Tài liệu Nghiên cứu khí động, trao đổi nhiệt và vòng đời của công nghệ lớp sôi tuần hoàn (tt)

PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Công nghệ lớp sôi tuần hoàn (CFB) được du nhập vào Việt Nam từ những năm đầu của thế kỷ 21 thông qua các dự án sản xuất điện theo hình thức Chìa khóa trao tay (Turnkey Project). Do vậy, thực tế áp dụng công nghệ CFB ở Việt Nam, vẫn cho thấy còn nhiều tồn tại trong thiết kế, vận hành, bảo dưỡng. Thực tế cho thấy, chế độ khí động của buồng đốt kiểu CFB phụ thuộc chủ yếu vào các thông số vận hành (vận tốc hạt rắn, vận tốc gió, khối lượng riêng lớp hạt, độ cứng của hạt, nhiệt độ lớp hạt và đường kính hạt rắn) và được đặc trưng bởi tốc độ tuần hoàn hạt. Sự tuần hoàn của hạt quyết định đến hiệu suất cháy, hiệu quả khử lưu huỳnh, khả năng trao đổi nhiệt từ lớp tới vách trong buồng đốt, cũng như là các vấn đề khí động liên quan đến vận hành như mài mòn, đóng xỉ,...Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu đầy đủ nào về chế độ khí động nói chung, tốc độ tuần hoàn hạt nói riêng trong các buồng đốt kiểu lớp sôi tuần hoàn.Vì vậy, việc hiểu rõ cơ chế tuần hoàn hạt trong CFB, phân tích và lượng hóa tác động của các thông số vận hành đến tuần hoàn hạt và trao đổi nhiệt trong buồng đốt CFB là hết sức cần thiết nhằm hỗ trợ cho công tác thiết kế, vận hành và bảo dưỡng thiết bị sử dụng công nghệ CFB, nâng cao hiệu quả sử dụng các nguồn năng lượng sơ cấp. Mặt khác, ưu điểm của công nghệ CFB về phương diện bảo vệ môi trường cũng cần được nhận dạng và lượng hóa, nhằm góp phần thúc đẩy việc ứng dụng rộng rãi công nghệ sạch này trong tương lai gần. Do vậy, việc sử dụng phân tích vòng đời để nhận dạng và lượng hóa công nghệ sạch CFB theo quan điểm bảo vệ môi trường để đảm bảo xem xét các yếu tố phát thải một cách toàn diện của quá trình sản xuất điện năng: từ đầu nguồn (từ khai thác nhiên liệu), vận chuyển nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu và cho đến cuối nguồn (thải bỏ). 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Các ưu điểm mà công nghệ CFB đem lại chủ yếu do yếu tố khí động học, mà đặc trưng là tốc độ tuần hoàn hạt (SCR) trong lớp sôi. Do vậy, mục tiêu nghiên cứu của đề tài đặt ra là: i) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành (vận tốc gió sơ cấp, vận tốc gió tuần hoàn hạt, đường kính hạt, khối lượng lớp sôi, v.v) đến tốc độ tuần hoàn hạt (solid circulation rate, SCR); ii) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành (tốc độ cấp gió dưới ghi, đường kính hạt, nhiệt độ lớp sôi, v.v) đến hệ số trao đổi nhiệt giữa lớp sôi với tường buồng đốt; và iii) Nghiên cứu, nhận dạng và lượng hóa tiềm năng giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường của CFB so với các công nghệ đốt than truyền thống để sản xuất điện năng. 3. Phạm vi nghiên cứu 1 Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình về khí động học CFB, ảnh hưởng của các thông số vận hành (đường kính trung bình hạt, khối lượng lớp hạt, tốc độ gió dưới ghi, tốc độ gió tuần hoàn hạt, chiều cao và diện tích mặt cắt ngang lớp sôi) đến tốc độ tuần hoàn hạt trong buồng đốt (CFB) được xem xét và lượng hoá. Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình về trao đổi nhiệt trong CFB, ảnh hưởng của các thông số vận hành (đường kính trung bình hạt, khối lượng lớp hạt, tốc độ gió dưới ghi, chiều cao và diện tích mặt cắt ngang lớp sôi) đến hệ số trao đổi nhiệt từ lớp sôi đến tường buồng đốt trong khoảng nhiệt độ của lớp sôi dao động từ 700C -1000C. Nghiên cứu chu trình vòng đời của CFB được giới hạn trong 3 khâu: i) khai thác than, ii) vận chuyển than từ nơi khai thác đến nhà máy nhiệt điện, và iii) đốt than trong nhà máy điện. Trong nghiên cứu này, ta chỉ xét phát thải của CO2, là một trong các khí chính gây ra hiệu ứng nhà kính; 4. Phương pháp nghiên cứu Đối với mục tiêu cụ thể 1: +Thu thập và cập nhật thông tin trong và ngoài nước về các nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm của các tác giả trước đây. + Nghiên cứu thực nghiệm: Chỉnh sửa mô hình hiện có tại Viện Khoa học và công nghệ Nhiệt lạnh, Đại học Bách khoa Hà Nôi.Tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của từng thông số vận hành, xây dựng biểu thức thực nghiệm xem xét ảnh hưởng đồng thời của các thông số vận hành đối với tốc độ tuần hoàn hạt Đối với mục tiêu cụ thể 2: + Thu thập và cập nhật thông tin trong và ngoài nước về các nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm của các tác giả trước đây. + Nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu ảnh hưởng của từng thông số vận hành, xây dựng biểu thức thực nghiệm xem xét ảnh hưởng đồng thời của các thông số vận hành đối với hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách trong buồng đốt lớp sôi tuần hoàn. Đối với mục tiêu cụ thể 3: Thu thập và tổng hợp các thông tin, nghiên cứu tài liệu trong và ngoài nước về vòng đời và đánh giá vòng đời; Khảo sát, nghiên cứu thực tế, thu thập, phân tích số liệu vận hành tại các nhà máy điện Na Dương và Uông Bí. Nghiên cứu xây dựng mô hình tính toán phát thải vong đời CO2 của nhà máy, xác định chí phí biên giảm phát thải khí CO2 đối với trường hợp sử dụng công nghệ buổng đốt kiểu CFB thay thế cho công nghệ đốt truyền thống. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa về mặt khoa học: 2 Góp phần nhận dạng và lượng hóa ảnh hưởng của các thông số vận hành đến chế độ tuần hoàn hạt và trao đổi nhiệt trong hệ thống/thiết bị kiểu CFB; Góp phần làm rõ ưu điểm về mặt lợi ích môi trường của công nghệ CFB so với các công nghệ năng lượng truyền thống khác hiện đang được sử dụng trong khu vực sản xuất điện năng. Việc so sánh công nghệ CFB với công nghệ than phun (Pulverised fuel, PF) theo quan điểm phát thải vòng đời CO2 đã góp phần làm rõ khả năng áp dụng và nhân rộng công nghệ CFB ở Việt Nam trong tương lai gần. - Ý nghĩa về mặt học thuật và thực tiễn: Kết quả nghiên cứu thực nghiệm khí động lớp sôi tuần hoàn đã đưa ra biểu thức thực nghiệm về quan hệ của các thông số vận hành với tốc độ tuần hoàn hạt (solid circulation rate-SCR), cho phép đánh giá ảnh hưởng của các thông số vận hành (đường kính hạt, khối lượng lớp, vận tốc gió sơ cấp, vận tốc gió tuần hoàn hạt) đối với SCR và biểu thức thực nghiệm cho phép xác định SCR khi biết các thông số vận hành, thông số kích thước hình học của CFB;Kết quả nghiên cứu cho thấy, có thể xây dựng các biểu thức thực nghiệm cho các thiết bị kiểu CFB đã và đang vận hành hiện nay khi biết thông số hình học của thiết bị và các thông số vận hành (kích thước hạt, khối lượng hạt và vận tốc gió sơ cấp, vận tốc gió tuần hoàn hạt,...) từ đó lựa chọn chế độ khí động của thiết bị kiểu CFB phù hợp với điều kiện vận hành, giảm thiểu vấn đề vận hành có nguyên nhân từ chế độ khí động, giúp công tác vận hành hiệu quả thiết bị, nâng cao hiệu suất cháy và hiệu quả truyền nhiệt từ lớp tới bề mặt vách buồng đốt. