Công nghệ đốt tầng sôi ứng dụng vào đồng phát điện nhiệt bảo vệ môi trường

..

Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội
---------o0o---------

Phạm Minh Chinh

công nghệ đốt tầng sôi ứng dụng vào
đồng phát điện nhiệt bảo vệ môi trường

luận văn thạc sĩ công nghệ nhiệt

hà nội - 2004


Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội
---------o0o---------

Phạm Minh Chinh

công nghệ đốt tầng sôi ứng dụng vào
đồng phát điện nhiệt bảo vệ môi trường

Chuyên ngành : Công Nghệ Nhiệt

luận văn thạc sĩ công nghệ nhiệt

người hướng dÉn khoa häc: GS.TSKH Ngun sÜ m·o

hµ néi - 2004


0

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan luận văn này là sản phẩm do tôi thực hiện, không có sự
man trá nào trong toàn bộ quá trình thực hiện. Tôi chịu trách nhiệm hoàn toàn
về những điều đà viết trong luận văn.


1

Mục lục

Trang
Mục lục

1

Chữ viết tắt trong luận văn

3

Mở đầu

4

ã Tính cấp thiết của đề tài

4

ã Mục tiêu chính của đề tài

6

ã Nội dung nghiên cứu của đề tài

6

Chương 1. Tổng quan về công nghệ lò đốt tầng sôi

8

1.1. Khái quát chung về công nghệ lò đốt tầng sôi

8

1.1.1. Lịch sử phát triển của công nghệ lò đốt tầng sôi

8

1.1.2. Nguyên lý hình thành lớp sôi và các trạng thái sôi

9

1.2. Tính chất và ưu nhược điểm của lò đốt tầng sôi

11

1.3. Các thông số kỹ thuật cơ bản của lớp sôi

13

1.4. Quá trình trao đổi nhiệt trong lớp sôi

20

1.5. Quá trình cháy trong lớp sôi

24

1.6. Phân loại lò tầng sôi và ưu nhược điểm giữa chúng

26

1.7. Các hệ thống cấp nhiên liệu và thải tro xỉ

28

1.8. Vận hành lò hơi tầng sôi

31

1.8.1. Các vòi phun khởi động

31

1.8.2. Điều chỉnh phụ tải

33

1.9. ứng dụng của công nghệ lò đốt tầng sôi

35

Chương 2. Cơ sở lí thuyết công nghệ lò đốt tầng sôi

36

2.1. Khí động lực học công nghệ lò đốt tầng sôi

36

2.1.1. Xác định các vận tốc ở trạng thái sôi

36

2.1.2. Xác định các yếu tố hình dạng hạt

43

2.1.3. Xác định các thông số ở trạng thái sôi

45


2

2.2. Tính toán trao đổi nhiệt trong lò tầng sôi

47

2.3. Sự hình thành chất phát thải và các biện pháp hạn chế

50

2.3.1. Sự hình thành NO x và các biện pháp giảm thiểu

50

2.3.2. Sự hình thành SO x và các biện pháp hạn chế

56

2.3.3. Sự hình thành tro bụi và các biện pháp hạn chế

60

Chương 3. Thiết kế sơ bộ lò hơi tầng sôi tuần hoàn ứng dụng
trong nhà máy giấy Thanh Hoá
3.1. Giới thiệu chung

63
63

3.1.1. Sơ đồ công nghệ sản xuất giấy

63

3.1.2. Sơ đồ công nghệ nấu bột giấy và thu hồi hoá chất

65

3.1.3. Giới thiệu chung về nhà máy giấy Thanh Hoá

67

3.2. Tính nhiệt lò hơi tầng sôi
3.2.1. Quy tắc và trình tự tính toán chung

71
71

3.2.2. Tính toán thiết kế phần buồng đốt của lò hơi tầng sôi
tuần hoàn ứng dụng cho nhà máy giấy Thanh Hoá

73

Kết luận và kiến nghị

92

Tài liệu tham khảo

94


3

Chữ viết tắt trong luận văn
Chữ viết tắt

Diễn giải

FBC

: Fluidized bed combustion-Cháy tầng sôi

BFB

: Bubbling fluidized bed combustion-Cháy tầng sôi bọt

CFB

: Circulating fluidized bed combustion-Cháy tầng sôi tuần hoàn

PFBC

: Pressurized Fluidized bed combustion-Cháy tầng sôi ở áp suất
dương

PBFB

: Pressurized bubling fluidized bed combustion-Cháy tầng sôi bọt ở
áp suất dương

PCFB

: Pressurized circulating fluidized bed combustion- Cháy tầng sôi
tuần hoàn ở áp suất dương

AFBC

: Atmospheric fluidized bed combustion-Công nghệ cháy lớp sôi ở
áp suất khí quyển

ABFB

: Atmospheric bubling fluidized bed boiler-Lò hơi tầng sôi bọt ở áp
suất khí quyển

ACFB

: Atmospheric circulating fluidized bed boiler-Lò hơi tầng sôi tuần
hoàn ở áp suất khí quyển

FBHE
SCR

: Fluidized bed heat exchanger-Thiết bị trao đổi nhiệt lớp sôi ngoài
: Selective Catalytic Reaction-Hệ thống khử NO x có sư dơng chÊt
xóc t¸c

