TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
──────── * ───────
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG
QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG BUỒNG ĐỐT
lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Thời gian làm ĐAMH:
Ngày giao nhiệm vụ: 19 / 08 / 2014
Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 10 / 01 / 2015
2. Mục đích nội dung của ĐAMH
- Mô phỏng quá trình cháy của than trong lò hơi nhà máy nhiệt điện.
- Mô phỏng sự hình thành các khí thải trong quá trình cháy.
3. Các nhiệm vụ cụ thể của ĐAMH
- Tìm hiểu tổng quan về lò hơi nhà máy nhiệt điện.
- Tìm hiểu lý thuyết về than, quá trình cháy của than và sự hình thành các khí thải.
- Mô phỏng cháy than trong lò hơi, đưa ra các kết quả về phân bố nhiệt độ cháy, vận
tốc dòng hỗn hợp, nồng độ các khí thải.
- So sánh các kết quả thu được khi thay đổi điều kiện than đầu vào.
4. Lời cam đoan của sinh viên:
Chúng tôi – Hoàng Tiến Đạt và Trần Viết Vũ - cam kết ĐAMH là công trình
nghiên cứu của bản thân chúng tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Phú Khánh và
TS. Hoàng Thị Kim Dung.
Các kết quả nêu trong ĐAMH là trung thực, không phải là sao chép toàn văn của bất kỳ
công trình nào khác.
Hà Nội, ngày 10 tháng 01 năm 2015
Tác giả ĐAMH
Hoàng Tiến Đạt, Trần Viết Vũ
5. Xác nhận của giáo viên hướng dẫn về mức độ hoàn thành của ĐAMH và cho phép bảo
vệ:
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
rate of oxygen to particle surface and the surface reaction rate. ANSYS CFX 14.5 is a
powerful simulation tool that is used in this study. The results received from CFX
including temperature, velocity and NO
x
distributions, would be analyzed in order to carry
out characteristics of the coal combustion process. Three cases of study with three different
coal analysis data would be considered to evaluate changes in the distributions.
M
ỤC LỤC
Lời mở đầu:
Trang
CHƯ
ƠNG 1 : ĐẶT VẤN ĐỀ 1
1.1.1. Vấn đề của ngành nhiệt điện than ở nước ta hiện nay 1
1.1.2. Sơ lược về lò hơi nhà máy nhiện điện 1
1.2. NGHIÊN CỨU CHÁY THAN TRONG LÒ HƠI 2
1.2.1. Các nghiên cứu trước đây và nhu cầu nghiên cứu hiện nay 2
1.2.2. Nghiên cứu cháy than trong lò hơi ứng dụng mô phỏng số 3
CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4
2.1. THAN VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA THAN 4
2.1.1. Than là gì? 4
2.1.2. Các tính chất của than 4
2.2. SỰ CHÁY CỦA THAN 7
2.2.1. Giai đoạn I: Bốc hơi chất bốc 7
2.2.2. Giai đoạn II: Cháy chất bốc 9
2.2.3. Giai đoạn III: Cháy hạt cốc 10
2.3. SỰ HÌNH THÀNH KHÍ THẢI 13
2.3.1. Ảnh hưởng môi trường của các khí thải 13
2.3.2. Sự hình thành và suy giảm NO
Hình 2.6: Cấu trúc các oxit lưu huỳnh. 14
Hình 2.7: Sự hình thành và cấu trúc muội than. 15
Hình 3.1: Quy trình mô phỏng một bài toán CFD. 20
Hình 3.2: Phạm vi của lò hơi cần mô hình hóa. 21
Hình 3.3: Kích thước mô hình lò hơi theo tỉ lệ 1:1. 21
Hình 3.4: Chia lưới Hex Dominant và các chỉ số chất lượng lưới 22
Hình 3.5: Thiết lập các thông số cho phản ứng bốc hơi chất bốc 24