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt trong CFB đã đưa ra biểu thức thực nghiệm quan hệ giữa các thông số vận hành với hệ số trao đổi nhiệt từ lớp tới vách trong buồng đốt lớp sôi tuần hoàn, cho phép đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số vận hành đối với trao đổi nhiệt từ lớp tới vách. Kết quả nghiên cứu giúp xây dựng các biểu thức thực nghiệm tương tự cho các thiết bị kiểu CFB đã và đang vận hành hiện nay để có thể đánh giá sự thay đổi hệ số trao đổi nhiệt trong buồng đốt ở các chế độ vận hành khác nhau, giúp lựa chọn chế độ vận hành hiệu quả thiết bị kiểu CFB. Kết quả nghiên cứu về đánh giá vòng đời công nghệ đốt lớp sôi tuần hoàn đã xây dựng được mô hình so sánh công nghệ theo quan điểm phát thải vòng đời, phương pháp tính chi phí biên giảm phát thải khí nhà kính. Kết quả nghiên cứu có thể được làm cơ sở cho các nhà đầu tư ra quyết định lựa chọn công nghệ sản xuất điện nói riêng và sản xuất năng lượng nói chung trong điều kiện thực tế của mỗi dự án ở Việt Nam. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu cũng cho thấy, có thể áp dụng công 3 nghệ CFB ở Việt Nam để nâng cao hiệu quả sản xuất điện đồng thời giảm phát thải CO2 mà không đòi hỏi kinh phí bổ sung/hỗ trợ từ Nhà nước hoặc từ các tổ chức quốc tế theo cơ chế phát triển sạch. 6. Điểm mới của luận án - Kết quả nghiên cứu thực nghiệm khí động CFB đã đánh giá ảnh hưởng của các thông số vận hành (đường kính hạt, khối lượng lớp, vận tốc gió sơ cấp, vận tốc gió tuần hoàn hạt) đối với tốc độ tuần hoàn hạt (solid circulation rate, SCR) và biểu thức thực nghiệm cho phép xác định SCR khi biết các thông số vận hành, thông số kích thước hình học của CFB; - Kết quả nghiên cứu thực nghiệm trao đổi nhiệt trong CFB đã đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số vận hành đối với trao đổi nhiệt từ lớp tới vách và đã đề xuất biểu thức thực nghiệm xác định hệ số trao đổi nhiệt khi biết các thông số vận hành, thông số kích thước hình học của CFB; - Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật tính toán đã sử dụng và kết quả thu được cho phép so sánh công nghệ nhiệt điện đốt than đã được phát triển và áp dụng để nhận dạng và định lượng tiềm năng giảm phát thải CO2 của công nghệ lớp sôi tuần hoàn so với công nghệ PF hiện đang được sử dụng ở Việt Nam. Xét theo quan điểm vòng đời, các kết quả nghiên cứu về việc sử dụng công nghệ lớp sôi tuần hoàn vào sản xuất điện năng là hoàn toàn khả thi về mặt kinh tế và môi trường. 