Nghiên cứu đánh giá hiện trạng và nhận dạng tiềm năng phát triển công nghệ đốt than lớp sôi ở việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

ĐÀO ĐỨC HẢI

ĐÀO ĐỨC HẢI

CÔNG NGHỆ NHIỆT–LẠNH

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG VÀ NHẬN DẠNG TIỀM NĂNG
PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ ĐỐT THAN LỚP SÔI Ở VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CƠNG NGHỆ NHIỆT – LẠNH

KHỐ 2008 -2010

Hà Nội – Năm 2012


MẪU TRANG PHỤ BÌA LUẬN VĂN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

ĐÀO ĐỨC HẢI

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG VÀ NHẬN DẠNG TIỀM NĂNG
PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ ĐỐT THAN LỚP SÔI Ở VIỆT NAM

Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ NHIỆT – LẠNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ NHIỆT – LẠNH

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

Hà Nội – Năm 2012


Lời cảm ơn
Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Hoàng Lương cùng các thầy cô giáo
của Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt Lạnh đà tận tình giúp đỡ em hoàn
thành luận văn này.
Do hạn chế về thời gian và kinh nghiệm nên luận văn không tránh khỏi sai sãt,
khiÕm khut. Em rÊt mong sù gãp ý cđa thÇy cô và các bạn
Em xin chân thành cảm ơn.
Hà Nội, ngày

tháng

Đào Đức Hải

năm 20


Luận văn Thạc sĩ

Ngành: Công nghệ Nhiệt Lạnh

B GIO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

*****

LỜI CAM ĐOAN
Luận văn thạc sỹ này do tôi nghiên cứu và thực hiện với sự hướng dẫn
của PGS.TS Phạm Hoàng Lương.
Để hoàn thành bản luận văn này, tơi có tham khảo các tài liệu kê ở mục
tài liệu tham khảo.
Tôi cam đoan không sao chép các cơng trình hoặc thiết kế tốt nghiệp
của người khác trong quá trình soạn thảo luận văn cao học này.

Hà Nội, ngày... tháng...năm 20
( Ký, ghi rõ họ tên)


Luận văn Thạc sĩ

Ngành: Công nghệ Nhiệt Lạnh

Kớnh gi : Viên Khoa học và Công nghệ Nhiệt Lạnh
ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN
THẠC SĨ KHOA HỌC

1. Họ và tên học viên : Đào Đức Hải
SHHV: 004539C810
2. Chuyên ngành : Nhiệt – Lạnh
Lớp: Kỹ thuật Năng lượng
3. Người hướng dẫn : PGS.TS Phạm Hoàng Lương
4. Đơn vị: Viện tiên tiến khoa học và công nghệ - ĐHBK Hà Nội
5. Tên đề tài (tiếng Việt): nghiên cứu đánh giá hiện trạng và nhận dạng tiềm
năng phát triển công nghệ than lớp sôi ở Việt Nam
6. Tên đề tài (tiếng Anh): Coal combustion in fluidized bed boilers: a study on
state of the Art FB technology and its development perspective in Viet Nam
7. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài:
+ Quan hệ năng lượng – kinh tế - môi trường trong sản xuất cơng nghiệp ln
địi hỏi các doanh nghiệp phải phát triển bền vững.
+ Cơng nghệ đốt than lớp sơi có những ưu điểm tận dụng than có chất lượng
thấp để sản xuất năng lượng mà vẫn đảm bảo các tiêu chí mơi trường, đặc biệt
đối với các ngành cơng nghiệp ở Việt Nam.
8. Mục đích của đề tài (các kết quả cần đạt được): Nghiên cứu đánh giá hiện
trạng. Xác định tiềm năng phát triển công nghệ than tầng sôi ở Việt Nam
Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết:
• Nghiên cứu cập nhật lý thuyết cháy than trong buồng đốt lớp sơi.
• Điều tra, khảo sát và cập nhật hiện trạng công nghệ sản xuất ứng dụng cơng
nghệ than lớp sơi
• Xây dựng các chỉ số năng lượng, môi trường cho các công nghệ đốt than lớp
sơi
• Nhận dạng tiềm năng ứng dụng cơng nghệ đốt than tầng sơi thơng qua chi
phí vịng đời cơng nghệ
• Nghiên cứu đề xuất chính sách phát triển cơng nghệ đốt than tầng sôi tại Việt
Nam
9. Dự kiến kế hoạch thực hiện : Hoàn thành, báo cáo, bảo vệ trong tháng 10 ~
11 năm 2010

Người hướng dẫn

Hà Nội, ngày

PGS.TS Phạm Hoàng Lương

tháng
năm
Học viên

Đào Đức Hải
Ý kiến của lãnh đạo khoa/viện


Luận văn Thạc sĩ

Ngành: Công nghệ Nhiệt Lạnh

Tóm tắt luận văn thạc sĩ
Tờn ti (ting Vit): nghiờn cu đánh giá hiện trạng và nhận dạng tiềm
năng phát triển công nghệ than lớp sôi ở Việt Nam
Tên đề tài (tiếng Anh): Coal combustion in fluidized bed boilers: a study on
state of the Art FB technology and its development perspective in Viet Nam
Tác giả: Đào Đức Hải
Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hoàng Lương
Tóm tắt luận văn
a) Lý do chọn đề tµi:
+ Quan hệ năng lượng – kinh tế - mơi trường trong sản xuất cơng nghiệp
ln địi hỏi các doanh nghiệp phải phát triển bền vững.
+ Công nghệ đốt than lớp sơi có những ưu điểm tận dụng than có chất

lượng thấp để sản xuất năng lượng mà vẫn đảm bảo các tiêu chí mơi
trường, đặc biệt đối với các ngành cơng nghiệp ở Việt Nam.
b) Mơc ®Ých cđa ln văn, phạm vi nghiên cứu
+ Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu cập nhật lý thuyết cháy than trong
buồng đốt lớp sôi, cập nhật hiện trạng sản xuất ứng dụng công nghệ than lớp
sôi từ đó đề xuất các chính sách phát triển công nghệ đốt than lớp sôi tại Việt
Nam.
+ Phạm vi nghiên cứu của luận văn là tập trung nghiên cứu công nghệ đốt
than lớp sôi ứng dụng cho lò hơi công suất cỡ trung (20 - 50 t/h). Trong luận
văn này khi cập nhật lý thuyết sẽ tập trung vào hai phần là truyền nhiệt và
cháy than trong líp s«i.


