Tài liệu Nâng cao năng suất nồi hơi trong nhà máy nhiệt điện bằng sử dụng máy phân tích trực tuyến ( công nghệ PGNAA) docx

NÂNG CAO HIỆU SUẤT NỒI HƠI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
Tác giả: Kurt Snider, Tập đoàn PacifiCorp
Michael Evans, Tập đoàn Thermo Electron
Richard Woodward, Tập đoàn Thermo Electron
Thiết bị này hiện đang cung cấp tại Việt nam qua đại diện độc quyền của Thermo Fisher
(Mỹ) là Công ty Cổ Phần Nông Nghiệp T&H . Để xem thêm chi tiết hãy truy cập tại địa
chỉ website: www.th-jsc.com.vn
Tóm tắt
Gần 20 năm nay, các máy phân tích than trực tiếp đã được sử dụng trong các mỏ than,
tuyển quặng cũng như các nhà máy nhiệt điện chạy than và hầu hết chúng được sử dụng
trên các dây chuyền trộn than hoặc để xác định chất lượng than đầu vào. Tuy nhiên, năm
2002 Tập đoàn PacifiCorp đã sử dụng máy phân tích than để điều khiển nhiệt độ nóng
chảy của tro nhằm giảm lượng chất đốt sử dụng tại Trạm trộn Hunter Station ở Utah.
Do quá trình điều khiển đòi hỏi phải có nhiều thông tin hơn mà các máy phân tích đang
sử dụng tại đó không thể cung cấp được nên Tập đoàn PacifiCorp đã đưa vào sử dụng tại
dây chuyền trộn các loại than có thành phần tro khác nhau máy kiểm soát chất lượng than
bằng tia gamma CQM (Gamma-Metrics Coal Quality Manager) của Tập đoàn Thermo
Electron có khả năng phân tích nhanh các thành phần SiO
2
, Al
2
O
3
, Fe
2
O
3
, CaO, TiO
2
, K
2

O,
Na
2
O trong tro than nhằm giữ nhiệt độ làm mềm tro than ở trên 2175 °F (khoảng 1190
°C).
Các bước để phát huy hết khả năng của thiết bị này:
Trước tiên, máy phân tích cần phải được hiệu chỉnh nghiêm ngặt và so sánh đánh giá
trên thực tế để đảm bảo độ chính xác theo yêu cầu. Đồng thời phải phân tích đặc tính của
lò hơi và đặc tính của than từ công thức nóng chảy của tro để phù hợp với nhà máy. Các
bước vận hành cần thiết tiếp theo là đảm bảo phân tách các nguồn than đầu vào có chất
lượng khác nhau và sau đó trộn chúng lại với nhau theo đúng tỷ lệ dựa trên các mục tiêu
trộn đã được xác định.
Sau một số khó khăn ban đầu, hệ thống trộn than sử dụng máy phân tích than đã thực
hiện thành công việc tối đa hóa nhiệt độ làm mềm tro và nhà máy cơ bản đã giảm tiêu
hao chất đốt do giảm bớt quá trình tạo xỉ than trong lò hơi trong quá trình đốt nhiên liệu.
Bài viết này sẽ trình bày tổng thể về thiết kế hệ thống trộn, lịch sử hoạt động của nhà
máy và hoạt động của máy phân tích.
Giới thiệu
Tập đoàn PacifiCorp sở hữu và vận hành 17 nhà máy nhiệt điện ở miền Tây Hoa kỳ với
tổng công suất trên 7 000 MW. Nhà máy Hunter của tập đoàn nằm gần Castle Dale, Utah
và sử dụng một máy kiểm soát chất lượng than CQM của Tập đoàn Thermo Electron
Corporation từ tháng 10/2001 trong hệ thống điều khiển nhiệt độ nóng chảy của tro than
nhằm giảm chất đốt đầu vào.
Quá trình sử dụng máy CQM tại Trạm trộn Hunter Station.
Tham sử dụng tại nhà máy Hunter được vận chuyển từ các mỏ than ở miền Trung Utah
nhưng do một trong các mỏ than này bị đóng cửa từ đầu năm 2001 nên nhà máy buộc
phải chuyển sang sử dụng than có nhiệt độ nóng chảy của tro thấp hơn từ một nhà cung
cấp khác và sự thay đổi chất lượng than đã làm ảnh hưởng đến khả năng phát điện của
nhà máy. Nhiệt độ nóng cháy thấp là nguyên nhân gây nên xỉ than và tiêu thụ chất đốt
không mong muốn.

