 2,5
Thời gian cháy của
đám sương, ms
1000 đến 2000
250 đến 500
10 đến 20
2,5 đến 5
e. Diễn biến của quá trình hỗn hợp và phản ứng
Giữa ngọn lửa dầu và ngọn lửa khí có nhiều điểm giống nhau đặc biệt các điểm
sau:
-
Cả hai nhiên liệu đều phản ứng ở pha khí;
-
Tiến trình hỗn hợp của hơi dầu cũng như của các sản phẩm phân rã và không
khí quyết định tiến trình phản ứng, chỉ có ở gần mỏ đốt, đối với ngọn lửa
dầu, các quá trình tại giọt có tính quyết định;
-
Hướng vào độ lớn của xung của cả hai dòng quyết định hình dáng ngọn lửa.
Những điểm khác biệt quan trọng:
-
Để giọt hóa hơi cần thời gian;
-
Các phân tử lớn hơn cần nhều phản ứng trung gian hơn so với các phân tử
khí, có nhiều khả năng hơn để tạo muội;
-
Các mạch cacbon từ dầu nặng có thể xuất hiện.
Độ lớn của các phân tử dầu gây ra nhiều phản ứng trung gian cũng như sản
phẩm trung gian. Quá trình phân rã khởi đầu cho H, CH 3. Sản phẩm trung gian ổn
định H2, CO (nếu có mặt O2).
Ngọn lửa dầu thường gồm 2 phần chồng lên nhau: phần đầu là hóa hơi, bắt lửa
và một phần cháy; phần thứ hai có tính chất của một ngọn lửa khí.
Nhu cầu thời gian để phân rã các phân tử và tỉ số C/H cao trong dầu (so với khí)
cho nhiều khả năng tạo muội. Có thể dễ dàng tạo ngọn lửa chiếu sáng với nồng độ
muội cục bộ 20 g/m3 hoặc lớn hơn [6].
Khi đốt dầu nặng không thể đốt cháy hoàn toàn các giọt, các phân tử có nhiệt độ
sôi lớn nhất tạo ra một dạng cốc và lắng đọng vào khung (mạch cacbon), hình 1.3.
13
Kích thước lớn nhất của một kiến trúc như thế này bằng đường kính của giọt ban
đầu. Thời gian cháy của mạch gấp đôi thời gian cháy của giọt có đường kính tương
đương [6].
Hình 1.3 Mạch cacbon [6]
Đối với giọt 1mm ở 7000C người ta đã tìm được thời gian cháy 2s, hệ số k =
0,0043cm2/s [1].
f. Ngọn lửa dầu
Hình dáng và chiều dài ngọn lửa
Ngọn lửa của các thiết bị biến bụi không xoáy có trường dòng và trường phản
ứng tương tự như ngọn lửa khí. Việc tính chính xác ngọn lửa dầu rất khó khăn.
Thường người ta phải nhờ đến công thức thực nghiệm dạng [6].
(1-6)
Trong đó:
I – xung của dòng không khí.
Đối với các lò hơi người ta còn dùng công thức đơn giản hơn [6].
,m
Trong đó:
Q – công suất nhiệt đo bằng GJ/h
14
(1-7)
Thiết bị biến bụi áp suất tạo nên ngọn lửa hình W trong dòng không xoáy. Các
điểm chân của W nằm cách mỏ đốt một khoảng ở trong dòng dầu. Khi tăng xung
không khí, có thể giảm đáng kể thể tích ngọn lửa.
Ổn định ngọn lửa
Ổn định ngọn lửa dầu rất khó so với ổn định ngọn lửa không khí vì cần thêm
năng lượng để nhiên liệu bay hơi và cần thêm thời gian để cấp năng lượng này.
Nguồn năng lượng mồi có thể là không khí được nung nóng trước, chất biến bụi
được nung nóng trước, khói nóng hồi lưu, trao đổi nhiệt do tiếp xúc giữa các chi tiết
nóng và các dòng khí hoặc bức xạ của ngọn lửa và tường nóng.
Về mặt nguyên lý thì có thể sử dụng được các trật tự tương tự như trong ngọn
lửa khí: trong dòng không xoáy không có vật giữ ngọn lửa, sự bắt lửa xuất hiện ở
vùng biên của dòng, ở đấy có sự cân bằng giữa vận tốc ngọn lửa của hỗn hợp hơi
dầu – không khí và vận tốc dòng.