SNCR

: Selective Non Catalytic Reaction-HƯ thèng khư NO x không sử
dụng chất xúc tác

TĐN

: Trao đổi nhiệt

SKK

: Sấy không khí

BHN

: Bộ hâm nước

BQN

: Bộ qúa nhiệt


4

Mở đầu

Tính cấp thiết của đề tài:
Khoa học kĩ thuật ngày càng phát triển, sức sản xuất ngày càng tăng
nhờ đó mức sống của con người ngày càng được cải thiện. Nhưng nhu cầu
năng lượng cũng ngày càng tăng do năng lượng là yếu tố quan trọng nhất để
phát triển kinh tế, cải thiện điều kiện sống, nâng cao chất lượng cuộc sống...
Tuy nhiên lịch sử phát triển của loài người đà chỉ ra rằng việc khai thác và sử
dụng năng lượng đà và đang là nhân tố chính làm cạn kiệt nguồn tài nguyên, ô
nhiễm môi trường, là một trong những nguy cơ có khả năng làm cho điều kiện
sống trên trái đất ngày càng trở lên khó khăn hơn thậm chí có thể huỷ diệt sự

sống của toàn nhân loại trong tương lai. Để vừa đảm bảo cung cấp năng lượng
cho phát triển kinh tế vừa đảm bảo một thế giới trong lành và giàu mạnh,
chúng ta cần phải có một chiến lược lâu dài và cụ thể trong việc sản xuất và
tiêu thụ năng lượng. Điều đó chỉ có thể thực hiện được nếu toàn thể các nước
trên thế giới cùng bắt tay nhau phát triển khoa học kĩ thuật, sử dụng hợp lí và
hiệu quả các nguồn năng lượng.
Phát triển bền vững nói chung và phát triển bền vững trong ngành năng
lượng nói riêng là mét nhiƯm vơ cÊp b¸ch cã ý nghÜa thiÕt thùc và to lớn cho
toàn thế giới. Nó không những đảm bảo cung cấp năng lượng cho công cuộc
phát triển mà còn đảm bảo an toàn, gìn giữ các nguồn tài nguyên và bảo vệ
môi trường.
Một trong những biện pháp được ứng dụng có hiệu quả vào công nghệ
chuyển hoá năng lượng khi sử dụng nhiên liệu hoá thạch để sản xuất điện
năng ở Việt Nam, đó là công nghệ lò đốt tầng sôi đồng phát điện nhiệt, do:
Công nghệ lò đốt tầng sôi (FBC) là một công nghệ tiên tiến, ít gây ô
nhiễm môi trường và có nhiều thế mạnh cạnh tranh so với các công nghệ lò
đốt khác.


5

Nó được coi như là một trong những công nghệ nhiều tiềm năng và
triển vọng nhất để đốt hiệu quả các loại than ít chất bốc, nhiều tro, nhiệt trị
thấp đang có xu hướng phát triển mạnh trong tương lai.
Công nghệ lò đốt tầng sôi được coi là công nghệ có nhiều khả năng áp
dụng hiệu quả ở một số vùng, một số lĩnh vực tại Việt Nam, đem lại lợi ích to
lớn cả về kinh tế, kĩ thuật cũng như bảo vệ môi trường. Đồng thời nhu cầu
hiểu biết và áp dụng công nghệ này ở Việt Nam là khá lớn và đang có chiều
hướng gia tăng.
Khi sử dụng kết hợp công nghệ lò đốt tầng sôi với các chu tr×nh më

réng nh­: sư dơng tua bin khÝ, sư dụng công nghệ khí hoá..., làm tăng hiệu
quả sử dụng năng lượng lên rất nhiều. Đặc biệt đối với các giếng than bùn,
than chất lượng thấp, các mỏ than đà bị khai thác gần hết, kết hợp với việc đốt
chất thải ở các quá trình công nghiệp sẽ mang lại hiệu quả rất lớn cả trong sản
xuất điện và trong công nghiệp.
Công nghệ lò đốt tầng sôi tuy đà được ứng dụng vào sản xuất năng
lượng trên thế giới từ khá lâu nhưng nó còn khá mới với Việt Nam và nó còn
rất nhiều vấn đề cần phải nghiên cứu bổ sung, hoàn thiện và phát triển. Nhiều
công đoạn trong công nghệ lò đốt tầng sôi mới chỉ được nghiên cứu ở giai
đoạn đầu hoặc giai đoạn thí điểm. Các phân tích và thí nghiệm đều chỉ ra rằng
FBC đang có rất nhiều hứa hẹn, đặc biệt khi chúng ta nghiên cứu hoàn thiện
được các khâu mở rộng của FBC : khí hoá, kết hợp, đốt chất thải...
Công nghệ lò đốt tầng sôi có thể đốt hiệu quả rất nhiều loại nhiên liệu
khác nhau, kể cả các loại nhiên liệu chất lượng thấp khó đốt, các sản phẩm
thải ra từ các quá trình công nghiệp mà các lò đốt truyền thống khác không
thể đốt được. Do đó FBC sẽ có nhiều khả năng để ứng dụng đồng phát điện
nhiệt bảo vệ môi trường. Với công nghệ đồng phát điện nhiệt, khả năng sử
dụng năng lượng rất hiệu quả nhờ đà giảm được lượng nhiệt thừa thải ra ở bình
ngưng. Hơn nữa khi kết hợp với các FBC thu hồi thì hiệu quả sử dụng năng


6

lượng càng lớn và hiệu quả bảo vệ môi trường càng cao. Vì vậy khi chúng ta
xây dựng các FBC thu hồi để đốt nhiên liệu chất lượng thấp kết hợp đốt chất
thải để sản xuất điện nhiệt phục vụ sản xuất thì không những đà mang lại hiệu
quả kinh tế lớn nhờ chi phí nhiên liệu rẻ, nhờ hiệu suất sử dụng năng lượng
cao, tận thu được nhiệt thừa mà còn giảm phát thải các chất độc hại vào môi
trường.
Đề tài : Công nghệ lò đốt tầng sôi đồng phát điện-nhiệt bảo vệ môi