Tập đoàn PacifiCorp cùng với nhà tư vấn của họ là Charlie Rose đã xác định mối liên hệ
giữa nhiệt độ làm mềm tro của than đưa vào Trạm trộn Hunter Station với tỷ lệ tiêu thụ
chất đốt để tạo xỉ trên một đơn vị riêng biệt và hầu như đã nắm được mối liên hệ giữa các
thành phần khoáng chất trong tro than với nhiệt độ làm mềm tro. Tập đoàn PacifiCorp và
Charlie Rose đã đưa ra công thức công thức xấp xỉ nhiệt độ làm mềm tro than dưới dạng
một hàm số của các thành phần trong tro. Sau đó, dựa trên kinh nghiệm sử dụng máy
phân tích PGNAA tại các nhà máy khác của Tập đoàn, họ đã chỉ ra rằng máy PGNAA có
thể phân tích được thành phần hóa học của 6 thành phần chính trong tro và có thể điều
khiển được nhiệt độ làm mềm của tro.
Từ việc giảm lượng chất đốt tiêu thụ do tạo xỉ tại Hunter, Tập đoàn PacifiCorp đã mở
rộng dự án máy phân tích, mua máy phân tích CQM của Tập đoàn Thermo Electron và sử
dụng chúng trong quá trình tối đa hóa nhiệt độ làm mềm tro của than đưa vào nồi hơi.
Mô tả
Than được vận chuyển đến thực địa bằng toa xe và thông thường được bốc dỡ lên một xe
ben tại hệ thống trộn, sau đó được đổ vào một trong ba kho dự trữ. Than từ ba kho dự trữ
này được chế biến trộn thành một hỗn hợp và chuyển đến khu sàng tuyển. Sau đó, than
được chuyển đến một tháp thứ hai và đổ vào một thùng nâng ở phía trước băng chuyền để
chuyển than vào nhà kho. Than từ xe ben thứ hai cũng được đổ vào thùng nâng và được
chuyển đến nhà kho. Máy phân tích CQM được lắp đặt trên băng chuyền chuyển than vào
nhà kho để kiểm soát hỗn hợp than trộn từ ba kho dự trữ và để theo dõi chất lượng than
do xe ben trực tiếp chuyển tới.
Hình 1. minh họa sơ đồ hệ thống trộn than của nhà máy Hunter.
Một máy lấy mẫu ở băng chuyền được lắp đặt trên hệ thống băng tải đầu vào nhà kho.
Than từ máy lấy mẫu đầu tiên được đổ trực tiếp vào phễu của máy CQM. Máy CQM
kiểm soát lượng than đưa vào thông qua máy phân tích và hệ thống lấy mẫu có băng
chuyền với tốc độ có thể thay đổi được, đổ than vào máy nghiền mẫu qua một đường
máng. Máy nghiền đổ than lên băng chuyền thứ hai. Một máy lấy mẫu băng chuyền thứ
hai hoạt động hai chiều được đặt trên băng chuyền thứ hai cho phép lấy được hai mẫu và
đưa vào hộp đựng mẫu. Băng chuyền thứ hai đổ than loại lên trên băng tải than mẫu bị
loại và sau đó được chuyển lại băng tải đầu vào của nhà kho.