Hình 3.6: Thiết lập các thông số cho phản ứng cháy chất bốc 24
Hình 3.7: Các giá trị thiết lập cho tốc độ cháy bề mặt và tốc độ khuếch tán khí oxi 25
Hình 3.8: Hướng phun khí và than tại các miệng vòi phun. 25
Hình 3.9: Vị trí ra của dòng hỗn hợp sau cháy. 26
Hình 3.10: Đồ thị hội tụ lời giải các phương trình của bài toán. 27
Hình 3.11: Hệ tọa độ sử dụng trong phân tích kết quả. 27
Hình 3.12: Vùng buồng đốt giới hạn bởi hai mặt cắt Z = 3 m và Z = 15 m la khu
vực cần quan tâm nhất 28
Hình 3.13: Phân bố nhiệt độ tại mặt cắt giữa lò (Y=3.95 m). 28
Hình 3.14: Phân bố nhiệt độ tại các mặt cắt trong vùng buồng đốt. 29
Hình 3.15: Quỹ đạo chuyển động của các hạt than bên trong lò. 30
Hình 3.16: Đường dòng vận tốc của dòng khí trong lò và tại mặt cắt Z = 8 m. 31
Hình 3.17: Phân bố vận tốc góc của dòng khí tại 3 mặt cắt qua vị trí các vòi phun. 31
Hình 3.18: Phân bố vận tốc theo phương Z tại 4 mặt cắt. 31
Hình 3.19: Phân bố nồng độ khí CO2 tại mặt cắt giữa lò. 33
Hình 3.20: Phân bố nồng độ mol khí CO2 tại các mặt cắt. 33
Hình 3.21: Nồng độ mol NO tại mặt cắt giữa lò (hình a) và mặt cắt đầu ra (hình b) 34
Hình 3.22: Phân bố nhiệt độ và nồng độ NO. 34
Hình 3.23: Phân bố Nồng độ mol NO tại các mặt cắt trong vùng buồng đốt. 35
Hình 3.24: Phân bố nhiệt độ tại mặt cắt giữa lò của 3 trường hợp than. 37
Hình 3.25: Phân bố nhiệt độ tại mặt cắt Z = 8 m của 3 trường hợp than. 37
nhiệt điện than và nhiệt điện khí, với tổng sản lượng điện hằng năm đạt hàng trăm tỉ
kilôoat-giờ (kWh) điện nhưng vẫn chưa đủ cung cấp cho nhu cầu trong nước, đặc
biệt là những tháng cao điểm mùa hè. Nhà nước đã đầu tư xây dựng hai nhà máy
điện nguyên tử đầu tiên tại Ninh Thuận nhưng các dự án này còn phải chờ tới năm
2020
mới có thể hoàn thành và đi vào sản xuất. Do vậy, trong vài năm tới, để đủ
điện sử
dụng, nước ta sẽ phải xây thêm nhiều nhà máy điện mới, mà trong số đó,
các nhà
máy nhiệt điện than sẽ chiếm đa số.
Nước ta có nguồn tài nguyên than ở mức độ trung bình và lượng khai thác được
hàng năm đáp ứng đủ cho nhu cầu trong nước. Tuy nhiên hiện nay ta đang phải
nhập khẩu than do chất lượng nguồn than nội bị giảm sút. Điều này gây ra sự lãng
phí lớn cho đất nước khi không thể sử dụng hiệu quả được nguồn tài nguyên sẵn có.
Nhận thấy sự lãng phí này có thể được hạn chế, những trí thức trong nước đang
ngày đêm nghiên cứu tìm ra giải pháp cho bài toán than nội địa. Chúng tôi, Hoàng
Tiến Đạt và Trần Viết Vũ, thấy rằng bản thân mình cũng có thể tham gia đóng góp
hiện nay chưa đáp ứng đủ nhu cầu tiêu thụ và nước ta đang phải nhập khẩu than từ
nước ngoài. Các bể than lớn như bể than Quảng Ninh đã khai thác từ lâu và mức
khai thác hiện đã đạt tới hạn cho phép. Chất lượng than cũng không còn tốt như
trước, hàm lượng than kém chất lượng tăng lên, không đáp ứng được tiêu chuẩn sử
dụng. Vấn đề đặt ra hiện nay là cần tận dụng được nguồn than kém chất lượng trong
nước, hạn chế nhập khẩu than nước ngoài có giá thành cao. Đây là một công việc
quan trọng đang được tập trung nghiên cứu vì nếu thực hiện thành công sẽ giúp tiết
kiệm lớn cho đất nước.