trường, là mong ước góp phần làm sáng tỏ các vấn đề đặt ra ở trên.
Mục đích của đề tài là:
Trên cơ sở tìm hiểu, cập nhật và hệ thống hoá những tư liệu mới về
công nghệ lò đốt tầng sôi, làm sáng tỏ các phần lý thuyết cơ bản về công nghệ
lò đốt tầng sôi. Từ đó triển khai nghiên cứu công nghệ, áp dụng vào thiết kế lò
đốt tầng sôi đồng phát điện-nhiệt bảo vệ môi trường, phục vụ nhu cầu thực tế
sản xuất.
Nội dung nghiên cứu của đề tài:
ã Thu thập tài liệu, phân tích và trình bày tổng quan về công nghệ lò
đốt tầng sôi để làm rõ và làm nổi bật ý nghĩa của công nghệ lò đốt
tầng sôi.
ã Nghiên cứu, phân tích và trình bày một cách hệ thống các cơ sở khoa
học cơ bản nhất về công nghệ lò đốt tầng sôi.
ã Nghiên cứu công nghệ và thiết kế lò đốt tầng sôi đồng phát điệnnhiệt bảo vệ môi trường.
ã Trình bày kết quả thiết kế một mẫu hình FBC, đưa ra những kết luận
và kiến nghị về các mặt cần nghiên cứu phát triển tiếp theo.
Do hạn chế về thời gian, trình độ và tài liệu..., luận văn sẽ không tránh
khỏi những hạn chế. Tác giả rất mong nhận được sự đóng góp, chỉ bảo của các
thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để có thể rút kinh nghiệm trong nghiên
cứu phát triển và học hỏi được nhiều hơn trong tương lai.


7

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các bạn bè đồng nghiệp
đà giúp đỡ, góp ý và chỉ bảo trong suốt quá trình làm luận văn. Đặc biệt xin
chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, giúp đỡ chỉ bảo trực tiếp và tận tình của
thầy: GS.TSKH Nguyễn Sĩ MÃo.
Ngày 22 tháng 10 năm 2004
Người viết

Phạm Minh Chinh


8

Chương 1
Tổng quan về công nghệ đốt tầng sôi

1.1. Khái quát chung về công nghệ lò đốt tầng sôi
1.1.1. Lịch sử phát triển của công nghệ lò đốt tầng sôi
Công nghệ cháy tầng sôi là công nghệ được thực hiện để các hạt rắn tồn
tại ở trạng thái lơ lửng trong khèi khÝ nh­ mét khèi chÊt láng s«i. C«ng nghệ
này bắt đầu phát triển vào đầu những năm 1940. Ngay từ khi phát triển công
nghệ tầng sôi đà có những ứng dụng rộng rÃi trong các quá trình công nghệ
như khí hoá than, lọc nước, phân huỷ nhiệt hoá học, làm khô vật liệu bột, đốt
chất thải... Nhưng cho đến cuối những năm 1950 nó vẫn chưa được áp dụng để
đốt than. Sau khi thế giới rơi vào cuộc khủng hoảng năng lượng thì FBC mới
được áp dụng mạnh mẽ, đến tận đầu những năm 1970 nó mới thực sự có
những ứng dụng trong ngành năng lượng [4].
Suốt những năm giữa và cuối của thập kỷ 80 FBC đà phát triển rất
nhanh chóng trên khắp thế giới do có nhiều lợi thế cạnh tranh so với lò đốt
theo lớp và lò đốt kiểu phun trong việc đốt nhiên liệu rắn phục vụ mục đích
phát điện và bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, ban đầu FBC chỉ được xây dựng
với các lò hơi công suất nhỏ, thường chỉ đáp ứng cho các tổ máy có công suất
từ 100-165MW. Từ năm 1991 FBC đà hướng tới việc xây dựng các lò hơi
công suất lớn hơn phục vụ cho các tổ máy có công suất từ 250 - 300 MW [2].
Cho đến nay (2002) các công ty hàng đầu của thế giới vỊ FBC lµ: Lurgi,
Ahlstrom, ABB, Babcock Wilcox, Foster Wheeler, Studsvik, Struthers well đÃ
xây dựng trên 400 FBC với tổng công suất ước chừng 50.000 MW. Trong

tương lai gần người ta h­íng tíi viƯc ph¸t triĨn PFBC sư dơng c¸c chu trình
kết hợp có hiệu suất cao.


9

1.1.2. Nguyên lý hình thành tầng sôi và các trạng thái sôi [2,4]
Tầng sôi được tạo thành từ nhiên liệu (than, cốc, nhiên liệu sinh khối...)
thường chiếm khoảng 1 - 5% khối lượng hạt trong lớp sôi và vật liệu sôi (tro,
cát, chất hấp thụ...) chiếm khoảng 95 - 99% khối lượng hạt trong lớp sôi, được
chứa trong buồng đốt ở áp suất khí quyển hoặc áp suất dương. Lớp hạt có kích
thước từ 0-30mm, chiều cao vận hành khoảng 150-1200mm trở thành trạng
thái sôi khi không khí hay khói nóng cấp vào lò được thổi từ dưới lên với vận
tốc đủ để giÃn nở "nâng" lớp hạt ở trạng thái lơ lửng hay trạng thái sôi. ở
trạng thái này lớp hạt có đầy đủ các tính chất của một lớp chất lỏng. Quá trình
hình thành lớp sôi được minh hoạ ở hình 1.1.