Luận văn Thạc sĩ

Ngành: Công nghệ Nhiệt Lạnh

c) Các néi dung chÝnh
+ Nghiªn cøu cËp nhËt lý thut trun nhiệt và
+ Nghiên cứu cập nhật lý thuyết cháy than trong lớp sôi
+ Điều tra khảo sát và cập nhật hiện trạng công nghệ sản xuất ứng dụng
công nghệ đốt than lớp sôi tại Việt Nam
+ So sánh chi phí vòng đời công nghệ giữa lò hơi đốt than lớp sôi và lò hơi
ghi xích
+ Từ các nghiên cứu lý thuyết và thực tế đề xuất một số chính sách phát
triển công nghệ đốt than lớp sôi tại Việt Nam
d) Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu cập nhật lý thuyết cháy than trong buồng đốt lớp sôi được thực
hiện qua việc thu thập, cập nhật tài liệu, báo cáo khoa học các nghiên cứu đÃ
công bố của các tác giả trong nước cũng như nước ngoài. Cập nhật hiện trạng

ứng dụng công nghệ than lớp sôi bằng phương pháp khảo sát thực tế, lấy các
số liệu thực tế từ sản xuất của các đơn vị đà ứng dụng công nghệ cháy than lớp
sôi để nghiên cứu, đánh giá hiện trạng. Từ đó đề xuất một số giải pháp nhằm
phát triển công nghệ đốt than lớp sôi tại Việt Nam
e) Kết luận
+ Nghiên cứu cập nhật lý thuyết truyền nhiệt trong công nghệ đốt than lớp
sôi: các tác giả trên thế giới vẫn chưa thống nhất công thức tính các quá
trình truyền nhiệt nhiệt trong lớp sôi; các kết quả đo lường thực nghiệm
truyền nhiệt trong lớp sôi của các tác giả khác nhau sai lệch nhau khá lớn.
+ Nghiên cứu cập nhật lý thuyết cháy trong công nghệ đốt than lớp sôi:
cháy kiểu lớp sôi có những khác biệt với cháy than phun như kích cỡ hạt,
tốc độ cháy, điều kiện để khuếch tán Oxy vẫn cần phải nghiên cứu.


Luận văn Thạc sĩ

Ngành: Công nghệ Nhiệt Lạnh

+ Cập nhật hiện trạng và đánh giá tiềm năng ứng dụng công nghệ đốt than
lớp sôi tại Việt Nam: công nghệ đốt than lớp sôi có tiềm năng ứng dụng
lớn tại Việt Nam song chưa được áp dụng rộng rÃi.
+ Đề xuất giải pháp nâng cao hiệu suất lò hơi lớp sôi tại nhà máy hơi nước
Đà Nẵng - KCN Hòa Khánh - Đà Nẵng: vận hành đủ tải, vận hành lò liên
tục, định kỳ kiểm tra và khắc phục hư hỏng
+ Đề xuất chính sách: cần có cơ chế ưu đÃi để phát triển ứng dụng công
nghệ đốt than lớp sôi vào thực tế vì việc này sẽ tạo ra nhiều lợi ích cho cả
doanh nghiệp sử dụng công nghệ lÉn nhµ n­íc.


Luận văn Thạc sĩ

Ngành: Công nghệ Nhiệt Lạnh

Mục Lục
Ký hiệu ............................................................................................................................... 3
Danh mục bảng ............................................................................................................. 9
Danh mục hình vẽ ...................................................................................................... 10
Chương 1: Mở đầu...................................................................................................... 12
1.1 Cơ sở đề tài................................................................................................................ 12
1.2 Mục tiêu của đề tài ................................................................................................... 13
1.3 Phạm vi nghiên cứu.................................................................................................. 14
1.4 Trình tự luận văn ..................................................................................................... 14
Chương 2: tổng quan về công nghệ đốt than lớp sôi ...................... 16
2.1 Khái niệm lớp sôi...................................................................................................... 16
2.2 Giới thiệu về công nghệ đốt lớp sôi FBC ................................................................ 17
2.2.1 Nguyên lý hoạt động ......................................................................................... 17
2.2.2 Ưu - nhược điểm của công nghệ ®èt líp s«i FBC .......................................... 18
2.3 Giíi thiƯu chung vỊ công nghệ đốt lớp sôi tuần hoàn CFBC ............................... 18
2.3.1 Nguyên lý hoạt động ......................................................................................... 18
2.3.2 Ưu nhược điểm của công nghệ đốt lớp sôi tuần hoàn................................. 21
2.4 Phát thải trong công nghệ đốt than lớp sôi ............................................................ 23
2.4.1 Phát thải SOx .................................................................................................... 24
2.4.2 Phát thải NOx .................................................................................................... 30
Chương 3 : Tỉng quan Trun nhiƯt trong líp s«i ............................ 37
3.1 Các quá trình truyền nhiệt trong lò hơi lớp sôi .................................................... 37
3.2 Truyền nhiệt giữa khí và hạt trong bọt lớp sôi. ..................................................... 40
3.3 Truyền nhiệt giữa hạt và bọt trong lớp sôi ............................................................ 45
3.4 Biểu hiện bề ngoài cđa dÉn nhiƯt trong bät cđa líp s«i ........................................ 53
3.5 Truyền nhiệt giữa lớp sôi vào bề mặt trao đổi nhiệt ............................................. 56
3.5.1 Các cơ chế truyền nhiệt từ lớp sôi tới bề mặt trao đổi nhiệt ......................... 56