Thông thường để ổn định người ta sử dụng vùng hồi lưu trong hạt nhân dòng
xoáy hoặc sau vật cản. Trong các thiết bị biến bụi áp suất bằng cách thay đổi góc
của dòng có thể thay đổi thời gian lưu của giọt trong vùng chảy ngược về và đặc
tính của ngọn lửa. Trên đường đi qua vùng khí hồi lưu nóng các giọt sẽ bay hơi
hoàn toàn. Hơi cùng với khói chuyển động ngược dòng, nhờ trao đổi rối thâm nhập
vào dòng không khí chảy về phía trước. Trong vùng chuyển hướng xác lập sự cân
bằng giữa vận tốc dòng và vận tốc ngọn lửa.
Người ta thấy rằng, vùng hồi lưu có khả năng vận chuyển hơi dầu tới bề mặt
ngọn lửa trên hai đường. Điều này phụ thuộc vào sắp xếp hình học của hình nón
phun và vùng hồi lưu vào mức độ tham gia của con đường thứ hai. Trên con đường
này có nhiều cơ hội để hình thành muội.
1.1.2 Các biện pháp cơ bản để tăng nhanh quá trình cháy nhiên liệu lỏng
- Tăng nhanh quá trình bốc hơi của nhiên liệu lỏng
- Tăng nhanh quá trình hỗn hợp giữa giọt nhiên liệu và không khí
- Đề phòng hoặc giảm nhẹ hiện tượng phân giải nhiệt
Trong thực tế công nghiệp người ta sử dụng các biện pháp sau để đề phòng và
hạn chế phân hủy nhiệt.
15
+ Đưa một phần nhỏ không khí vào xung quanh miệng phun để đề phòng nhiệt
độ gốc ngọn lửa quá cao.
+ Làm cho nhiệt độ của dòng phun sương sau miệng phun thấp xuống, như vậy
cho dù có sinh ra phân giải nhiệt thì cũng là loại phân giải nhiệt đối xứng tạo
thành cacbuahydro nhẹ.
+ Tìm mọi cách đảm bảo hạt sương nhỏ và đều đảm bảo bốc hơi nhanh, khuếch
tán hỗn hợp tốt, tránh hiện tượng khuếch tán vào vùng nhiệt cao thiếu oxy.
1.2 Cháy antraxit
1.2.1 Đặc tính antraxit
Antraxit là loại than cháy ít khói, hàm lượng các bon (C) trong than cao, chất
bốc (V) thấp, tro (A) cao nên khó bắt cháy và khó cháy kiệt như được thể hiện ở
bảng 1.3.
Bảng 1.3 Đặc tính antraxit [13]
Stt
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Thông số
Nhiệt trị thấp
Độ ẩm toàn phần
Chất bốc
Xỉ
Carbon
Hydro
Oxy
Ni tơ
Lưu huỳnh
Ký hiệu
Wlv
Vlv
Alv
Clv
Hlv
Olv
Nlv
Slv
Đơn vị
MJ/kg
%
%
%
%
%
%
%
%
Giá trị thiết kế
21,164
8,2
7,5
28,74
57,34
1,95
2,45
0,74
0,58
1.2.2
Các yếu tố ảnh hưởng đến cháy antraxit
a. Nhiệt lượng bắt cháy
Nhiệt độ bắt lửa của một loại nhiên liệu dưới điều kiện nhất định được xác định
bởi điều kiện tới hạn của quá trình bắt cháy. Điều kiện bắt lửa của dòng bột than
không chỉ tính đến nhiệt độ mà còn phải tính đến cả lượng nhiệt cần cung cấp cho
dòng bột than. Lượng nhiệt cần thiết cho quá trình bắt lửa, nghĩa là lượng nhiệt cần
16
thiết đưa hỗn hợp tới nhiệt độ bắt lửa và được gọi là nhiệt lượng bắt lửa: Q bl
(kJ/kg.h), được xác định theo công thức sau [5].
(1-8)
, kJ/kg
Trong công thức trên:
B
- lượng tiêu hao than cho một vòi phun, kg/h
V1 - lượng gió cấp 1, V1 = r1 ”Vo , m3/kg
V0 - lượng không khí lý thuyết cho quá trình cháy, /kg
” - hệ số không khí thừa tương ứng với gió đi vào một vòi phun
r1
- tỷ lệ gió cấp 1
Co - nhiệt dung riêng gió cấp 1, kJ/oC
q4 - tổn thất nhiệt cháy không hết về cơ học của lò hơi, %
Cbt - nhiệt dung riêng của gió sấy than, kJ/kg.oC
W - độ ẩm mẫu làm việc của than, %
Wbt - độ ẩm của bột than, %
T
- nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp gió cấp 1 và bột than, 0C
tbl - nhiệt độ bắt lửa, oC.