ở vận tốc sôi nhỏ (tốc độ trung bình tính toán của dòng khí cho toàn bộ
tiết diện ngang của lớp sôi khoảng 1-3m/s) mật độ hạt trong lớp tương đối cao,
độ rỗng giữa các hạt trong lớp khá nhỏ và chỉ có một phần rất nhỏ các hạt có
kích thước bé bị cuốn theo dòng (bay khỏi lớp hạt). Lớp sôi khi vận hành với
dải vận tốc này được gọi là lớp sôi bọt (BFB). Sơ đồ nguyên lý một lò BFB
tiêu biểu được mô tả ở hình 1.2. Lúc này bề mặt lớp sôi ổn định và khá rõ
ràng. Khi vận tốc sôi tăng (vận tốc trung bình tính toán của dòng khí cho toàn
bộ tiết diện ngang của lớp sôi khoảng 4-7 m/s), số lượng các hạt nhỏ bị cuốn


10

theo dòng tăng và các hạt bị thổi bay ra khỏi lớp hạt tăng. Bề mặt lớp sôi bắt

đầu không ổn định và khó nhận biết chính xác được, mật độ hạt trong lớp
giảm. Lúc này lượng tro bay theo khói ra khỏi buồng đốt khá lớn. Để nâng cao
hiệu suất cháy và hiệu quả sử dụng đá vôi, phần lớn các hạt này được tách ra
khỏi dòng khói và đưa trở lại buồng đốt. Lò đốt khi vận hành với công nghệ
như vậy được gọi là lò đốt sôi tuần hoàn (CFB). Sơ đồ nguyên lý điển hình của
lò CFB được giới thiệu ở hình 1.3.


11

1.2. Tính chất và ưu nhược điểm của lò đốt tầng sôi [1,2,3,4,5,7]
ã Tính chất và ưu điểm của lò đốt tầng sôi
Trong lớp sôi tốc độ xáo trộn giữa các hạt rắn và dòng khói nóng diễn
ra rất mÃnh liệt. Thành phần nhiên liệu khá nhỏ, thành phần hạt vật liệu nóng
sẵn có rất lớn. Thời gian lưu cháy của các hạt nhiên liệu trong lớp sôi đủ lớn
(hàng trăm giây), suất diện tích bề mặt hạt nhiên liệu trong lớp sôi đủ lớn. Quá
trình trao đổi nhiệt và trao ®ỉi chÊt rÊt lín, do ®ã hƯ sè trao đổi nhiệt lớn,
cường độ cháy cao trong toàn bộ lớp sôi. Lớp sôi có các tính chất của lớp chất
lỏng, tương đối đồng đều về nhiệt (có thể coi là đẳng nhiệt), nên khả năng đốt
cháy tốt, hiệu suất cháy cao, đảm bảo quá trình cháy kiệt hạt nhiên liệu, cháy
ổn định ngay cả khi nhiệt độ lớp sôi tương đối thấp, nhiên liệu chất lượng
thấp, khó cháy, thành phần công nghệ của nhiên liệu thay đổi trong dải rộng
làm giảm phát thải, dễ dàng vận hành... Hơn nữa ưu điểm rất lớn trong bảo vệ
môi trường của FBC là có thể khử SO x ngay trong quá trình đốt cháy nhiên
liệu bằng cách cho đá vôi vào trong lớp sôi mà không cần phải lắp đặt thiết bị
khử SO x bên ngoài. Lượng CaO hình thành từ đá vôi (CaCO 3 ) sÏ ph¶n øng víi
SO 2 ngay trong quá trình cháy để tạo thành CaSO 4 được tách khỏi khói bằng
thiết bị khử bụi thông thường và được thu giữ để thải ra ngoài. Đồng thời trong
lò tầng sôi, nhiệt độ buồng đốt được khống chế ở trong khoảng 840 - 8700C,
nhỏ hơn rất nhiều so với nhiệt độ cháy trong lò hơi thông thường 16500C. Quá

trình cháy ở nhiệt độ thấp như vậy đem lại rất nhiều ưu điểm như: tiết kiệm
được lượng chất hấp thụ (CaCO 3 ) dïng cho viƯc khư SO x , do nhu cÇu tØ lƯ sè
mol Ca/S dïng cho viƯc khư SO x có hiệu quả nhất ở dải nhiệt độ này đồng thời
dải nhiệt độ 840 - 870oC thấp hơn nhiệt độ làm nóng chảy tro của hầu hết các
loại nhiên liệu, nên tro sẽ không bị chảy lỏng và hiện tượng đóng xỉ, bám bẩn
như ở lò hơi đốt than phun sẽ được giảm đáng kể; ngoài ra khi nhiệt độ càng
thấp sự phát thải NO x sẽ càng thấp. Như vậy, do nhiệt độ cháy trong FBC thấp
hơn nhiệt độ nóng chảy của tro nên khi tính toán thiết kế lò hơi FBC không


12

cần quan tâm nhiều tới đặc tính nóng chảy của tro như khi thiết kế các loại lò
hơi thông thường khác. Lò hơi FBC có thể được thiết kế để đốt cháy nhiều loại
nhiên liệu khác nhau mà không gây những khó khăn trong việc vận hành lò.
Các ưu điểm chính của lò đốt tầng sôi có thể tóm tắt như sau:


Hệ số trao đổi nhiệt trong lớp sôi lớn (200-400W/m2K).



Hiệu suất và cường độ cháy cao ngay cả với nhiên liệu chất lượng thấp
(hiệu suất cháy tới 99%).



Yêu cầu về kích thước hạt nhiên liệu không cần quá nghiêm ngặt nên hệ
thống chuẩn bị nhiên liệu đơn giản, đôi khi có thể không cần hệ thống
nghiền than.

Có thể khử lưu huỳnh ngay trong buồng đốt mà không cần lắp đặt thiết
bị khử SO 2 đặt ngoài.



Có thể đốt nhiều loại nhiên liệu chất lượng thấp, khó cháy, nhiệt độ
nóng chảy của tro thấp, hàm lượng lưu huỳnh cao, độ tro cao (có thể đến
70%), nhiệt trị thấp (có thể đến 6300 KJ/kg), độ ẩm cao, các thành phần
công nghệ thay đổi nhiều. Có khả năng đốt kết hợp chất thải và nhiên
liệu chất lượng thấp để phát điện nhiệt bảo vệ môi trường.