1.1.2. Sơ lược về lò hơi nhà máy nhiện điện
Hình 1.1: Sơ đồ một lò hơi nhà máy nhiệt điện điển hình.
1
CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
Lò hơi (boiler) nhà máy nhiệt điện là một bộ phận quan trọng của nhà máy nhiệt
điện, có chức năng chính là chuyển hóa năng lượng cháy của nhiên liệu thành nhiệt
năng và động năng của hơi nước (steam) để làm quay tuabin phát điện. Lò hơi
thường có dạng hình học giống chữ Π, với chiều cao lớn, mỗi nhánh có dạng trụ
vuông. Hình 1.1 mô tả một sơ đồ lò hơi điển hình.
Về cấu tạo, bên trong lò hơi là hệ thống các dàn ống trao đổi nhiệt nằm trên đỉnh
lò, nhánh bên phải lò và dọc trên thành nhánh, có tác dụng lấy nhiệt từ hỗn hợp
cháy làm bốc hơi nước (đun sôi) và chuyển hóa thành nhiệt năng của hơi nước. Hơi
nước sau khi đã tích đủ lượng nhiệt cần thiết (hơi nước nhiệt độ cao) sẽ được đưa
tới tuabin phát điện. Sau khi đã trao đổi năng lượng với tuabin, lượng hơi nước còn
lại (hơi nước nhiệt độ thấp) sẽ được đưa trở lại buồng đốt để tiếp tục lấy nhiệt, tạo
thành một chu trình khép kín. Nhánh bên trái là khu vực buồng đốt. Trên thành
buồng đốt có các cụm vòi phun để đưa nhiên liệu và không khí vào lò, ở đây ta quan
tâm tới nhiên liệu là than. Tùy theo cách bố trí mà các cụm vòi phun có thể nằm tại
Hiện nay chất lượng nguồn than tiếp tục giảm do các mỏ than đã khai thác từ lâu,
nước ta đang phải nhập khẩu than từ nước ngoài để đáp ứng nhu cầu trong nước. Do
đó nghiên cứu tận dụng tối đa nguồn than trong nước để hạn chế phải nhập than
nước ngoài là việc làm cần thiết nhằm tiết kiệm cho đất nước. Một giải pháp được
2
CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
đặt ra là trộn lẫn than chất lượng thấp trong nước với loại than nhập khẩu phù hợp,
với một tỉ lệ thích hợp để sử dụng cho lò hơi. Vấn đề là chọn loại than nước ngoài
nào và trộn với tỉ lệ bao nhiêu thì sẽ cho hiệu quả tốt nhất? Đây chính là hướng
chính cần nghiên cứu. Nhưng hiện nay khó áp dụng phương pháp nghiên cứu bằng
thực nghiệm như trước đây do chi phí thực hiện tốn kém. Trước đây để phục vụ
việc nghiên cứu Nhà máy Nhiệt điện Ninh Bình phải dừng sản xuất điện cả một lò
hơi. Ở Việt Nam hiện cũng chưa có mô hình lò hơi thu nhỏ dùng để nghiên cứu,
chưa kể tới các thiết bị đi kèm cũng như lượng than cần sử dụng cho thử nghiệm
cũng rất tốn kém. Tuy nhiên có một hướng đi mới cho nghiên cứu cháy than đó
chính là sử dụng công cụ mô phỏng số. Hướng nghiên cứu này trên thế giới đã khá
phổ biến tuy nhiên ở Việt Nam đây là một điều hoàn toàn mới.
1.2.2. Nghiên cứu cháy than trong lò hơi ứng dụng mô phỏng số
Mô phỏng số là một công cụ đang được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều ngành
khoa học hiện nay do các ưu điểm mạnh mẽ của nó so với phương pháp nghiên cứu
thực nghiệm truyền thống. Trên thế giới, ứng dụng mô phỏng số trong nghiên cứu
cháy than đã có từ lâu, với các công cụ phổ biến như MATLAB, ANSYS FLUENT,
ANSYS CFX. Tuy nhiên ở Việt Nam, mô phỏng số nói chung còn chưa phổ biến,
đặc biệt ứng dụng mô phỏng số trong nghiên cứu cháy than thì chưa từng được thực
hiện trước đây. Do vậy đề tài: “ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG SỐ NGHIÊN CỨU QUÁ
TRÌNH CHÁY THAN TRONG LÒ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN” hy vọng sẽ là
nghiên cứu tiên phong mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu cháy than ở nước ta.
dụng chúng.