7. Bố cục luận án Luận án gồm 183 trang: lời cam đoan (01 trang); lời cảm ơn (01 trang); mục lục (03 trang); danh mục ký hiệu, chữ viết tắt (05 trang); danh mục bảng, biểu (01 trang); danh mục hình vẽ, sơ đồ (05 trang); phần mở đầu (04 trang). Nội dung chính của luận án bao gồm 4 chương, 140 trang. Chương 1 (51 trang) trình bày lý thuyết cơ bản về khí động học, trao đổi nhiệt trong CFB, vòng đời và ứng dụng vòng đời để so sánh công nghệ. Chương 2 (55 trang) trình bày các kết quả nghiên cứu thực nghiệm về khí động và trao đổi nhiệt trong CFB trên mô hình CFB. Chương 3 (29 trang) trình bày lý thuyết về vòng đời, so sánh công nghệ và ứng dụng vòng đời để so sánh công nghệ nhiệt điện đốt than theo quan điểm phát thải vòng đời. Các đánh giá và khuyến nghị trên cơ sở các kết quả nghiên cứu của đề tài được trình bày ở Chương 4 (05 trang); tài liệu tham khảo (06 trang); danh mục công trình của tác giả (01 trang); phụ lục (16 trang). CHƯƠNG 1-TỔNG QUAN VỀ KHÍ ĐỘNG HỌC VÀ TRAO ĐỔI NHIỆT TRONG LỚP SÔI TUẦN HOÀN 1.1. Tổng quan về khí động học 4 Nghiên cứu tổng quan về khí động học CFB nhằm xác định các thông số đặc trưng và ảnh hưởng của các thông số này đến đặc tính khí động của lớp sôi. 1.1.1. Phân bố giáng áp lớp sôi nhanh Giáng áp lớp sôi nhanh có thể được tính toán xấp xỉ theo công thức thực nghiệm của Kafa [60]: p 87,69 *  p *   g * u g / g p  0, 6 * u g2 * e   2,89*H v / H  (1.5) Trường hợp giáng áp được đo trực tiếp trên ống lên tương ứng với các khoảng đo (L), độ rỗng  s lớp sôi tại một điểm được ước lượng từ gradient, P / L có thể được ước lượng như sau (Chong và cộng sự [35], 1988; Nag và Ali, 1992 [78]): 1 p  P 1 . L p (1.6) Do vậy, mật độ lớp hạt được ước lượng như sau:  b 1   p   p   p  g , kg/m3 (1.7)  p : khối lượng riêng của hạt (kg/m3);  g : khối lượng riêng của khí (kg/m3);ug : vận tốc khí trên bề mặt (m/s); gp : khối lượng hạt tuần hoàn (kg/s); Hv: chiều cao theo phương thẳng đứng được đo từ đáy của ghi (m); H: chiều cao của buồng đốt (m); P / L = Chênh lệch áp suất trên một đơn vị chiều dài (mmH2O/m). Nếu không thể xác định được giáng áp thì mật độ lớp hạt có thể được tính toán bằng biểu thức xấp xỉ sau [60]:   b 253,4 *  p   g * u g / g p  * u g2 * e   2,89*HV / H  0.6  (1.8) 1.1.2. Vận tốc sôi tối thiểu Vận tốc sôi tối thiểu (Umf) là vận tốc mà tại đó các hạt rắn bắt đầu trạng thái lơ lửng, và được xác định như sau: Đối với các hạt rất nhỏ Đối với các hạt rất lớn [38]: [38]: 3 d   g g 3 d p2   p   g  g  mf  p2 2  p p  mf  p , Re p.mf  1000 U mf  , Re pU .mf mf 20 1,75  g 1   mf  150 (1.14) (1.13) Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về khí động học lớp sôi cho thấy tốc độ chuyển động của hạt trong lớp sôi và chế độ sôi phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố sau đây: i) đường kính hạt rắn; ii) tốc độ cấp khí / gió; iii) khối lượng hạt trong lớp; iv) kích thước lớp sôi. Với 5 số Archimet Ar   g   p   g  gd p 2 3 , các biểu thức bán thực nghiệm xác định vận tốốc sối tốối thiểu trong điềều kiện v ận hành, thí nghi ệm đềều có d ạng: b U mf d p  g 0.5 2 U mf kd a   p   g   cp  d  e ( Re mf   C1  C 2 Ar  C1  1.15)   (1.3) 1.1.2.Vận tốc tới hạn Vận tốc tới hạn (Ut) của hạt là vận tốc mà tại đó hạt bị cuốn theo dòng khí, tại trạng thái này lực nâng hạt do dòng khí hoàn toàn thắng thế so với trọng lực của hạt [87]. Tùy thuộc vào điều kiện của dòng khí-hạt (Re), đối với hạt có dạng cầu, Ut được xác định như sau: d pU t  g 0,4 - Xem thêm -