Nhiệt độ cháy trong buồng đốt thấp (800-900oC) nên phát thải NO x
thấp, mức độ ăn mòn hoá học, bám bẩn và đóng xỉ các bề mặt đốt rất
thấp, yêu cầu về vận hành lò, bảo ôn và kết cấu lò đơn giản hơn.



Trong quá trình vận hành do: lớp sôi có các tính chất như của lớp chất
lỏng nên dễ dàng cấp thêm vào hay xả bớt lượng vật liệu trong lớp sôi;
quá trình cháy tốt nên khả năng điều chỉnh phụ tải rộng và dễ dàng (25120% tải định mức), đặc biệt có thể giảm tải tới 25%, thời gian thay đổi
tải nhanh (3-5% trong một phút).



Quá trình hoạt động ổn định, an toàn, yêu cầu bảo dưỡng đơn giản.

Dải công suất tương đối rộng (4-1200 t/h).
ã Nhược điểm của lò đốt tầng sôi:


13



Lượng tro bay lớn dẫn đến khả năng mài mòn các bề mặt đốt cao.



Tổn thất do cháy không hoàn toàn cơ khí (q 4 ) cao, đặc biệt khi không
đồng đều về cỡ hạt và hàm lượng các hạt nhỏ lớn.



Cần sử dụng quạt gió áp lực cao (800-1000 mmH 2 O) làm tăng chi phí
tự dùng, tăng khả năng rò lọt khí.



Cần sử dụng nhiều đá vôi CaCO 3 , hiệu quả sử dụng Canxi chưa cao do
đó lượng tro bụi phát thải nhiều.

Không đạt được công suất lớn vì khả năng sinh nhiệt của bề mặt ghi
không lín (q Fmax : ABFB 2 MW/m2, ACFB 7 MW/m2, PBFB 15 MW/m2,
PCFB 50 MW/m2).



Khả năng xử lí đồng thời các khí SO x và NO x rất khó khăn do nguyên
lý xử lí trái ngược nhau.



Phát thải khí N 2 O tõ FBC (50-100 ppm) cao h¬n nhiỊu so với lò hơi
truyền thống (0,5-2 ppm).



Yêu cầu phải điều chỉnh tốc độ dòng khói phù hợp với đặc tính của lớp
hạt khá khắt khe.



Thời gian lưu cháy của các hạt nhiên liệu trong lớp sôi không giống
nhau do đó khó điều chỉnh chiều cao lớp sôi.



Thời gian khởi động lạnh khá lâu (khoảng trên 10 h).

So với các lò hơi truyền thống, FBC mới được triển khai ứng dụng chưa
nhiều nên kinh nghiệm, cơ sở khoa học và thực tiễn của FBC ít hơn.

1.3. Các thông số kỹ thuật cơ bản của lớp sôi [1,2,3,4]
Nhiệt độ lớp sôi: là nhiệt độ cháy của lớp nhiên liệu trong lớp sôi: t 0 (
0

C).

Vận tốc sôi: là vận tốc trung bình tính toán của dòng khí qua toàn bộ tiết
diện ngang của lớp sôi (coi lớp sôi là "rỗng"): u o (m/s).


14

Chiều cao (sâu) lớp sôi: là chiều cao tính từ bề mặt ghi tới bề mặt lớp
sôi: H 0 (m).
Kích thước vật liệu sôi: là đường kính trung bình tính toán của hạt trong
lớp sôi (giả thiết hạt hình cầu): d p (m).
Tỉ lệ Ca/S : là tØ lƯ sè mol Ca/S sư dơng ®Ĩ khư l­u huỳnh: Ca/S.
Hiệu quả khử lưu huỳnh: là tỉ lệ % giữa lượng lưu huỳnh được khử với
tổng lượng lưu huỳnh có trong nhiên liệu: S (%).
Lượng khí NO x phát thải: là hàm lượng khí NO x có trong khói thải: NO x
(ppm).
Hiệu suất cháy: C (%).
Nhiệt thế diện tích : là công suất nhiƯt sinh ra trªn 1m2 ghi: q F (w/m2).
 HƯ số không khí thừa: là tỉ số giữa lượng không khí thực tế và lượng
không khí lý thuyết cung cấp cho quá trình cháy nhiên liệu: t .
Hệ số trao đổi nhiệt trong lớp sôi: 0 (w/m2K).
Giáng áp qua lớp sôi: là tổn thất áp lực qua líp s«i ∆p 0 (mmH 2 O).

 HƯ sè tái tuần hoàn: là tỉ số giữa lượng hạt quay trở lại và lượng hạt cấp
vào: R t .
Một số thông số đặc trưng của lò hơi tầng sôi tổng hợp từ các tư liệu
nước ngoài [1,2,4] được giới thiệu ở bảng 1.1 và bảng 1.2.
- Nhiệt độ lớp sôi thông thường được chọn để giảm thiểu tối đa lượng khí SO x
hình thành trong buồng đốt trong khi tổn thất cháy không hết ở giới hạn cho
phép. Nhiệt độ tối ưu cho việc giảm phát thải khí SO x là khoảng 8500C như
được chỉ ra ở hình 1.4 (cho BFB [2]).