3.5.2 Các kết quả thực nghiệm về truyền nhiệt tới bề mặt chìm trong lớp sôi ..... 62
3.5.3 ảnh hưởng của thông số hình học tới truyền nhiệt ........................................ 76
Chương 4: Tổng quan cháy than trong lớp sôi ................................... 91
4.1 Các thông số đặc trưng của quá trình cháy lớp sôi ............................................... 91
4.1.1 Các điều kiện cháy trong lớp sôi ...................................................................... 92
4.1.2 Các quá trình vật lý khi cháy hạt than trong lớp sôi ..................................... 94
4.1.3 Các thông số ảnh hưởng tới quá trình cháy trong lớp sôi ............................. 97
4.2 Cháy chất bốc trong lớp sôi................................................................................... 100
4.2.1 Cháy than chứa nhiều chất bốc trong điều kiện thực tế .............................. 100
4.2.2 Các hoạt động của hạt than xảy ra trong suốt quá trình thoát chất bốc ... 102
4.3 Cháy cốc .................................................................................................................. 107
4.3.1 Động lực của các phản ứng hóa học xảy ra trên bề mặt hạt cốc ................. 110
4.3.2 Các phản ứng hóa học và kiểm soát các quá trình khi diễn ra cháy hạt cốc
(carbon) ..................................................................................................................... 112
Chương 5: hiện trạng và đánh giá tiềm năng ứng dụng công
nghệ đốt than lớp sôi tại Việt Nam .......................................................... 119
5.1 Hiện trạng ứng dụng công nghệ đốt than lớp sôi tại Việt Nam ......................... 119
5.1.1 Hiện trạng ứng dụng công nghệ đốt than lớp sôi tại nhà máy giấy Tissue
Cầu Đuống ................................................................................................................ 119

Thực hiện: Đào Đức Hải

1

Hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hoàng Lương


Luận văn Thạc sĩ

Ngành: Công nghệ Nhiệt Lạnh

5.1.2 Hiện trạng ứng dụng công nghệ đốt than lớp sôi tại nhà máy hơi nước công
nghiệp Đà Nẵng ........................................................................................................ 122
5.2 Nhận dạng tiềm năng ứng dụng công nghệ lớp sôi qua chi phí vòng đời công
nghệ ............................................................................................................................... 125
5.2.1 Phương pháp đánh giá bằng chỉ tiêu chi phí vòng đời................................. 126
5.2.2 So sánh chi phí vòng đời giữa lò hơi sử dụng công nghệ đốt than lớp sôi và
đốt ghi xích ............................................................................................................... 129
5.2.3 Nhận xét tiềm năng ứng dụng công nghệ đốt than lớp sôi tại Việt Nam qua
đánh giá chi phí vòng đời công nghệ ...................................................................... 137
5.3 Một số chỉ tiêu môi trường cho công nghệ đốt than lớp sôi................................ 139
5.3.1 Một số quy định về tiêu chuẩn phát thải khí cđa ViƯt Nam ....................... 139
5.3.2 Sè liƯu kinh nghiƯm gi¶m phát thải SO2 trong vận hành lò hơi lớp sôi ..... 142
5.4 TÝnh to¸n kiĨm tra hiƯu st nhiƯt theo thực tế vận hành lò hơi 25t/h tại nhà
máy hơi nước công nghiệp Đà Nẵng ........................................................................... 145
Kết luận và đề xuất ............................................................................................. 147

Thực hiện: Đào Đức Hải

2

Hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hoàng Lương


Luận văn Thạc sĩ

Ngành: Công nghệ Nhiệt Lạnh

Ký hiệu
ap

din tích bề mặt riêng trên một đơn vị thể tích (ap = Ap/Vp = 6φsdp),
[m2/m3]

aef

hệ số khuếch tán nhiệt của lớp sôi, [m2/s]

AF

tiết diện cắt ngang của buồng đốt, [m2]

Ap

diện tích bề mặt ngồi của hạt, [m2]

AT

tiết diện ống chìm trong lớp sơi, [m2]

cg

nhiệt dung riêng của khí ở áp suất không đổi, [J/kgK]

cp

nhiệt dung riêng của hạt trơ trong lớp sôi, [J/kgK]

CO2

nồng độ Oxy trong lớp sôi trên một đơn vị thể tích (ở cách xa bề
mặt hạt), [kg/m3]

CO2 p

nơng độ Oxy trên một đơn vị thể tích ở gần bề mặt hạt, [kg/m3]

d

đường kính hạt nhiên liệu, [m]

dp

đường kính hạt trơ trong lớp sơi, [m]

Db

kích thước (hoặc đường kính) của tiết diện lớp sơi, [m]

DB

đường kính bọt trong lớp sơi, [m]

DG

hệ số khuếch tán phân tử khí, [m2]

Dh*

đường kính quy dẫn (=4AT/OT), [m]

Ds

hệ số hịa trộn hạt hiệu quả trong lớp sơi, [m2/s]

DT

đường kính ống chìm trong lớp sôi, [m]

fT

hệ số nhiệt độ xác định bằng công thức (3.18)

fo

khoảng thời gian tiếp xúc của bọt với bề mặt chìm trong lớp sơi,
[s]

g

gia tốc trọng trường, [m2/s]

Hb

chiều cao lớp sôi, [m]

hBc

hệ số truyền nhiệt giữa bọt và cụm hạt trên một đơn vị diện tích bề
mặt của bọt, [W/m2K]

Thùc hiện: Đào Đức Hải

3

Hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hoàng Lương


Luận văn Thạc sĩ

(HBe)B

Ngành: Công nghệ Nhiệt Lạnh

h s truyền nhiệt giữa cụm hạt và pha nhũ tương trên một đơn vị
diện tích bề mặt của bọt, [W/m2K]