Từ công thức 1.8 ta thấy các yếu tố ảnh hưởng chính tới nhiệt lượng bắt lửa gồm
có: lưu lượng và tốc độ gió cấp 1, nhiệt độ gió nóng và nhiệt độ khói vùng bắt lửa,
độ mịn của bột than, nhiệt độ bắt cháy của dòng bột than, nồng độ dòng bột than,
trường khí động trong buồng lửa.
b. Lưu lượng và tốc độ gió cấp 1
Nếu tỷ lệ gió cấp 1 càng cao thì nhiệt lượng cần thiết để đạt tới trạng thái bắt lửa
sẽ càng lớn. Bởi vậy than càng khó cháy thì cần chọn tỷ lệ gió cấp 1 càng thấp. Tuy
nhiên lượng gió cấp 1 cần phải đảm bảo các yêu cầu của sự cháy ổn định nên gió
cấp 1 không được chọn quá thấp. Mặt khác tốc độ gió cấp 1 cũng không được chọn
quá lớn vì như vậy sẽ dẫn đến kéo lùi sự bắt lửa ra xa miệng vòi phun.
17
Tỷ lệ gió cấp 1 đối với than antraxit được chọn như sau:
r1= 0,15 0,2
c. Nhiệt độ gió nóng và nhiệt độ khói vùng bắt lửa
Nâng cao nhiệt độ ban đầu của dòng hỗn hợp gió cấp 1 và bột than có thể giảm
được lượng nhiệt cần thiết để đạt tới trạng thái bắt lửa, làm cho sự bắt lửa dịch về
phía trước gần vòi phun hơn. Thông thường đối với than ít chất bốc như than
antraxit sử dụng không khí nóng nhiệt độ cao (380 oC420oC) để vận chuyển bột
than, như vậy sẽ làm cho than dễ bắt lửa hơn.
Ngoài ra sử dụng đai cháy để nâng cao nhiệt độ buồng đốt vùng bắt lửa cũng là
một trong những biện pháp có lợi cho việc cung cấp nhiệt cho dòng bắt cháy.
d. Độ mịn của bột than
Khi bột than càng mịn thì tổng diện tích bề mặt tiếp xúc của bột than trên một
đơn vị khối lượng với dòng khí nóng càng lớn, tốc độ gia nhiệt dòng bột than tăng,
cũng đồng nghĩa với việc tăng nhanh nhiệt độ dòng hỗn hợp gió cấp 1 và bột than.
Theo biểu thức (1.8) lúc đó lượng nhiệt cần thiết đưa hỗn hợp tới nhiệt độ bắt lửa
giảm làm cho quá trình bắt lửa bột than sớm hơn.
Lí thuyết cũng như thực nghiệm chỉ ra rằng than càng ít chất bốc thì yêu cầu bột
than càng mịn. Độ mịn phù hợp được tính như sau 10, 11.
* Theo các nước phương Tây đối với loại than ít chất bốc Vdaf< 10 thì:
R90< 0,5 Vdaf+2
R75< 0,5Vdaf+4
* Theo tiêu chuẩn của Nga đối với các lọai than ít chất bốc Vdaf< 10 thì:
R90= 6 + 0,7
Varc
* Kinh nghiệm vận hành của các nhà máy điện thì đối với than antraxit Việt Nam
độ mịn thích hợp vào khoảng R90= 4-8%.