15

Bảng 1.1. Các các thông số vận hành của lò BFB
Chỉ tiêu

Kí hiệu

Đơn vị

Nhiệt độ lớp sôi
Vận tốc sôi

T0
U0

o

C
m/s

840-870
1-3

Chiều cao lớp sôi

H0

m

0,6-0,12

m

2,4-6

Chiều cao khoảng không gian trên lớp H FB
Kích thước hạt than
Với hệ thống cấp trên
Với hệ thống cấp dưới

d nl

Kích thước hạt hấp thụ

d ht

Tỉ lệ Ca/S
Hiệu quả khử lưu huỳnh

Ca/S

Giá trị

mm
0-30
0-12
mm

3

S

%

2,5-4
90

Hiệu suất cháy

C

%

90-98

Tỉ lệ tái tuần hoàn
Hệ số không khí thừa

R th

Lượng khí NO x phát thải

NO x

Ghi chú

d nl (<6mm
)<20%

0-5
1,2-1,35

t
ppm

150-350

Bảng 1.2. Các các thông số vận hành của lò CFB
Chỉ tiêu

Kí hiệu Đơn vị

Giá trị

Nhiệt độ lớp sôi

T0

o

C

840-870

Vận tốc sôi
Chiều cao lớp sôi

U0
H0

m/s
m

4- 9
0,6-0,12

Kích thước hạt than

d nl

mm

1,5-9,5

Kích thước hạt hấp thụ

d ht

mm

1

Tỉ lệ Ca/S
Hiệu quả khử lưu huỳnh

Ca/S
S

%

1,5-4
90-95

Hiệu suất cháy

%

98-99

Tỉ lệ tái tuần hoàn

C
R th

Hệ số không khí thừa

t

Lượng khí NO x phát thải

NO x

10-100
1,1-1,2
ppm

10-100

Ghi chó


16

Nếu việc khử lưu huỳnh không được quan tâm hay sử dụng nhiên liệu ít
chất bốc, nhiệt độ lớp sôi càng cao hiệu suất cháy càng được cải thiện nhưng
khí NO x phát thải sẽ nhiều hơn.

- Không khí cấp cho lớp sôi vừa để cấp oxi cho quá trình cháy vừa để nâng và
dÃn nở lớp hạt. Vận tốc không khí cấp trong lò BFB sẽ được xác định theo
chiều cao lớp sôi, ảnh hưởng của sự cuốn các hạt nhỏ theo dòng. Thông
thường vận tốc trong BFB khoảng 1 - 3 m/s vµ u 0 = 2,5 m/s được sử dụng phổ
biến nhất. Vận tốc sôi của CFB lớn hơn so với BFB, trên cơ sở xem xét, phân
tích về truyền nhiệt, về vấn đề mài mòn, về khả năng thay đổi tải. Khi tốc độ
sôi tăng, hệ số truyền nhiệt tăng, mài mòn tăng, khả năng giảm tải tốt hơn.
Thông thường đối với CFB vận tốc này chän trong kho¶ng 4 - 9 m/s.
- Trong FBC chiỊu cao lớp sôi và chiều cao khoảng không gian trên lớp sôi
được xác định theo loại nhiên liệu, cách cấp nhiên liệu và loại FBC. Khi nhiên
liệu càng ít chất bốc được sử dụng thì chiều cao lớp càng lớn. Khi nhiên liệu
dễ cháy thì chiều cao lớp sôi nhỏ hơn. Đối với BFB sử dụng nhiên liệu dễ
cháy, chiều cao lớp vật liệu khi chất đống thường khoảng 0,6m và khi giản nở

17

là khoảng 1,2 m. Chiều cao khoảng không gian trên lớp sôi (Freeboard) lớn
hơn thường được chọn cho nhiên liệu Ýt chÊt bèc hay khi viƯc cÊp nhiªn liƯu
trªn líp sôi được sử dụng. Khi chiều cao khoảng không gian trên lớp sôi tăng
thời gian lưu cháy hạt than trong buồng đốt tăng và quá trình cháy sẽ diễn ra
hoàn toàn hơn.
- Kích thước hạt nhiên liệu được cấp vào phụ thuộc vào loại hệ thống cấp
nhiên liệu và hoạt tính của nhiên liệu. Các hạt kích thước lớn hơn có thể được
sử dụng cho nhiên liệu có khả năng phản ứng cao như than nâu hay một số
loại than đá. Các hạt có kích thước nhỏ hơn có thể được sử dụng cho các loại
nhiên liệu có khả năng cháy thấp như antraxit và đá dầu. Đối với BFB khi cấp
nhiên liệu phía trên, nhiên liệu dễ cháy thì kích thước hạt nhiên liệu có thể lớn
hơn; khi cấp nhiên liệu phía dưới và nhiên liệu khó cháy thì các hạt nên nhỏ
hơn. Cần phải giảm tối đa các hạt than mịn trong lò BFB đặc biệt khi sử dụng
hệ thống cấp nhiên liệu phía trên. Thông thường kích thước lớn nhất của hạt
nhiên liệu là khoảng 31mm đối với hệ thống cấp nhiên liệu phía trên và 12mm
đối víi hƯ thèng cÊp nhiªn liƯu phÝa d­íi. Nhiªn liƯu có độ ẩm cao thường
được cấp phía trên, nhiên liệu có độ ẩm không lớn hơn 6% thường được cấp
phía dưới. Lượng các hạt nhiên liệu có kích thước nhỏ hơn 6mm phải không
lớn hơn 20% đối với hệ thống cấp nhiên liệu phía trên hay lượng hạt lọt qua
rây cỡ 16 (hệ Anh) phải nhỏ hơn 25% với hệ thống cấp phía trên và nhỏ hơn
20% khi sử dụng rây cỡ 30 với hệ thống cấp nhiên liệu dưới lớp. Kích thước
hạt nhiên liệu trong CFB nhỏ hơn nhiều so với BFB, đây là yếu tố ảnh hưởng
tới toàn bộ quá trình tính toán thiết kế chế tạo CFB. Khi kích thước hạt tăng,
giáng áp qua lớp sôi tăng, tổn thất chưa cháy hết tăng nếu tro xỉ được thải từ
hệ thống thải tro xỉ trong buồng đốt. Kích thước hạt quá nhỏ thì tốn nhiều
năng lượng để nghiền và hệ thống xiclon làm việc không hiệu quả.