Ip

Entapi của tất cả các hạt trong lớp sôi trên một đơn vị thể tích của
lớp sơi, [J/m3]

ip

Entapi của tất cả các hạt trong lớp sôi trên một đơn vị khối lượng
của lớp sôi, [J/kg]

l

chiều dài, [m]

Ltmax

khoảng cách lớn nhất từ tấm phân phối gió tại đó nhiệt độ khí
phun vào bằng với nhiệt độ lớp sôi, [m]

Mg

khối lượng phân tử của khí, [kg/kmol]

OT

chu vi của ống chìm trong lớp sơi, [m]

q

dịng nhiệt, [W/m2]

qB

lưu lượng thể tích của khí xuyên qua bọt, [m3/s]

qR

nhiệt lượng tạo ra trong q trình cháy, [J/kg]

rR

bán kính lỗ phun trên tấm phân phối gió, [m]

R

hằng số khí, [J/molK]

Rg

nhiệt trở của khí, [m2K/W]

Rt

nhiệt trở của đám hạt, [m2K/W]

SBc

diện tích bề mặt của bọt tiếp xúc với đám hạt [m2]

Sh

bước ống theo phương ngang của bó ống chìm trong lớp sơi, [m]

Sv

bước ống theo phương đứng của bó ống chìm trong lớp sơi, [m]

tb

nhiệt độ lớp sơi, [oC]

T

nhiệt độ hạt hoạt tính (hạt nhiên liệu) trong lớp sơi, [K]

Tb

nhiệt độ lớp sơi, [K]

TgB

nhiệt độ khí trong bọt, [K]

Tp

nhiệt độ hạt, [K]

TR

nhiệt độ tại miệng lỗ phun của tấm phân phối gió, [K]

Ts

nhiệt độ của bề mặt chìm trong lớp sụi, [K]

Thực hiện: Đào Đức Hải

4

Hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hoàng L­¬ng


Luận văn Thạc sĩ

Ngành: Công nghệ Nhiệt Lạnh

ut

tc rơi tự do (tốc độ tới hạn) của một hạt đơn, [m/s]

υB

tốc độ của nhóm bọt trong lớp sơi, [m/s]

υf

tốc độ khí trong lớp sơi (tốc độ lớp sơi), [m/s]

υmf

tốc độ khí khi bắt đầu sơi (tốc độ giả lỏng tối thiểu), [m/s]

υopt

tốc độ lớp sôi tối ưu (để hệ số truyền nhiệt tới bề mặt chìm trong
lớp sơi cực đại), [m/s]

υR

tốc độ khí tại miệng lỗ phun của tấm phân phối gió, [m/s]

VB

thể tích bọt, [m3]

VF

thể tích buồng đốt, [m3]

Vp

thể tích hạt, [m3]

a

hệ số truyền nhiệt đối với hạt hoạt tính (hạt nhiên liệu) trong lớp
sơi, cũng là hệ số truyền nhiệt trung bình với các bề mặt chìm
trong lớp sôi, [W/m2K]

ae

hệ số tỏa nhiệt giữa pha nhũ tương và ống chìm trong lớp sơi,
[W/m2K]

agB

hệ số tỏa nhiệt giữa pha nhũ tương và ống chìm trong lớp sơi,
[W/m2K]

agc

hệ số tỏa nhiệt đối lưu của khí trong lớp sơi, [W/m2K]

agcmax

hệ số tỏa nhiệt đối lưu của khí khi hệ số tỏa nhiệt đạt cực đại với
bề mặt chìm trong lớp sôi, [W/m2K]

age

hệ số tỏa nhiệt của pha nhũ tương , [W/m2K]

amax

hệ số tỏa nhiệt cực đại với bề mặt chìm trong lớp sơi, [W/m2K]

amf

hệ số tỏa nhiệt với ống chìm trong lớp sôi ở tốc độ giả lỏng tối
thiểu (chưa hình thành bọt), [W/m2K]

ap

hệ số tỏa nhiệt giữa khí và hạt trong lớp sôi, [W/m2K]

apc

hệ số tỏa nhiệt đối lưu ca ht, [W/m2K]

Thực hiện: Đào Đức Hải

5

Hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hoàng Lương


Luận văn Thạc sĩ

apcmax

Ngành: Công nghệ Nhiệt Lạnh

h s tỏa nhiệt đối lưu của hạt khi hệ số tỏa nhiệt đạt cực đại với
bề mặt chìm trong lớp sơi, [W/m2K]

arad

hệ số tỏa nhiệt bức xạ, [W/m2K]

aT

hệ số tỏa nhiệt của ống chìm trong lớp sơi, [W/m2K]

at

hệ số tỏa nhiệt của cụm hạt tới ống chìm trong lớp sơi, [W/m2K]

γB

tỷ lệ thể tích hạt trong bọt với thể tích bọt

δ

chiều dày lớp khí giữa bề mặt ống chìm trong lớp sôi và hạt tiếp
xúc, [m]

ε

độ rỗng của lớp sôi

εmf

độ rỗng của lớp sôi tại tốc độ giả lỏng tối thiểu

ηh

hệ số biểu diễn khả năng nhiệt độ hạt đạt gần tới nhiệt độ khí trong
bọt

λg

hệ số dẫn nhiệt của khí, [W/mK]

λef

hệ số dẫn nhiệt hiệu quả của lớp sôi, [W/mK]

λp

hệ số dẫn nhiệt của hạt, [W/mK]

µg

độ nhớt nhiệt động của khí, [kg/ms]

ρg

mật độ khí, [kg/m3]

ρm

mật độ của hỗn hợp khí - hạt, [kg/m3]

ρmf

mật độ lớp sôi tại tốc độ giả lỏng tối thiểu, [kg/m3]

ρp

mật độ của hạt trơ trong lớp sơi, [kg/m3]

φs

hệ số hình học của hạt

τ

thời gian tiếp xúc của cụm hạt với ống chìm trong lớp sơi, [s]

Các tiêu chuẩn không thứ nguyên

Ar =

gd 3p ρ g ( ρ p − ρ g )