Than có tính chất hấp thụ các chất độc vì thế người ta gọi là than hấp thụ hoặc là
than hoạt tính có khả năng giữ trên bề mặt các chất khí, chất hơi, chất tan trong
dung dịch. Dùng nhiều trong việc máy lọc nước, làm trắng đường, mặt nạ phòng
độc
Trữ lượng than của cả thế giới vẫn còn cao so với các nguyên liệu năng lượng
khác (dầu mỏ, khí đốt ) và được khai thác nhiều nhất ở Bắc bán cầu, trong đó 4/5
thuộc các nước sau: Hoa Kì, Nga, Trung Quốc, Ấn Độ, Úc, Đức, Ba Lan, Canada.
Tổng sản lượng than khai thác là 5 tỉ tấn/năm.
Tại Việt Nam, có rất nhiều mỏ than tập trung nhiều nhất ở các tỉnh phía Bắc nhất
là tỉnh Quảng Ninh, mỗi năm khai thác khoảng 15 đến 20 triệu tấn. Than được khai
thác lộ thiên là chính còn lại là khai thác hầm lò.
2.1.2. Các tính chất của than
2.1.2.1. Thành phần cấu tạo và phân tích than
Than được cấu tạo từ bốn thành phần sau: cacbon cố định, chất bốc, độ ẩm và xỉ.
- Cacbon cố định (fixed carbon): Là thành phần chiếm chủ yếu trong than, cấu
tạo từ nguyên tố cacbon. Cốc là thành phần tạo ra nhiệt lượng chính trong quá trình
cháy của hạt than.
4
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
- Chất bốc (volatiles): Còn được gọi là khí than, là các chất khí nằm trong hạt
than với thành phần chủ yếu là khí hiđrocacbon C
x
H
y
. Chất bốc thoát ra khỏi than
và bốc cháy trong giai đoạn đầu của quá trình cháy khi hạt than bị nung nóng.
Chính sự cháy của chất bốc tạo ra nhiệt độ cao để khởi động quá trình cháy của cốc,
Cả hai cách phân tích xấp xỉ và chính xác đều được sử dụng khi phân tích một loại
than. Ví dụ với loại than Hòn Gai sẽ dùng để nghiên cứu trong bài này thì các phân
tích của than như bảng 2.1.
Phân tích xấp xỉ (%)
Phân tích chính xác (%)
Cacbon
cố định
Chất
bốc
Xỉ
Độ
ẩm
C H O N S
AR
60.92
7.37
25.33
6.38
61.5
2.32
2.81
1.04
0.62
DAF
89.21
10.79
-
-
90.06
3.4
63.2
()1
D
D
PD e
α
−
= −
(2.1)
trong đó,
• D là kích thước hạt.
• D
63.2
là kích thước hạt có xác suất phân bố là 0.632 (xác định từ thực nghiệm).
• α là hệ số mở rộng phân bố (xác định từ thực nghiệm).
• P(D) là xác suất hạt có kích thước D.
6
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.2. SỰ CHÁY CỦA THAN
Cháy than là sự cháy không đồng thể, với than ở dạng hạt rắn và chất oxi hóa là
khí oxi có trong không khí. Quá trình cháy của than phức tạp gồm nhiều giai đoạn
và có nhiều phản ứng xảy ra. Có thể phân quá trình này thành 3 giai đoạn chính theo
thứ tự xảy ra như sau:
trúc phân tử của than. Số lượng chất bốc thoát ra và cấu trúc hóa học của nó phụ
thuộc vào nhiệt độ và tốc độ nóng lên của hạt than; kích thước hạt và cấu trúc hóa
học của than, trong đó tốc độ làm nóng hạt có ảnh hưởng mạnh nhất.