18

- Kích thước hạt hấp thụ được lựa chọn để đảm bảo sử dụng tối đa khả năng
hấp thụ và hạn chế tối đa quá trình phân li các chất hấp thụ chưa phản ứng bay
ra khỏi buồng đốt.
- Tỷ lệ Ca/S được lựa chọn sao cho khử được lượng lưu huỳnh như mong
muốn. Tỷ lệ này phụ thuộc loại hệ thống cấp nhiên liệu, khả năng phản ứng
chất hấp thụ, lượng chất rắn tái tuần hoàn (tỉ lệ tái tuần hoàn), nhiệt độ lớp sôi.
Kinh nghiệm chỉ ra rằng với lò BFB sử dụng hệ thống cấp nhiên liệu dưới lớp,
trên 95% lưu huỳnh được khử khi tỉ lệ Ca/S trong khoảng 2,6 - 3,1 nếu tỉ lệ tái
tuần hoàn là 1,5. Với hệ thống cấp nhiên liệu phía trên, khả năng khử rất nhạy
cảm với lượng than mịn cấp vào, nhưng giá trị khử lưu huỳnh là khoảng trên
90% với tỉ lệ Ca/S = 2,7 - 3,7 và tỉ lệ tái tuần hoàn thuộc khoảng 0 - 1,5 nếu
nhiên liệu chứa ít hơn 7% lượng hạt dưới rây 30. Tû lƯ Ca/S trong CFB th­êng
nhá h¬n so víi BFB vì khả năng khử lưu huỳnh trong CFB tốt h¬n, th­êng tØ lƯ
Ca/S xÊp xØ b»ng 2 [2].
- HiƯu suất cháy trong lò BFB thường trong khoảng 90 - 98% và phụ thuộc
vào nhiệt độ, loại nhiên liệu, loại hệ thống cấp nhiên liệu, chiều sâu lớp, và tỉ
số tái tuần hoàn. Kết quả thử nghiệm với hệ thống cấp nhiên liệu phía dưới
của lò thí nghiệm công suất 20MW chØ ra r»ng hiƯu st ch¸y η C = 90 - 97%
khi tỉ số tái tuần hoàn trong khoảng 0 - 2 (h×nh 1.5). H·ng ABB cịng chØ ra
r»ng hiệu suất cháy không tăng nhiều khi tăng lượng không khÝ thõa tõ 1,1 1,2. HiƯu st ch¸y trong CFB khá cao và khá ổn định, thường trong khoảng
97 - 99%. Các lò vận hành thí điểm đà chỉ ra rằng hiệu suất cháy ít thay đổi
khi thay đổi tải, thay đổi nhiệt độ lớp, thay đổi lượng không khí thừa và thay
đổi cơ chế cấp than.
- Cơ chế tạo thành khí NO x trong lò BFB được chỉ ra là phụ thuộc tỉ lệ chất
bốc của nhiên liệu, hệ số không khí thừa, nhiệt độ lớp sôi và các yếu tố khác.
Thông thường NO x tạo thành từ 150 - 350 ppm (phần triệu) và có thể thấp

19

hơn. Tuy nhiên một số chuyên gia cho rằng lượng khí NO x tăng khi tăng tỉ lệ
Ca/S vì vậy việc giảm lượng khí SO 2 có thể sẽ làm tăng lượng khí NO x phát
thải. Sự tạo thành NO x trong CFB được giới thiệu trên hình 1.6.

Thông thường lượng khí NO x hình thành trong lò CFB nhỏ hơn lò BFB,
thường thấp hơn 100 ppm.


20

Các thông số cơ bản của lớp sôi và mối quan hệ tương hỗ giữa chúng có
thể tóm tắt ở bảng 1.3. Chú ý rằng dấu ''-'' biểu thị xu hướng trái ngược nhau;
dấu ''+'' biểu thị xu hướng cùng chiều; số '' 0'' biểu thị không ảnh hưởng đến
nhau; ''opt'' là được lựa chọn tối ưu.
Bảng 1.3 Mối quan hệ giữa các thông số trong lớp sôi
C

x

S

o

qF

p 0

T0

+

+

opt

+

0

0

t

opt

+

+

+

-

0

Ca/S

0

+

+

0

0

0

Ho

+

0

+

0

0

+

dp

-

0

-

-

-

0

uo

-

0

-

+

+

0

Rt

+

0

+

0

0

0

1.4. Quá trình trao đổi nhiệt trong lớp sôi [1,2,3,4,10]
Đặc trưng của lớp sôi là trong đó xảy ra đồng thời quá trình cháy nhiên
liệu toả nhiệt và quá trình trao ®ỉi nhiƯt trun nhiƯt ë nhiƯt ®é 800-9000C;
nång ®é h¹t rắn, tốc độ xáo trộn, mức độ tiếp xúc giữa các hạt rắn và dòng
khói nóng diễn ra rất mÃnh liệt; quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất rất lớn
và phức tạp; lớp sôi có các tính chất như của lớp chất lỏng, tương đối đồng đều
về nhiệt (có thể coi là đẳng nhiệt). Do đó hệ số trao đổi nhiệt trong toàn bộ lớp
sôi rất lớn. Qua nghiên cứu thấy rằng hệ số trao đổi nhiệt trong lớp sôi bao
gồm: hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của khói nóng; hệ số trao đổi nhiệt bức xạ và
hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của các hạt: α 0 = α k + α bx + α p . Trong đó giá trị
của 0 phụ thuộc chủ yếu vào hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của các hạt rắn. Do
vậy quá trình trao đổi nhiệt trong lớp sôi chủ yếu là quá trình trao đổi nhiệt
đối lưu và giá trị của nó phụ thuộc vào: nguyên nhân gây ra chuyển động; chế