µ g2

tiêu chuẩn Archimedes thể hin chờnh lch mt
ca khớ v ht

Thực hiện: Đào Đức Hải

6

Hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hoàng Lương


Luận văn Thạc sĩ

Ngành: Công nghệ Nhiệt Lạnh

gd 3p ρ g ( ρε − ρ g )

Arb =

µ g2
gd 3p ρ g ρ p

Ar =
*

µ g2

tiêu chuẩn Archimedes thể hiện mật độ lớp sôi

tiêu chuẩn Archimedes thể hiện mật độ hạt
trong lớp sôi

Ga =
Kn
=

gd

υ

4
dp

Nu =

3
p
2
g

 2  λg 2π RTb / M g
 − 1
γ
 
R 
p  2c g −



M g 


αd
λg

tiêu chuẩn Galileo
tiêu chuẩn Kundsen

tiêu chuẩn Nusselt về truyền nhiệt giữa hạt hoạt
tính (hạt nhiên liệu) và ống chìm trong lớp sơi

NuDt =

αT DT
λg

tiêu chuẩn Nusselt theo đường kính ống chìm
trong lớp sơi

Nu gc =

α gc d p
g

Numax =

Nu p =

max DT
g

pd p
g

Thực hiện: Đào §øc H¶i

tiêu chuẩn Nusselt của ống chìm trong lớp sơi
tính với truyền nhiệt đối lưu khí và đường kính
hạt trong lớp sơi
tiêu chuẩn Nusselt cực đại của ống chìm trong
lớp sơi tính với đường kính ống
tiêu chuẩn Nusselt của hạt trong lp sụi

7

Hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hoàng Lương


Luận văn Thạc sĩ

T d p
g

Nu p =

Ngành: Công nghệ NhiƯt – L¹nh

tiêu chuẩn Nusselt của của ống chìm trong lớp sơi

tính với đường kính hạt, Nupmax là giá trị cực đại.
tiêu chuẩn Nusselt ứng với mơ hình của Martin tính

Nuwp

theo cơng thức (3.60)

Pr =
Re =

cg µ g

λg
ρ gυ f d
µg

tiêu chuẩn Prandtl

tiêu chuẩn Reynolds tính đối với đường kính hạt hoạt
tính (hạt nhiên liệu)

ρ gυ f Dt
µg

Re Dt =
Re h =

ρ gυ f hF
µg

Reopt =

ρ gυopt d p
µg

tiêu chuẩn Reynolds tính với đường kính ống

tiêu chuẩn Reynolds tính đối với chiều cao buồng đốt

tiêu chuẩn Reynolds khi cường độ truyền nhiệt đạt
cực đại

Re p =

ρ gυ f d p
µg

Thùc hiện: Đào Đức Hải

tiờu chun Reynolds ca ht trong lp sụi

8

Hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hoàng Lương


Luận văn Thạc sĩ

Ngành: Công nghệ Nhiệt Lạnh

Danh mục bảng
Bảng 3.1 Các công thức thực nghiệm truyền nhiệt tới vách ống tiếp xúc lớp sôi ................ 64
Bảng 3.2 Công thức thực nghiệm truyền nhiệt tới ống đơn chìm trong lớp sôi ................... 65
Bảng 3.3 Các công thức thực nghiệm về truyền nhiệt tới chùm ống chìm trong lớp sôi ..... 73
Bảng 5.1 Chi phí thiết bị cho lò hơi ghi xích và lò hơi lớp sôi ........................................... 129
Bảng 5.2 Suất chi phí nhiên liệu cho lò hơi đốt than ghi xích và lò hơi tầng sôi chạy đầy tải
........................................................................................................................................... 131
Bảng 5.3 Chi phí nhiên liệu cho lò hơi ghi xích và lò hơi lớp sôi trong 01 năm ................ 132
Bảng 5.4 Công suất các động cơ điện cho lò hơi 15t/h và 25 t/h ....................................... 133
Bảng 5.6 Chi phí bảo trì của lò hơi ghi xích và lò hơi tầng sôi .......................................... 134
Bảng 5.7 Chi phí nhân công cho lò hơi ghi xích và lò hơi tầng sôi.................................... 134
Bảng 5.8 Chi phí vòng đời của lò hơi ghi xích và lò hơi tầng sôi theo thời gian ............... 135
Bng 5.9: Giá trị giới hạn các thông số cơ bản trong khơng khí xung quanh ................ 139
Bảng 5.10 - Nồng độ C của bụi và các chất vô cơ làm cơ sở tính nồng độ tối đa cho
phép trong khí thải công nghiệp....................................................................................... 140
Bảng 5.11: Hệ số lưu lượng nguồn thải Kp .................................................................... 141
Bảng 5.12: Hệ số vùng, khu vực Kv ................................................................................. 142