Hình 2 minh họa hệ thống đã được lắp đặt này.
Máy Phân
tích CQM
- PGNAA
Máy
nghiền
Thiết bị lấy
mẫu đầu
tiên
Thiết bị lấy
mẫu thứ
cấp
Công nghệ PGNAA
Phân tích hoạt hóa tức thời bằng tia gamma (PGNAA) là công nghệ tốt nhất hiện nay
trong việc phân tích trực tiếp than bằng cách xác định các thành phần chủ yếu cần thiết
trong tro than. Do PGNAA đo các thành phần trong than nên cũng là một công nghệ tốt
để xác định thành phần lưu huỳnh. Hiện nay chỉ có một công nghệ khác mà mọi người
biết đến có thể xác định được các thành phần của than là công nghệ phân tích bằng tia X
(tia Rơn ghen). Tuy nhiên, tia X bị hạn chế về khả năng xuyên thấu nên nó được coi là
công nghệ đo trên bề mặt. Trong khi đó, công nghệ PGNAA có khả năng xuyên qua vật
thể nên sẽ thực hiện phân tích được toàn bộ lượng than.
PGNAA hoạt động trên nguyên lý: Khi hạt nhân nguyên tử hấp thụ một nơtron nhiệt sẽ
trở nên kích hoạt và chuyển sang trạng thái không ổn định và do đó để nguyên tử trở trở
về trạng thái ổn định ban đầu nó phải giải phóng ra tia gamma. Mỗi một nguyên tố (trong
bản tuần hoàn hóa học Men-de-le-ep) chỉ có khả năng hấp thụ nơtron nhiệt khác nhau và
phát ra một loại tia gamma duy nhất. Để đo được một nguyên tố bằng công nghệ này thì
nguyên tố này phải có khả năng hấp thụ nơtron cao (khả năng trao đổi nơtron nhiệt cao)
và nó phải phát ra tia gamma trong cửa sổ năng lượng được phân tích. Nguyên tố phải có
đủ nguyên tử và khả năng bị tác động bởi một nơtron cũng phải đủ để phát hiện (nó là
một hàm số của khối lượng vật liệu cần phân tích và tỷ lệ của nguyên tố đó trong mẫu).

Rất may mắn là những nguyên tố cần quan tâm trong than như: lưu huỳnh, silic, nhôm,
sắt, canxi, titan và kali, có thể cả natri (nếu tỷ lệ của nó đủ cao) đáp ứng tất cả các yêu
cầu kể trên. Những nguyên tố này tạo nên những ôxit tro chủ yếu và qua việc tính được
các ôxit trong tro (ash), tỉ lệ phần trăm của tro trong than cũng có thể xác định được.
Hình 3. Quá trình PGNAA ở mức hạt nhân
Hầu hết các máy phân tích PGNAA đều sử dụng californium-252 (Cf-252) làm nguồn
nơtron. Hydro trong máy phân tích và mẫu làm chậm sẽ chuyển nơtron nhanh từ nguồn
Cf-252 thành nơtron nhiệt với tốc độ mà hạt nhân nguyên tử có thể hấp thụ được. Năng
lượng của tia gamma phát ra từ nguyên tử được thu nhận và đo bằng đầu đọc bằng tinh
thể natri iôđua (NaI). Các mức năng lượng của tia gamma cùng với số lượng tia gamma
được thể hiện dưới dạng một đồ thị (phổ ký) sau mỗi phút. Đây chính là “phổ” cần phân
tích.
γ
Nơtron
nhiệt
Hạt nhân Hạt nhân
được kích
hoạt
Hạt nhân
bền vững
Tia
gamma
Hình 4. Phổ PGNAA điển hình của than
Tập đoàn Thermo Electron hiệu chuẩn riêng rẽ từng cho đầu đọc một (detector) đối với
phổ của tất cả các thành phần có trong than (dựa trên phương pháp cắt phổ). Sau đó, mỗi
đầu dò được hiệu chuẩn trong nhà máy theo các mẫu chuẩn để loại trừ ảnh hưởng qua lại
giữa các thành phần để tạo nên đầu dò không phụ thuộc vào mỗi nguồn than. Đây là một
vấn đề rất quan trong trong ngành công nghiệp nhiệt điện vì các nhà máy đều sử dụng
than từ nhiều nguồn khác nhau. Tập đoàn Thermo Electron có một thư viện về đáp tuyến
phổ của mỗi nguyên tố (đáp tuyến này được xấp xỉ bằng phương pháp bình phương nhỏ