21

độ chuyển động; tính chất vật lí của lớp sôi; hình dáng kích thước, vị trí bề
mặt trao đổi nhiệt nh­ trong trao ®ỉi nhiƯt ®èi l­u. Qua nhiỊu thÝ nghiƯm thùc
tÕ thÊy r»ng α 0 phơ thc chđ u vào nhiệt độ lớp sôi, kích thước hạt và độ
rỗng của lớp hạt hay khối lượng riêng hạt và tốc độ sôi. Giá trị này khoảng

200-400 w/m2K, thường không thể xác định từ các mô hình toán học truyền
thống và việc nghiên cứu để đưa ra các mô hình toán xác định hệ số trao đổi
nhiệt trong lớp sôi cho đến nay vẫn chưa hoàn thiện. Do các mô hình đưa ra
còn phức tạp, nhiều thông số chưa biết, mỗi một mô hình chỉ ứng dụng phù
hợp với một vài trường hợp.
Các bề mặt trao đổi nhiệt trong lớp sôi thường sử dụng là thiết bị trao
đổi nhiệt kiểu dàn ống đặt nằm ngang, nghiêng hoặc đứng đặt chìm trong lớp
sôi hay có thể là các giàn ống sinh hơi đặt đứng sát tường xung quanh lớp sôi.
Trong lò BFB, lượng nhiệt sinh ra do quá trình cháy của nhiên liệu
thường được hấp thụ bởi giàn ống sinh hơi đứng xung quanh buồng đốt và các
ống TĐN đặt chìm trong lớp sôi. Các ống TĐN này có thể là thiết bị sinh hơi
hay qúa nhiệt hơi. Mặc dù thiết bị TĐN trong lớp sôi có thể bị mài mòn,
nhưng sự tiếp xúc và xáo trộn của các hạt trong lớp sôi rất tốt nên TĐN trong
lớp khá cao. Quá trình TĐN ở các phần TĐN đối lưu khác tương tự như các lò
hơi thông thường, với nồng độ bụi lớn hơn.
Trong buồng đốt của lò CFB, lượng nhiệt sinh ra trong quá trình cháy
nhiên liệu thường được hấp thụ bởi giàn ống sinh hơi đứng xung quanh buồng
đốt, các ống TĐN đặt phía trên lớp sôi hay sử dụng các thiết bị TĐN lớp sôi
ngoài. Vận tốc hạt trong CFB tương đối thấp hơn so với tốc độ khói. Tốc độ
trượt giữa khói và hạt khá cao, đồng thời sự xáo trộn hạt trong lớp cũng cao,
do đó quá trình TĐN và trao đổi chất diễn ra mÃnh liệt. Tốc độ xáo trộn và
tuần hoàn hạt trong CFB lớn nên thường nhiệt độ trong toàn bộ buồng đốt và
hệ thống tái tuần hoàn là khá đồng đều. Thời gian lưu ch¸y, thêi gian tiÕp xóc,


22

tốc độ xáo trộn, tốc độ trượt lớn làm quá trình TĐN, trao đổi chất lớn và hiệu
suất cháy của CFB lớn hơn BFB.
Mặc dù toàn bộ lượng hơi sinh ra trong chu trình đều do được cấp nhiệt

thông qua các thiết bị sinh hơi, qúa nhiệt hơi, tái qúa nhiệt hơi, nhưng mỗi nhà
sản xuất lò hơi BFB lại có một cách lắp đặt chúng với các sơ đồ khác nhau.
Một vài nhà sản xuất không đặt thiết bị TĐN, trong khi đó nhiều nhà sản xuất
khác lại đặt thiết bị TĐN kiểu ống nằm ngang hoặc nằm nghiêng ở trong lớp
sôi. Các thiết bị TĐN trong lớp sôi này có thể là thiết bị hâm nước, sinh hơi
hay qúa nhiệt hơi. Trong thiết kế các lò hơi cho tổ máy 160 MW thường bố trí
các dàn ống sinh hơi đứng cạnh tường trong buồng đốt, các bề mặt sinh hơi,
quá nhiệt hơi trong lớp sôi và các thiết bị gia nhiệt khác như bộ hâm nước, qúa
nhiệt, tái qúa nhiệt được đặt trong khu vực TĐN đối lưu phía đuôi lò.
Mối tương quan giữa giáng áp cho phép, hệ số TĐN, nhiệt độ lớp sôi,
vận tốc sôi, bề mặt TĐN, cách bố trí cụm ống cần được tính toán cụ thể khi
thiết kế lắp đặt thiết bị TĐN trong lớp sôi. Cần phải hạn chế sự không cân đối
giữa lưu lượng hơi và nhiệt độ hơi. Đồng thời cách bố trí cụm ống trong lớp
sôi phải đảm bảo sử dụng hiệu quả trong toàn bộ thể tích lớp sôi.
Lượng nhiệt truyền tới bề mặt TĐN đặt trong lớp sôi phụ thuộc hệ số
TĐN đối lưu của không khí, hệ số TĐN bức xạ và hệ số TĐN đối lưu của hạt.
Hệ số TĐN đối lưu của không khí nóng đối với toàn bộ hệ số TĐN thường là
nhỏ, hệ số TĐN bức xạ lớn hơn, tuy nhiên hệ số TĐN tổng hợp được quyết
định chủ yếu bởi hệ số TĐN đối lưu của hạt. Các giá trị của hệ số TĐN quan
trọng do Stevens và Begina giới thiệu đối với 3 dạng TĐN ở trong lớp sôi bọt
như sau:[2]
Hệ số TĐN đối lưu của không khí nóng trong khoảng

0-11 w/m2K

Hệ số TĐN bức xạ trong khoảng

45-70 w/m2K

Hệ số TĐN đối lưu của các hạt rắn trong khoảng

170-285 w/m2K