e. Nhiệt độ bắt cháy của dòng bột than
Nhiệt độ bắt lửa của dòng bột than chủ yếu phụ thuộc vào chất bốc của than, vào
điều kiện gia nhiệt và tản nhiệt của dòng hỗn hợp ở đầu ra vòi phun trong buồng
lửa. Tại đầu ra vòi phun dòng hỗn hợp bột than được bao bọc bởi dòng gió cấp 1 và
cấp 2 và được gia nhiệt bởi dòng khói nóng có nhiệt độ cao hồi lưu. Vì vậy quá
18
trình bắt lửa vừa cưỡng bức vừa tự nhiên. Điều kiện tới hạn của sự bắt lửa được
biểu thị bằng hệ phương trình:
Q1 = Q 2
Q1
Q2
T
T
Trong đó:
Q1 - Nhiệt lượng hoá học
Q2 - Nhiệt lượng toả nhiệt
Giả thiết rằng nhiệt độ bột than trước khi bắt lửa là không cao, phản ứng hóa học
trong dòng trước khi bắt lửa nằm trong vùng động học. Vì vậy lúc đó nhiệt lượng
hóa học sinh ra do phản ứng hóa học cháy bột than 5] Q1 sẽ là:
n
273 o O2
1
1
/
Q1 Q
T
K o exp E /( RTbl ) , W/m2
t
lv
(1-9)
n
273 o O2
1
1
/
Q1 Q
T
K o exp E /( RTbl ) , W/m2
Nhiệt lượng toả từ hạt bột than ra môi trường Q2 sẽ là:
t
lv
Q2 Tbl T a. Tbl4 T4
(1-10)
, W/m2
Trong các công thức trên:
Qtlv - nhiệt trị bột than
n
- cấp phản ứng, lấy gần đúng n = 1
a
- độ đen của ngọn lửa
o
- hằng số Boltzman, 5,67.10-8 W/ (m2.K4)
- đại lượng đặc trưng lượng tiêu hao than khi cháy một kg ôxy.
Than cốc, khi cháy hoàn toàn sẽ cho ta CO2 nên lúc đó đại lượng:
= 0,375 kg (C)/ 1kg(O2);
Đối với bột than, vì trong bột than có chất bốc nên khi tiêu tốn 1 kg O 2 thì sẽ
cháy hết nhiều nhiên liệu hơn, với than antraxit có thể chọn giá trị = 0.531.
o - Khối lượng riêng của Oxy, kg/m3
19
O2 - Nồng độ Oxy trong môi trường phản ứng, %
To - Nhiệt độ dòng hỗn hợp bột than và gió nóng, K
R
- Hằng số chất khí, kJ/(mol. K)
E
- Năng lượng hoạt hóa bề mặt hạt than, kJ/mol
Ko - Hệ số va đập, m/s
- Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu giữa bột than với dòng gió nóng, W/m2 .K
- Hệ số trao đổi chất, m/s, được chọn như sau [5].
Trong đó:
Nud - Tiêu chuẩn Nusselt, để dễ tính toán ta chọn Nud = 2
Do - Hệ số khuyếch tán phân tử, m2/s
dbt - Đường kính hạt bột than, m
Đưa Q1 và Q2 vào hệ phương trình điều kiện tới hạn của sự bắt lửa ở trên, có thể
tìm được nhiệt độ tới hạn của sự bắt lửa T blv và nhiệt độ môi trường của môi chất
cần thiết T để gia nhiệt cho dòng hỗn hợp cũng như lượng nhiệt bắt lửa Qbl.
Đại lượng đặc trưng cho quá trình tự bắt lửa là chỉ số hoạt tính T 15. Đây cũng
chính là nhiệt độ mà tại thời điểm đó tốc độ tự gia nhiệt đạt 15 oC/1giây trong quá
trình nung mẫu bột than thí nghiệm ở điều kiện giàu ôxy. Nếu chỉ số T 15 mà cao có
nghĩa là hoạt tính của than thấp và do đó khó bắt lửa. Khi than có chỉ số T 15 lớn hơn
280 thì đó là than có đặc tính than antraxit khó bắt lửa. Chỉ số hoạt tính đó phụ
thuộc vào chất bốc của than và được tính theo công thức sau 4, 5.
T15 = 229,7 - 0,01041 (VC - 27.5)3
Trong đó VC là tỷ lệ chất bốc trong than.
(1-11)
Từ công thức này ta cũng thấy được nếu chất bốc càng cao thì chỉ số hoạt tính
của than càng nhỏ và như vậy than càng dễ bắt cháy.
Chỉ số hoạt tính (RI) là khái niệm mà Foster Wheeler đưa ra để đánh giá khả
năng bắt cháy của than. RI được thể hiện bằng nhiệt độ bắt đầu cháy của mẫu than
được đặt trong thiết bị thí nghiệm tiêu chuẩn khi được gia nhiệt dần lên. Như vậy,
RI cũng tương đương với nhiệt độ bắt cháy. Đồ thị mối quan hệ giữa RI và hàm
20