nhất) để xác định khối lượng tối thiểu của nguyên tố phải có trong mẫu để tạo ra phổ đo
được bằng máy phân tích.
Hình 5. Đáp tuyến phổ xấp xỉ bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất để xác định
khối lượng mỗi nguyên tố đáp ứng yêu cầu đo.
0 100 200 300 400 500 600
Kênh
S mố đ ế
100 150 200 250 300 350 400 450 500
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
x 10
5
Channel
Counts
100 150 200 250 300 350 400 450 500
0
2
4
6
8
10

12
14
x 10
6
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
x 10
6
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
x 10
6
0 50 100 150 200 2 50 300 350 400
0

2
4
6
8
10
12
14
16
18
x 10
5
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
x 10
6
× 1 × 0.25× 1× 2
+ ++
S Si Fe
C
Quang phổ đo
được
Do máy CQM của Thermo điều khiển hình dạng của dòng than qua máy phân tích nên
đảm bảo được độ chính xác tốt nhất.

Kết quả nhận được tại Hunter.
Sau gần một năm sử dụng tổ hợp máy phân tích và hệ thống lấy mẫu, hiệu quả của máy
phân tích đối với ôxit tro, tro, lưu huỳnh được xác định bằng cách thử nghiệm theo 3
phương án trong đó Kurt Snider thực hiện thử nghiệm và Charlie Rose xử lý thống kê số
liệu.
Hai mẫu thử nghiệm độc lập được lấy từ 45 chu kỳ 1 giờ và so sánh kết quả nhận được từ
phòng thí nghiệm với kết quả đọc của máy phân tích trong cùng một chu kỳ lấy mẫu. Các
mẫu này do Commercial Testing & Engineering Company phân tích tại phòng thí nghiệm
nhiên liệu trung tâm của Tập đoàn PacifiCorp với các tham số: độ ẩm, lưu huỳnh, lượng
tro, ôxit tro và nhiệt độ nóng chảy của tro. Kết quả xử lý cho thấy máy phân tích làm việc
tốt và đảm bảo độ chính xác đối với các tham số cần phân tích. Kết quả của thử nghiệm
tại Hunter đưa ra ở bảng 1 cho thấy độ chính xác của việc phân tích PGNAA đối với
lượng tro, lưu huỳnh, ôxit tro là chấp nhận được. Phương pháp thống kê được sử
dụng ở đây là bộ xấp xỉ Grubbs theo khuyến nghị trong tiêu chuẩn ASTM 6543 về
chứng nhận hiệu năng của các máy phân tích than trực tiếp (bộ xấp xỉ Grubbs là
xấp xỉ không lệch chuẩn một sigma)
Bảng 1. Bộ xấp xỉ Grubbs từ thử nghiệm tại Hunter.
Sulfur tro SiO
2
Al
2
O
3
Fe
2
O
3
CaO K
2
O TiO