Thực hiện: Đào Đức Hải

9

Hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hoàng Lương


Luận văn Thạc sĩ

Ngành: Công nghệ Nhiệt Lạnh

Danh mục hình vẽ

Hình 2.1 Quan hệ giữa giáng áp của lớp hạt và tốc độ dòng khí theo các chế độ sôi của lớp
hạt [1] ................................................................................................................................... 16
Hình 2.2 Sự so sánh các đặc tính thiết kế riêng của các chế độ khác nhau......................... 20
Hình 3.1 Chênh lệch về hệ số truyền nhiệt giữa khí và hạt ở các chế độ dòng khác nhau
theo hệ số Re [6] .................................................................................................................. 41
Hình 3.2 Khoảng cách tới bép phân phối gió tại đó chênh lệch nhiệt độ giữa hạt và khí nhỏ
hơn 100 lần........................................................................................................................... 44
Hình 3.3 Sù phơ thc cđa hƯ sè trun nhiƯt cđa hạt than vào tốc độ lớp sôi và ảnh hưởng
của kích thước hạt trơ trong lớp sôi [9] ................................................................................ 48
Hình 3.4 Hệ số truyền nhiệt cực đại phụ thuộc vào đường kính hạt [9] ............................. 48
Hình 3.5 Sự phụ thuộc Numax của các hạt cố định hình cầu vào đường kính hạt trơ trong lớp
sôi [9] ................................................................................................................................... 49
Hình 3.6 Sự phụ thuộc Numax của các hạt hình cầu chuyển động tự do trong lớp sôi vào
đường kính hạt trơ của lớp sôi [9] ........................................................................................ 50
Hình 3.7 So sánh kết quả thực nghiệm và công thức 3.16 về hệ số truyền nhiệt lớn nhất của
các hạt rắn trong lớp sôi [9] ................................................................................................. 51
Hình 3.8 ảnh hưởng của tốc độ sôi lên hƯ sè dÉn nhiƯt cđa bät trong líp s«i [6]; (a) đối với
lớp sôi có kích thước hạt khác nhau, (b) đối với lớp sôi có độ cao khác nhau ..................... 55
Hình 3.9 ảnh hưởng của tốc độ lớp sôi lên hệ số truyền nhiệt giữa lớp sôi và bề mặt trao
đổi nhiệt ngập trong lớp sôi ở các kích thước hạt khác nhau [6] ......................................... 58
Hình 3.10 ảnh hưởng của cơ chế truyền nhiệt tới tổng lượng nhiệt truyền giữa lớp sôi và bề
mặt ngập trong lớp sôi [6] .................................................................................................... 59
Hình 3.11 So sánh các công thức khác nhau Nu = f (Re) khi trun nhiƯt tõ líp s«i tới bề
mặt chìm trong lớp sôi ở khoảng tốc độ tõ nhá nhÊt νmf tíi tèc ®é tèi ­u νopt [6] ................ 70
Hình 3.12 So sánh kết quả thực nghiệm của Grawel và Saxena [6] với công thức thứ 10
bảng 3.2 ................................................................................................................................ 71
Hình 3.13 so sánh kết của thực nghiệm với công thức đạt được từ chính số liệu đó của
Grawel và Saxena [6] ........................................................................................................... 71
Hình 3.14 ảnh hưởng của chiều cao lớp sôi tới hệ số truyền nhiệt giữa lớp sôi và ống đơn
chìm trong lớp sôi. ống được đặt ở vị trí chính giữa chiều cao lớp sôi [6] .......................... 78

H×nh 3.15 Sù phơ thc hƯ sè trun nhiệt của các ống trong chùm ống chìm trong lớp sôi
vào vị trí của ống [6] ............................................................................................................ 79
Hình 3.16 ảnh hưởng của độ nghiêng nằm ngang tới hệ số truyền nhiệt của chùm ống nằm
ngang chìm trong lớp sôi [6] ................................................................................................ 80
Hình 3.17 ảnh hưởng của độ nghiêng đứng tới hƯ sè trun nhiƯt cđa chïm èng n»m
ngang so le chìm trong lớp sôi [6] ....................................................................................... 80
Hình 3.18 ảnh hưởng ®é nghiªng tíi hƯ sè trun nhiƯt cđa chïm èng nằm ngang so le
chìm trong lớp sôi [6] ........................................................................................................... 81
Hình 3.19 So sánh giá trị tính toán và giá trị ®o cđa hƯ sè trun nhiƯt däc theo t­êng
bng ®èt từ ghi phân phối gió tới ra khỏi buồng đốt với lò hơi FBC có công suất nhiệt 16
MW tại đại học Chalmers. Andersson [6]............................................................................ 90
Hình 4.1 Sơ đồ các quá trình khác nhau khi cháy hạt than trong lớp sôi ............................ 96
Hình 4.3 Ba kết quả có thể xảy ra trong quá trình cháy hạt than. ...................................... 105
Hình 4.4 Độ trễ thời gian bắt cháy cốc và bắt cháy chất bốc đối với hạt than cháy trong lớp
sôi ....................................................................................................................................... 107
Hình 4.5 Khả năng phản ứng thực của các loại cốc (carbon) xuất xứ khác nhau. ........... 111
Hình 4.6 Nồng độ O2, CO và CO2 xung quanh hạt Carbon trong cơ chế cháy khuếch tán: (a)
mô hình một lớp, (b) mô hình hai lớp ................................................................................ 113

Thực hiện: Đào Đức Hải

10 Hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hoàng Lương


Luận văn Thạc sĩ

Ngành: Công nghệ Nhiệt Lạnh

Hình 4.7 Nồng độ O2 , CO và CO2 quanh hạt carbon xốp đang cháy ................................ 116
Hình 4.8 Lược đồ cơ chế ch¸y tõ sè liƯu thùc nghiƯm ch¸y than cđa Ba Lan trong điều kiện

lớp sôi. ................................................................................................................................ 118
Hình 5.1 Biểu đồ chi phí đầu tư và khai thác một dự án .................................................... 126
Hình 5.2 LCClò hơi 15t/h theo thời gian sử dụng .............................................................. 136
Hình 5.3 LCC lò hơi 25t/h theo thời gian sử dụng ............................................................. 137

Thực hiện: Đào Đức Hải

11 Hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hoàng Lương


Luận văn Thạc sĩ

Ngành: Công nghệ Nhiệt Lạnh

Chương 1: Mở đầu
1.1 Cơ sở đề tài
Năng lượng đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển của nền kinh tế
quốc dân, quá trình tăng trưởng kinh tế thế giới. Các nước trên thế giới, đặc
biệt là các nước đang phát triển, tiếp tục đòi hỏi các nguồn năng lượng nhiều
hơn, để tăng trưởng GDP, với nhu cầu nâng cao đời sống nhân dân. Quá trình
này gắn liền với đòi hỏi quá trình công nghiệp hoá cao hơn và tăng nhanh nhu
cầu tiêu thụ năng lượng trên toàn cầu. Trong những năm vừa qua, năng lượng
trên thế giới nói chung cũng như trong Việt Nam đều phát triển và tiêu thụ
mạnh. Nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng, trong khi đó các nguồn
năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt dần, chi phí năng lượng ngày càng cao,
bởi vậy việc sử dụng năng lượng một cách tiết kiệm, có hiệu quả là rất quan
trọng và cần thiết. Trong công nghiệp, các nguồn năng lượng được sử dụng
thường rất đa dạng : than, dầu, khí, sinh khối Tuy nhiên, trên thực tế, than
vẫn là nguồn năng lượng chủ yếu, được sử dụng rộng rÃi nhất và nó cũng là
nguồn năng lượng có mức độ dự trữ lớn nhất ở nước ta hiện nay.