Với tầm quan trọng của quá trình bốc hơi tới sự cháy của hạt rắn và tính phức tạp
của các quá trình vật lý và hóa học khi bốc hơi, nhiều mô hình đã được phát triển để
mô tả tốc độ bốc hơi của chất bốc từ than. Các mô hình đơn giản nhất dùng tốc độ
Arrhenius đơn hoặc đa. Mô hình tốc độ Arrhenius đơn (single Arrhenius rate
model) giả thiết rằng tốc độ bốc hơi phụ thuộc bậc nhất vào hàm lượng chất bốc còn
lại trong hạt than:
/
()
E RT
dV
kV V
dt
k Be
∞
−
= −
=
(2.3)
7
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Đồng nhất phương trình (2.3) với dữ liệu thực nghiệm tìm ra được năng lượng hoạt
hóa hiệu dụng khoảng 230 kJ/mol, phù hợp với năng lượng hoạt hóa để phá vỡ các
liên kết yếu trong phân tử than.
Cách tiếp cận tốc độ đơn định nghĩa theo (2.3) phù hợp với tốc độ bốc hơi ở vùng
()
dc
k kc
dt
dV
Vk Vk c
dt
=−+
= +
(2.4)
Với c là khối lượng hạt than còn lại trong quá trình bốc hơi.
Một cách tiếp cận khác được biết đến là mô hình năng lượng hoạt hóa được phân
bố (Distributed Activation Energy Model – DAEM). Mô hình này công nhận rằng
sự bốc hơi xảy ra thông qua nhiều phản ứng đồng thời. Để biểu diễn quá trình này
theo dạng toán học, tất cả các phản ứng được coi là bậc nhất và có thể được miêu tả
bởi một phân bố liên tục của các tốc độ động học với một hệ số chung và một hàm
phân bố đã xác định của năng lượng hoạt hóa.
00
exp () ()
t
VV
k E dt f E dE
V
∞
∞
∞
−
= −
Trong giai đoạn này, chất bốc sinh ra từ giai đoạn I sẽ bốc cháy khi nhiệt độ đạt
trên 500
o
C. Vì thành phần chính của chất bốc là các khí hiđrocacbon C
x
H
y
nên
phương trình cháy của chất bốc có thể được viết như sau:
2 22
42
o
t
xy
yy
C H x O xCO H O
+ + → +
(2.7)
Nhiệt lượng sinh ra của quá trình phụ thuộc vào thành phần hóa học của chất bốc.
Bảng 2.2 trình bày một số khí hiđrocacbon và nhiệt lượng sinh ra khi cháy của
chúng.
Công thức hóa học
Tên gọi
Nhiệt lượng cháy (kJ/mol)
CH
4
n-Butane
2881.3792
Bảng 2.2: Nhiệt lượng cháy của một số hiđrocacbon, xem Eugene S. Domanski [2].
Tốc độ của phản ứng (2.7) là nhanh hơn nhiều so với tốc độ khuếch tán của khí
O
2
, do vậy tốc độ của quá trình cháy phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán khí O
2
tới
vùng khí hiđrocacbon. Từ giả thiết này, ta có thể sử dụng mô hình xoáy – phân tán
(Eddy – Dissipation Model) để mô hình hóa quá trình cháy chất bốc. Theo mô hình
này, tốc độ phản ứng thực của chất I trong phản ứng thứ k, R
k
, trong chuỗi phản ứng
là biểu thức có giá trị nhỏ hơn trong hai biểu thức dưới đây:
[]
min
k
kI
I
RA
kv
ε
=
′
(2.8)
v”
kI
là hệ số tỉ lượng của chất sản phẩm I trong phản ứng k.
P
∑
là lấy tổng theo tổng số các chất sản phẩm P.
ε, k lần lượt là tốc độ phân tán và động năng rối (Dissipation Rate, Turbulent
Kinetic Energy – TKE).
A, B là các hằng số thực nghiệm. Thông thường A = 4 và B = 0.5.