2
Chuẩn của Bộ
xấp xỉ Grubbs
theo hiệu chuẩn
tại thực địa
0.026 0.265 0.194 0.113 0.018 0.069 0.018 0.007
Chuẩn của Bộ
xấp xỉ Grubbs có
điều chỉnh hiệu
chuẩn theo số
liệu thử nghiệm
0.025 .0204 0.124 0.101 0.019 0.032 0.014 0.004
Thử nghiệm này cũng đã tính được độ chính xác của công thức, xác định nhiệt độ
làm mềm tro, qua số liệu thử nghiệm, Charlie Rose và Tập đoàn PacifiCorp đã xác
định hiệu chuẩn tối ưu cho số liệu phân tích ôxit tro của hệ thống kiểm tra chất
lượng CQM.
Hình 6 là kết quả xấp xỉ tốt nhất của nhiệt độ làm mềm tro.
Số liệu nhận được từ máy phân tích của Tập đoàn PacifiCorp (một số trong đó đã
được dự đoán trước, một số số liệu không mong muốn).
Thứ nhất, mục tiêu giảm thiểu chất đốt không mong muốn bằng việc điều khiển
nhiệt độ nóng chảy của tro than đã đạt được. Khả năng thực hiện của Trạm trộn
Hunter đã được nâng cao từ khi đưa hệ thống kiểm soát chất lượng than CQM vào
làm việc trên dây chuyền trộn than. Số liệu lấy theo từng phút từ máy phân tích cho
phép nhà máy nhận được nhiều hơn lượng than phù hợp và tối đa hóa nhiệt độ làm
mềm của tro trong khi đó giảm được nhu cầu về than có nhiệt độ nóng chảy cao đắt
tiền hơn.
Thứ hai, cùng với hỗn hợp than trộn có độ tin cậy cao hơn, Trạm trộn Hunter đã tăng
được khả năng phát điện và đạt được công suất tối đa phù hợp hơn, mà phần lớn là nhờ
việc sử dụng máy phân tích CQM như một công cụ điều khiển chất lượng than. Hiện nay,
Trạm trộn Hunter đã có thể đốt cháy nhiên liệu từ nhiều nguồn khác nhau hiệu quả hơn

trước.

Bảng 6: Nhiệt độ làm mềm tro – Các kết quả hiệu chỉnh
Hình 7. Kết quả phân tích lượng tro, lưu huỳnh, ôxit tro trong thử nghiệm.
Thứ ba, máy phân tích CQM cho phép nhà máy giám sát chặt chẽ chất lượng than của các
nhà cung cấp; sự ổn định của than đầu vào được cải thiện.
Steve Cowan, Quản lý chung bộ phận giao dịch nhiên liệu của nhà máy điện Hunter,
phát biểu: “Tôi có thể giữ xe than trước khi đổ nếu than không đáp ứng các yêu cầu
theo hợp đồng cung cấp”.
Hình 8 cho thấy lợi ích trước và sau khi sử dụng máy phân tích để trộn than.
Cuối cùng, một lợi ích ngoài mong muốn là nhà máy đã nhận biết nhanh hơn và giải
quyết những vấn đề phát sinh đối với thiết bị của nhà máy. Trước kia, những vấn đề phát
sinh trong vận hành thường hay bị đổ lỗi cho chất lượng nhiên liệu, điều mà không thể
xác định được ngay lập tức mà thường phải mất một ngày để nhận được kết quả phân tích
mẫu từ phòng thí nghiệm. Còn bây giờ, khi những vấn đề phát sinh trong vận hành xảy
ra, nhà máy sẽ xác định được ngay lập tức là liệu đó có phải là do chất lượng than hay
không. Nếu không, nhà máy có thể nhanh chóng chuyển sang tìm hiểu nguyên nhân thực
sự của vấn đề và giải quyết nó. Do vậy, khả năng nhà máy bị giảm công suất phát điện
cũng trở nên ít hơn bởi vì cả hai vấn đề chất lượng than và thiết bị đều được phát hiện và
giải quyết sớm hơn.
Kết luận
Nhà máy nhiệt điện Hunter của Tập đoàn PacifiCorp ở Utah, từng đối mặt với thách thức
về chất lượng than gần đây, đã thực hiện một bước đột phá và chưa có tiền lệ trong việc
sử dụng một máy phân tích than trực tiếp để kiểm soát nhiệt độ làm mềm tro của than
trộn. Những kết quả thu được trong việc làm giảm tiêu thụ nhiên liệu và tăng hiệu suất
của nhà máy đã là một phần thưởng cho quyết định đầy tham vọng này.
Phụ lục A: Đồ thị được sử dụng trong phần trình bày của Richard Woodward
Đơn Vi Hunter 1 và 2
cho Xỉ than và nhiệt độ làm mềm tro
Nhiệt độ làm mềm tro nhỏ nhất trung bình (độ F)

Ô xít tro và nhiệt độ làm mềm tro
Fe2O3 và CaO trong tro