Do nhu cầu tiêu thụ than trong nước và xuất khẩu ngày càng tăng cao
nên lượng than khai thác để đáp ứng tại Việt Nam ngày càng khó theo kịp. Các
năm trước đây Việt Nam xuất phát từ một nước nghèo nên phải chấp nhận xuất
khẩu than để phát triển đất nước dẫn tới việc các mỏ than dự trữ ngày càng
giảm. Do nhu cầu công nghiệp hóa trong nước phát triển mạnh nên năm 2011
lần đầu tiên Việt Nam đà phải nhập khẩu than, và dự kiến trong các năm 2012
- 2017 Việt Nam sẽ thiếu bình quân 10,8 - 11 triệu tấn than mỗi năm. Việt
Nam từ một nước xuất khẩu than ròng sẽ trở thành nước nhập khẩu than trong
một tương lai gần. Khi đó giá thành năng lượng đầu vào cho các ngành công
nghiệp chắc chắn tăng cao, giảm sức cạnh tranh của nền kinh tế. Vì vậy, yêu
cầu phát triển và đẩy mạnh áp dụng những công nghệ tiết kiệm năng lượng,
giảm mức tiêu thụ năng lượng không tái tạo, sử dụng hiệu quả, hợp lý các

Thực hiện: Đào Đức Hải

12 Hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hoàng Lương


Luận văn Thạc sĩ

Ngành: Công nghệ Nhiệt Lạnh

nguồn năng lượng, sử dụng những nguồn năng lượng tận dụng, nguồn năng
lượng giá thành rẻ và có sẵn trong nước trở nên bức thiết.
Trong các công nghệ cháy than, công nghệ đốt than lớp sôi có ưu điểm
sử dụng than cám là loại than chất lượng kém, giá thành rẻ nên sẽ giảm tiêu
thụ than đá, giảm chi phí năng lượng cho doanh nghiệp, tăng sức cạnh tranh
của nền kinh tế. Than antraxit sau sàng tuyển có phụ phẩm chất lượng xấu,
tính thương mại thấp, nhưng hoàn toàn có thể sử dụng trong công nghệ đốt
than lớp sôi. Do vậy dùng công nghệ đốt than lớp sôi sẽ tận dụng được các phụ

phẩm thấp cấp mà vẫn đảm bảo các yếu tố môi trường.
Trong những năm qua tại Việt Nam, một số địa phương và ngành nghề
đà ứng dụng công nghệ đốt than lớp sôi vào thực tiễn. Nhưng việc ứng dụng
này mới dừng lại ở việc mua dây chuyền thiết bị công nghệ nước ngoài, còn
các thiết bị chế tạo trong nước mới chỉ ở công suất nhỏ. Do đó cần có yêu cầu
phải cập nhật các nghiên cứu về đốt than kiểu lớp sôi để đảm bảo người Việt
Nam làm chủ thiết bị công nghệ, dần tiến tới tự chế tạo các thiết bị lò hơi công
suất cỡ trung đáp ứng nhu cầu trong nước.
1.2 Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu cập nhật lý thuyết cháy than trong
buồng đốt lớp sôi, cập nhật hiện trạng sản xuất ứng dụng công nghệ than lớp
sôi từ đó đề xuất các chính sách phát triển công nghệ đốt than lớp sôi tại Việt
Nam.
Để đạt được các mục tiêu trên tôi sử dụng các phương pháp khác nhau.
Nghiên cứu cập nhật lý thuyết cháy than trong buồng đốt lớp sôi được thực
hiện qua việc thu thập, cập nhật tài liệu, báo cáo khoa học các nghiên cứu đÃ
công bố của các tác giả trong nước cũng như nước ngoài. Cập nhật hiện trạng
ứng dụng công nghệ than lớp sôi bằng phương pháp khảo sát thực tế, lấy các
số liệu thực tế từ sản xuất của các đơn vị đà ứng dụng công nghệ cháy than lớp

Thực hiện: Đào Đức Hải

13 Hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hoàng Lương


Luận văn Thạc sĩ

Ngành: Công nghệ Nhiệt Lạnh

sôi để nghiên cứu, đánh giá hiện trạng. Từ đó đề xuất một số giải pháp nhằm

phát triển công nghệ đốt than lớp sôi tại Việt Nam
1.3 Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của luận văn là tập trung nghiên cứu công nghệ đốt
than lớp sôi ứng dụng cho lò hơi công suất cỡ trung (20 - 50 t/h). Công nghệ
đốt than lớp sôi đà được các chuyên gia của bộ môn Thiết bị năng lượng nhiệt
(nay là bộ môn Máy năng lượng - Viện khoa học và công nghệ Nhiệt - Lạnh,
Đại học Bách khoa Hà Nội) quan tâm nghiên cứu. Tuy nhiên các tài liệu
nghiên cứu đà công bố cho các quá trình truyền nhiệt và cháy cho công nghệ
lớp sôi không nhiều và chưa đầy đủ. Vì vậy trong luận văn này khi cập nhật lý
thuyết sẽ tập trung vào hai phần là truyền nhiệt và cháy than trong lớp sôi.
Cụ thể là:
+ Nghiên cứu tổng quan về truyền nhiệt trong cháy than lớp sôi
+ Nghiên cứu cháy than trong lớp sôi
+ Điều tra khảo sát và cập nhật hiện trạng công nghệ sản xuất ứng dụng
công nghệ đốt than lớp sôi tại Việt Nam
+ So sánh chi phí vòng đời công nghệ giữa lò hơi đốt than lớp sôi và lò hơi
ghi xích
+ Từ các nghiên cứu lý thuyết và thực tế đề xuất một số chính sách phát
triển công nghệ đốt than lớp sôi tại Việt Nam
1.4 Trình tự luận văn
Luận văn gồm các phần:
Chương 1: Mở đầu
Chương 2: Tổng quan công nghệ đốt than lớp sôi
Chương 3: Tổng quan truyền nhiệt trong lớp sôi
Chương 4: Tổng quan cháy than trong lớp sôi