9
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Từ đó tốc độ xảy ra của toàn bộ quá trình đối với chất I sẽ là:
1
()
K
I I kI kI k
k
S W v vR
=
′′ ′
= −
∑
(2.10)
2.2.3. Giai đoạn III: Cháy hạt cốc
Sau khi trải qua 2 giai đoạn trên, hạt còn lại lúc này là hạt cốc với thành phần
gồm cacbon cố định và xỉ, trong đó thành phần xỉ không tham gia vào quá trình
cháy. Sự cháy hạt cốc là một quá trình phức tạp, phụ thuộc vào nhiệt đô xung quanh
sinh ra từ oxi hóa trực tiếp cacbon chỉ đáng kể khi ở nhiệt độ tương đối thấp so với
nhiệt độ cháy, và có thể giả thiết rằng ở nhiệt độ cháy chỉ có CO được sinh ra.
Trong trường hợp đơn giản nhất, có thể giả thiết thêm rằng CO sinh ra sẽ khuếch
tán ra ngoài mà không phản ứng thêm nữa, thường gọi là mô hình lớp biên ổn định
như được minh họa trong hình 2.1: Hình 2.2: Cơ chế của mô hình lớp biên ổn định, trong đó oxi và cacbon monoxit
khuếch tán tới hạt mà không có phản ứng hóa học.
10
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Thực tế nếu nhiệt độ đủ cao (trên 1000 K) và hạt đủ lớn, khí CO sẽ bị oxi hóa thành
CO
2
ở vùng lớp biên này:
22
22
o
t
CO O CO+ →
(ΔH = -283 kJ/mol C) (2.13)
Khi đó, lượng oxi đến bề mặt hạt sẽ bị giảm xuống vì một phần đã bị dùng để oxi
hóa CO, và CO
2
trở thành chất oxi hóa cacbon theo phản ứng Boudouard:
2
2
/g. Với khối lượng riêng của cốc
11
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
thường là 0.8 g/cm
2
, ta có thể chỉ ra rằng diện tích mặt trong lớn hơn diện tích mặt
ngoài của một hạt khoảng 10 lần trên 10 μm (đường kính) hạt, 1000 lần trên 100 μm
hạt và 10000 lần trên 1 mm hạt.
Tốc độ của phản ứng cháy hạt cốc cũng phụ thuộc vào nhiệt độ và kích thước của
hạt. Hình 2.3 mô tả ba chế độ cháy khác nhau: Hình 2.4: Các chế độ cháy ứng với nhiệt độ và kích thước hạt than khác nhau.
- Zone I – Chế độ I: Chế độ cháy này chiếm ưu thế khi nhiệt độ bao quanh hạt
thấp và kích thước hạt nhỏ, khi đó tốc độ cháy sẽ được điều khiển hoàn toàn bởi tốc
độ phản ứng trên bề mặt hạt. Khi đó tốc độ khuếch tán của oxi nhanh hơn nhiều so
với tốc độ cháy, nồng độ oxi bao quanh hạt và bên trong lớp biên của hạt bằng nhau
và bằng nồng độ oxi bên ngoài. Sự cháy vùng I xảy ra tại một tốc độ tổng thể bằng
với sản phẩm của tốc độ cháy bên trong, được ước lượng tại nồng độ khí oxi bên
ngoài, và tổng diện tích mặt trong. Đường kính hạt cốc được coi là hằng số và khối
lượng riêng của hạt giảm liên tục (cháy đường kính hạt không đổi).
- Zone II – Chế độ II: Trong vùng II tốc độ cháy được quyết định bởi tổ hợp của
các hiệu ứng khuếch tán oxi (cả vào bên trong và xung quanh hạt) và tốc độ độ cháy
bề mặt. Đây là chế độ thường diễn ra trong các quá trình cháy than. Sự cháy ở vùng
II diễn ra với sự xâm nhập một phần của khí oxi, kết quả là sự thay đổi đồng thời
của đường kính và khối lượng riêng của hạt khí các lỗ gần bề mặt hạt và mặt ngoài
Os
w Ae P
−
=
(2.15)
Với
w
bằng tốc độ cháy tức thời của hạt chia cho diện tích mặt ngoài của nó
(
2
p
d
π
=
) và luôn được biểu diễn bằng đơn vị kg/(m
2
s). Theo phân tích các phản ứng
trong các chất xúc tác dạng xốp lý tưởng hóa được báo cáo lần đầu tiên bởi Thiele
năm 1939, trong sự cháy vùng II năng lượng hoạt hóa E và bậc phản ứng n xuất
hiện trong (2.15) có thể liên hệ tới các tham số động học thực tế và ẩn như
int
/2EE=
và n = (m+1)/2 với E
int
là năng lượng hoạt hóa ẩn và m là bậc phản ứng
ẩn. Năng lượng hoạt hóa ẩn của sự oxi hóa cacbon hoặc cốc được xác định xấp xỉ
bằng 180 kJ/mol và bậc phản ứng ẩn được đo (ở các nhiệt độ trung bình) là nằm
trong khoảng 0.6 – 1.0. Smith đã hiệu chỉnh dữ liệu oxi hóa cho các loại cacbon
đến vấn đề ảnh hưởng môi trường của CO
2
từ lò cháy than. Trong nghiên cứu này
không đề cập đến vấn đề này mà chỉ quan tâm đến các khí thải chính khác, bao gồm
13
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
các oxit của nitơ NO
x
, các oxit của lưu huỳnh SO
x
và các phần tử rắn nhỏ trong khói
của lò (muội than).
2.3.1.1. Các oxit của nitơ NO
xHình 2.5: Cấu trúc các oxit nitơ.
Theo số liệu của cơ quan thông tin năng lượng Mỹ EIA, một lò đốt than nhà máy
nhiệt điện trung bình thải ra 10300 tấn oxit của nitơ mỗi năm. Các oxit của nitơ khi
thải ra môi trường gây ra vấn đề về ozone mặt đất [1, p410-416], tức ozone không
được phát thải trực tiếp mà được tạo ra gián tiếp qua phản ứng của NOx với các hợp
chất hữu cơ bay hơi dưới sự có mặt của ánh mặt trời. Ảnh hưởng sức khỏe của các
khí này bao gồm: phá hủy mô của phổi, làm tăng khả năng bị bệnh hô hấp như hen
suyễn, giảm khả năng nhìn, gây sinh non,…[2] Có thể hạn chế phát thải NOx ở lò
cháy than bằng cách sử dụng công nghệ làm giảm không xúc tác có chọn lọc
(Selective non-catalytic reduction - SNCR) hoặc công nghệ làm giảm có xúc tác có
chọn lọc (SCR). Một nhà máy sử dụng các công nghệ trên có thể giảm mức phát
thải NO
qua nhiều phản ưng phức tạp. Các hạt muội than này có thể gây viêm phế quản, hen
suyễn, cản trở thị giác và chết non ở trẻ sơ sinh [2]. Nhà máy nhiệt điện trung bình
phát thải 500 tấn muội than vào không khí (theo EIA), tuy nhiên nếu ống khỏi được
lắp bộ lọc có thể giảm thiểu được 99% phát thải các phần tử rắn này.
2.3.2. Sự hình thành và suy giảm NO
x
Hầu hết các nghiên cứu thực nghiệm và lí thuyết đều tập trung vào sự hình thành
NO, đây là sản phẩm NO
x
chính trong quá trình cháy. Ngoài ra một số ít nghiên cứu
mới đây quan tâm đến NO
2
và N
2
O, đặc biệt với các phẳn ứng cháy ở điều kiện áp
suất cao [1].
Với quá trình cháy ở cấp độ phân tử trong ngọn lửa, sự hình thành NOx do 4 quá
trình động học:
- Hình thành NO
x
nhiệt: từ oxi hóa N
2
trong không khí, xảy ra khi ô xi và nitơ
trong không khí kết hợp kết hợp nhau ở nhiệt độ cao trong môi trường nghèo nhiên
liệu.