Thực hiện: Đào Đức Hải

14 Hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hoàng Lương

Luận văn Thạc sĩ

Ngành: Công nghệ Nhiệt Lạnh

Chương 5: Hiện trạng và đánh giá tiềm năng ứng dụng công nghệ đốt
than lớp sôi tại Việt Nam
Kết luận: Tóm tắt các kết quả và kiến nghị

Thực hiện: Đào Đức Hải

15 Hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hoàng Lương


Luận văn Thạc sĩ

Ngành: Công nghệ Nhiệt Lạnh

Chương 2: tổng quan về công nghệ đốt than lớp sôi
2.1 Khái niệm lớp sôi
Do than đóng vai trò quan trọng trong nhu cầu sản xuất năng lượng ở
Việt Nam nên quá trình nghiên cứu công nghệ đốt than cũng được đặt lên
hàng đầu so với các loại nhiên liệu khác. Mặc dù vậy, công nghệ đốt than
nhằm sản xuất điện năng và dùng trong công nghiệp còn nhiều lạc hậu,
hiệu suất kém và gây ô nhiễm môi trường. Hiện nay, các nhà khoa học của
Việt Nam đà nghiên cứu cộng với việc ứng dụng thành công các công nghệ
mới trên thế giới nhằm nâng cao hiệu quả đốt than và giảm ô nhiễm môi
trường.
Một trong những thành công đó là ứng dụng công nghệ đốt lớp sôi FBC
(Fluidized Bed Combustion) và công nghệ đốt lớp sôi tuần hoàn CFBC

(Circulating Fluidized Bed Combustion) nhằm tận dụng các loại than xấu
(nhiều lưu huỳnh, hàm lượng tro cao), giảm ô nhiễm môi trường và tăng
hiệu suất đốt đối với ngành sản suất điện năng và công nghiệp Việt Nam.

Hình 2.1 Quan hệ giữa giáng áp của lớp hạt và tốc độ dòng khí theo
các chế độ sôi của lớp hạt [1]
Đây là một công nghệ đốt được phát triển từ công nghệ đốt trên ghi cố
định. Gió cấp một được thổi từ dưới ghi lên. Khi tốc độ gió đủ lớn sẽ tạo ra

Thực hiện: Đào Đức Hải

16 Hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hoàng Lương


Luận văn Thạc sĩ

Ngành: Công nghệ Nhiệt Lạnh

một lực cuốn thắng được trọng lực của hạt và khi đó, các hạt sẽ bắt đầu
dịch chuyển lên trên tạo ra một lớp hạt lơ lửng giống như một lớp chất
lỏng. Các chế độ tương tác giữa khí và hạt phụ thuộc vào tốc độ gió cấp
vào bao gồm: lớp cố định, giả lỏng đồng đều, sôi bọt, sôi dạng pittông, sôi
rối, sôi chèn và sôi tuần hoàn .
2.2 Giới thiệu về công nghệ đốt lớp sôi FBC
2.2.1 Nguyên lý hoạt động
Đây là công nghệ đốt lớp sôi hoạt động theo phương thức sôi bọt, chiều
cao lớp sôi được giữ cố định trong một khoảng cho phép nào đó. Không
gian cháy chỉ chiếm một phần trong toàn bộ buồng đốt. Gió cấp vào từ
quạt có hai nhiệm vụ : cung cấp không khí cho quá trình cháy của nhiên
liệu, tạo và duy trì lớp sôi. Nhiên liệu đốt của công nghệ đốt lớp sôi loại

này gồm có: than, vỏ trấu, bà mía và các chất thải nông nghiệp khác.
Khi tốc không khí được phân bố đều, đi qua lớp hạt rắn, những hạt rắn
này sẽ không bị ảnh hưởng ở vận tốc thấp. Khi vận tốc không khí tăng dần,
dẫn đến trạng thái các hạt đơn bị treo lơ lửng trong không khí này gọi là
lớp sôi. Khi vận tốc không khí tăng thêm sẽ tạo ra bong bóng, chuyển
động nhanh và tạo ra bề mặt nhiên liệu đặc. Lớp vật liệu với những hạt rắn
này được xem như là dung dịch đun sôi tạo ra lớp sôi. Khi tốc độ gió cấp
vượt quá tốc độ gió tới hạn, chất rắn sẽ bị thổi bay ra khỏi lớp. Nếu hạt
tương đối thô có thể sẽ quay trở lại mặt ghi do ảnh hưởng của trọng lực.
Nếu tiếp tục tăng tốc độ gió thì có thể một bộ phận hoặc toàn bộ chất rắn
trên mặt ghi rơi vào trạng thái chuyển động hai hướng : một hướng đi lên
do lực nâng, một hướng đi xuống trở lại mặt ghi do trọng lực. Trạng thái
này giống như trạng thái sôi của chất lỏng, tốc độ gió tại đó là umf (tốc độ
sôi tối thiểu). Lúc đó, lớp chất rắn chuyển động từ trạng thái lớp cố định
sang trạng thái lớp sôi hay lớp sôi. Khi tốc độ gió tiếp tục tăng, toàn bộ lớp
sôi sẽ bị phá huỷ, các chất rắn trong lớp sôi đều bị bay ra ngoài, tương tự

Thực hiện: Đào Đức Hải

17 Hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hoàng Lương