- Hình thành NO
x
nhiên liệu: oxi hóa Nitơ trong nhiên liệu ở nhiệt độ cao và điều
2.3.2.1. Sự hình thành NO nhiệt
[4] Ở nhiệt độ trên 1800K, đây là cơ chế chủ đạo trong hình thành NO
x
. Ở nhiệt
đột cao, trong buồng đốt xuất hiện nhiều gốc tự do O và N, các gốc này tác dụng
với nhau tạo thành NO theo cơ chế 2 bước đưa ra bởi Zeldovich:
2
2
O N N NO
N O O NO
→
++
←
→
++
←
(2.17)
Tốc độ của 2 phản ứng trên được xác định bởi:
38370
11
1
3162
9
2
1.8 10
6.4 10
T
T
nhiên liệu là một bộ phận quan trọng của phát thải NO
x
khi cháy dầu nặng
và than, với N tồn tại ở dạng dị vòng. Sự hình thành NO
x
từ Nitơ nhiên liệu phụ
thuộc vào đặc tính của sự cháy và sự tập trung các hỗn hợp Nitơ. Các hỗn hợp có
Nitơ được giải phóng ở pha khí khi các phần tử nóng tới nhiệt độ hóa hơi. Từ sự
phân rã nhiệt của các chất này, các gốc như HCN, NH
3
, N, CN và NH được tạo
thành và chuyển thành NO. Các nghiên cứu về biến đổi Nitơ nhiên liệu đưa ra nhiều
cơ chế khác nhau để giải thích sự tạo thành NO; tuy nhiên, có sự đồng thuận cao
rằng Nitơ trong nhiên liệu trải qua quá trình biến đổi trung gian thành hydrox
cyanide HCN hoặc amoniac NH3 sau đó bị oxi hóa tạo NO hoặc bị khử tạo N
2
. Với
mỗi trung gian HCN và NH
3
, Có 2 kịch bản cho sự chuyển hóa Nitơ nhiên liệu
16
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
trong đó tùy theo việc Nitơ trong than rắn (Char N) và Nitơ trong các chất bay hơi
(Volatile N) chuyển hóa thành HCN hay NH
3
mà cơ chế phản ứng khác nhau. Khó
có thể nói được kịch bản nào chiếm ưu thế cho mỗi loại.
Hai kịch bản cho trung gian HCN:
2.3.2.3. Sự hình thành NO tức thời
Lượng NO tức thời trong tổng lượng NO là nhỏ. Nghiên cứu về NO tức thời có
tác dụng bổ sung lí thuyết để làm rõ các cơ chế hình thành và suy giảm NO
x
có
nguồn gốc Nitơ khí quyển và Nitơ nhiên liệu.
Vẫn còn nhiều tranh cãi về việc hình thành NO
x
tức thời khi có ý kiến cho rằng NO
tức thời tạo thành từ phản ứng của gốc Hydrocacbon với Nitơ trong ngọn lửa, trong
khi các ý kiến khác cho rằng nguồn gốc của NO là phản ứng cảu Nitơ với lượng lớn
nguyên tử Oxy trạo ra trong ngọn lửa qua trung gian N2O.
Trong vùng ngọn lửa, từ Nitơ không khí tạo thành một lượng nhỏ CN. Ở vùng nhiệt
độ cao sau ngọn lửa, hợp chất CN này phản ứng tạo NO . Ngoài ra, trong phản ứng
cháy giàu nhiên liệu, vùng ngọn lửa sinh ra HCN là hợp chất bền, hợp chất này
tương tác với gốc OH cũng sinh NO tức thời.
2
2
2
2
CH N HCN N
N O NO O
HCN OH VN H O
CN O NO CO
+ ← → +
+ ← → +
+ ← → +
+ ← → +
Dưới điều kiện thuận lợi (áp suất cao và giàu Oxy), như trong buồng đốt turbine
khí hay động cơ khí nén, hoặc trong điều kiện đốt không có ngọn lửa, sự oxi hóa N
2
qua trung gian N
2
O có thể chiếm tối đa 90% lượng NO tạo thành. Trong các tuabin
và các động cơ nén, do việc kiểm soát nhiệt độ ngày càng được cải thiện, cơ chế
hình thành NO
x
nhiệt có xu hướng giảm và NO trung gian đã đạt mức 30% lượng
NO tạo thành. Trong quá trình cháy than, các điều kiện thuận lợi về áp suất và dư
Oxy không được đáp ứng nên cơ chế tạo NO qua trung gian không chiếm ưu thế.
18
Copyright: Tài liệu đại học ©